Электролиз воды с образованием H2 и O2.
Титановые аноды, ключевые части электролитического водородного и кислородного оборудования, имеют стабильное качество, экологически безопасны и не имеют вторичного загрязнения, имеют низкое перенапряжение, хороший энергосберегающий эффект и могут экономить 15-20% энергии. Существуют пластинчатые, сетчатые, трубчатые формы и детали специальной формы.
1. Прогресс исследований в области производства водорода электролизом воды Производство водорода электролизом воды является важным средством промышленного и недорогого получения H2 и позволяет производить продукты с чистотой от 99% до 99,9%. Ежегодно потребление электроэнергии в моей стране для производства водорода путем электролиза воды достигает более (1,5×107) кВт·ч. При прохождении тока между электродами на катоде образуется водород, на аноде — кислород, а вода подвергается электролизу [2]. Основной частью оборудования для производства водорода электролизом воды является электролитическая ячейка, а материал электрода является ключом к электролитической ячейке. Качество работы электродов во многом определяет напряжение ячейки и энергопотребление электролиза воды, а также напрямую влияет на стоимость. Эффективность использования электроэнергии для разложения воды с получением водорода обычно составляет от 75% до 85%. Процесс прост и экологически безопасен, но потребляемая мощность велика, поэтому его применение имеет определенные ограничения. Электролиз воды осуществляется в электролитической ячейке, которая заполнена электролитом и разделена диафрагмой на анодную и катодную камеры. Электроды помещаются в каждую камеру. Поскольку вода имеет очень низкую проводимость, используют водный раствор (концентрация около 15%) с электролитом. Когда между электродами проходит ток при определенном напряжении, на катоде образуется водород, а на аноде — кислород, тем самым достигается электролиз воды. Теоретически платиновые металлы являются наиболее идеальными металлами для электродов для электролиза воды, но на практике часто используются никелированные железные электроды для снижения затрат на оборудование и производство. При электролизе воды формула электродной реакции выглядит следующим образом [3]. В кислом растворе катодная реакция: 4H++4e=2H2∏=0V Анодная реакция: 2H2O =4H++O2+4e∏ =1.23V В щелочном растворе катодная реакция: 4H2O +4e=2H2+4OH∏=-0.828V Анодная реакция: 4OH-=2 H2O+O2+4e∏=0.401V Как видно из приведенной выше формулы, общая реакция электролиза воды происходит следующим образом, как в кислом, так и в щелочном растворе. 2H2O=2H2+O2 Теоретическое напряжение разложения воды не имеет ничего общего со значением pH, поэтому в качестве электролитов можно использовать кислые или щелочные растворы. Однако с точки зрения конструкции электролизера и выбора материала использование кислотных растворов чревато различными недостатками. Поэтому щелочные растворы сейчас используются в промышленности.
(1) Традиционная технология щелочного электролиза. Щелочной электролиз воды в настоящее время является распространенным и зрелым методом получения водорода. Этот метод не требует высокого оборудования, и инвестиции в основном сосредоточены на оборудовании; получаемый водород имеет высокую чистоту, но эффективность не очень высока. Этот процесс также относительно экологичен и не загрязняет окружающую среду, но потребляет много электроэнергии и поэтому имеет определенные ограничения. Давление электролиза воды в промышленности обычно составляет от 1,65 до 2,2 В. Срок службы материала электрода и потребление энергии при электролизе воды являются ключевыми факторами при оценке качества электродных материалов для щелочного электролиза воды. Когда плотность тока невелика, основным влияющим фактором является перенапряжение; при увеличении плотности тока основными факторами энергопотребления становятся перенапряжение и падение напряжения на сопротивлении. В практическом применении промышленные электроды должны обладать следующими особенностями [3]: (1) большая площадь поверхности; (2) высокая проводимость; (3) хорошая электрокаталитическая активность; (4) долговременная механическая и химическая стабильность; (5) осадки мелких пузырьков; (6) высокая селективность; (7) легко получить и низкая стоимость; (8) безопасность. Электролиз воды часто требует большей плотности тока (более 4000 А/м2), поэтому более важны пункты 2 и 4. Поскольку высокая проводимость может снизить потери энергии, вызванные омической поляризацией, высокая стабильность обеспечивает длительный срок службы материалов электродов. 1 и 3 представляют собой требования по снижению перенапряжения выделения водорода и кислорода, а также являются важными показателями для оценки работоспособности электродов.
(2) Технология электролиза воды с твердым полимерным электролитом. Поскольку электролизер с жидким электролитом имеет низкую эффективность, его неудобно перемещать и часто требует обслуживания, люди активно ищут новые электролиты, что побудило к разработке и исследованию применения твердого полимера. электролит (SPE), также известный как протонообменная мембрана (PEM). В настоящее время в электролизере в качестве электролита используется твердая мембрана из перфторсульфоновой кислоты Nafion. В электроде используются драгоценные металлы или их оксиды с высокими каталитическими характеристиками, которые изготавливаются в виде порошка с большой удельной площадью поверхности, приклеиваются и прессуются с обеих сторон мембраны Nafion с использованием тефлона для образования стабильной комбинации мембраны и электрода.
(3) Процесс высокотемпературного парового электролиза. Другим методом получения водорода электролизом воды является высокотемпературный паровой электролиз. Это метод, основанный на твердооксидных топливных элементах. В электролизной камере в качестве электролита обычно используется Y2O3-стабилизированный ZrO2. Чем выше температура, тем ниже сопротивление. Однако с точки зрения термостойкости материала верхний предел температуры предпочтительно составляет 1000 градусов. Обычно в качестве катода используется смешанное спеченное тело из никеля и керамики, а в качестве анода — проводящий композитный оксид кальция и титана.
2. Развитие биологического производства водорода. Тема использования микроорганизмов для получения водорода изучается уже несколько десятилетий. В 1930-х годах было опубликовано первое сообщение о бактериальной темной ферментации для получения водорода. Впоследствии, в 1942 году, Гафрон и Рубин сообщили, что зеленые водоросли используют энергию света для производства водорода, а в 1949 году Гест и Кеймен открыли фототрофные бактерии, производящие водород. В 1958 году Спруит подтвердил, что водоросли могут производить водород путем прямого фотолиза без необходимости фиксации углекислого газа. Исследования Хили (1970) показали, что при слишком высокой интенсивности света процесс производства водорода Chlamydomonas moewsuii подавляется из-за выработки кислорода. Во время энергетического кризиса 1970-х годов во всем мире было проведено множество исследований по производству биоводорода. Тауэр отметил в 1976 году, что темную ферментацию трудно применять в реальном производстве, поскольку она может производить только 4 моля водорода и 2 моля уксусной кислоты максимум из 1 моля глюкозы. Фототрофные бактерии могут полностью превращать такие субстраты, как органические кислоты, в водород, поэтому с тех пор исследования по производству биоводорода в основном сосредоточены на фотоферментации. В начале 1980-х годов поддержка возобновляемых источников энергии в программах исследований и разработок (НИОКР) во всем мире постепенно уменьшалась. К началу 1990-х годов экологические проблемы становились все более серьезными, и внимание людей было сосредоточено на альтернативной энергетике. При поддержке исследований и разработок по производству биоводорода в Германии, Японии и США широко изучалась область использования водорослями энергии света для производства водорода из воды. Однако общая эффективность преобразования солнечной энергии в этом процессе все еще очень низка. С другой стороны, бактерии темного брожения и фототрофные бактерии могут производить водород из недорогих субстратов или органических отходов. Поскольку он может производить чистую энергию и перерабатывать органические отходы, правительства США и Японии поддержали несколько долгосрочных исследовательских программ. Ожидается, что практическое применение технологии производства биоводорода будет реализовано в середине XXI века. Прошло более полувека с момента открытия микробного производства водорода, но производство биоводорода так и не получило практического применения. Многие технические проблемы, такие как скрининг микроорганизмов, конструкция реакторов и оптимизация условий эксплуатации, еще предстоит решить, а также уделяется внимание стоимости этой технологии. С экономической точки зрения технология производства биоводорода не сможет конкурировать с традиционной технологией химического производства водорода в ближайшем будущем. Однако с точки зрения защиты окружающей среды перспективы производства биоводорода будут очень широкими. Производство биоводорода включает в себя: фотосинтетическую систему производства биоводорода (также известную как система производства водорода прямым биофотолизом); система производства биоводорода фотолизом (также известная как система производства водорода непрямым биофотолизом); фотосинтезирующие гетеротрофные бактерии, реакция конверсии водяного газа, система производства водорода; фотоферментационная система производства биоводорода; система производства биоводорода анаэробной ферментации (также известная как система производства биоводорода темной ферментации); фотосинтетически-ферментационная гибридная система производства биоводорода; система производства биоводорода гидрогеназой in vitro и т. д. Водородная энергия является чистым источником энергии с высокой теплотворной способностью. Использование возобновляемых водных ресурсов в природе для производства водорода, несомненно, является предпочтительным методом для человечества в будущем.
После более чем полувека исследований, хотя производство водорода электролизом воды и технология производства биоводорода добились большого прогресса, они все еще в основном находятся на стадии разработки и еще не внедрены в практическое использование. Различные ограничивающие факторы, такие как низкая эффективность преобразования солнечной энергии, высокое энергопотребление при производстве водорода электролизом воды, ингибирование продукта, условия эксплуатации и т. д., делают скорость производства водорода в существующих системах производства водорода недостаточно высокой или неэкономичной, и многие другие узкие места требуют предстоит прорваться дальше. В целях дальнейшего снижения производственных затрат и повышения эффективности производства мы будем готовиться к будущей коммерческой деятельности.
Компания: Baoji Dynamic Trading Co., Ltd.
Страна:Китай
Добавить: Дорога Баоти, Цзиньтай, город Баоцзи, Шэньси, Китай.
Чел:+86 18391894207(WHATSAPP)
Gmail:alisa@jmyunti.com
Веб-сайт:www.jm-titanium.com.
