Электролизер. Виды и типы. Устройство и работа. Применение. Электролиз воды - как он есть

Многие из нас наверняка любили эксперименты, проводимые на школьных уроках химии. Всегда интересно наблюдать, как взаимодействуют друг с другом различные вещества и что получается в итоге. А такую вещь, как электролиз воды, некоторые экспериментаторы вполне успешно повторяют дома. Как известно, данный процесс приводит к выделению кислорода и водорода. Но как именно все это происходит? Зачем вообще нужен электролиз воды и каковы его перспективы? Давайте разберемся с этим поподробнее.

Как протекает электролиз воды

Если взять обычный блок питания, подсоединить к полюсам графитовые стержни и опустить их в водопроводную воду, то через нее потечет постоянный ток, в жидкости начнут происходить различные электрохимические реакции. Их активность напрямую зависит от напряжения и наличия в воде всевозможных солей. Если рассматривать электролиз воды в домашних условиях с использованием обычной кухонной соли, то в самом упрощенном виде, то в нем можно выделить несколько самостоятельных процессов.

Электрохимический процесс

Заключается в том, что на аноде выделяется кислород - и в этом месте жидкость подкисляется, а на катоде - водород - и жидкость здесь подщелачивается. Но это еще не все. Если использовать специальные электроды, то электролиз воды позволит получить на отрицательном полюсе озон, а на положительном - перекись водорода. В составе пресной (не дистиллированной воды) всегда имеются минеральные соли - хлориды, сульфаты, карбонаты. Когда происходит электролиз воды, они также участвуют в реакциях. К примеру, когда через воду с растворенной кухонной солью начинает проходить постоянный ток, на аноде начинает образовываться хлор - и вода здесь подкисляется, а на катоде формируется гидроокись натрия - и вода подщелачивается. Такая реакция является скоротечной, и появившиеся химические элементы вновь начинают между собой взаимодействовать. В итоге вскоре начинает появляться гипохлорит натрия - 2NaOCl. Примерно то же самое происходит с хлоридами калия и кальция. Как мы видим, в результате разложения пресной воды формируется смесь сильных окислителей: озон, кислород, гипохлорит натрия и перекись водорода.

Электромагнитный процесс

Он заключается в том, что молекулы воды ориентируются параллельно движению тока так, что их водородная часть (со знаком «+») притягивается к катоду, а кислородная часть (со знаком «-») - к аноду. Сила воздействия на них настолько сильна, что приводит к ослаблению и порой к разрыву водородных связей. В результате образуется атомарный кислород, что влияет на снижение жесткости воды. Он окисляет ионы кальция до окиси (Са + + О → СаО), которая, в свою очередь, соединяется с водой и образует соответствующий гидрат: СаО + Н 2 О → Са(ОН) 2 .

Кавитационный процесс

Схлопывание микроскопических пузырьков водорода и кислорода, которые возникают благодаря электролизу, происходит с высвобождением огромной энергии, которая разрушает молекулы воды, образующие их стенки. В результате появляются ионы и атомарные частицы кислорода и водорода, гидроксилы и прочие вещества.

Применение

Электролиз воды представляет собой огромную практическую ценность для современной промышленности. Его часто используют для очистки воды от различных примесей. Также он является простым способом получения водорода. Последний интересен как возможная альтернатива обычному топливу. В настоящее время ученые изучают плазменный электролиз воды, который гораздо эффективнее обычного. А кроме этого, существует теория, согласно которой для разложения «эликсира жизни» можно использовать особых бактерий, способных вырабатывать небольшой по силе ток. Как видим, электролиз воды вовсе не так уж прост, как кажется поначалу, и наверняка можно ожидать, что дальнейшее его изучение вполне может привести к переходу на водородное топливо.

Низкоамперный электролиз воды

Низковольтный процесс электролиза воды известен со времен Фарадея. Он широко используется в современной промышленности. Рабочим напряжением между анодом и катодом электролизера является напряжение 1,6-2,3 Вольта, а сила тока достигает десятков и сотен ампер. Минимальное напряжение, при котором начинается процесс электролиза воды, около 1,23 В.

Поскольку лабораторная модель ячейки низкоамперного электролизёра (рис. 210) генерирует небольшое количество газов, то, самым надёжным методом определения их количества является метод определения изменения массы раствора за время опыта и последующего расчёта выделившихся количеств водорода и кислорода.

Известно, что грамм-атом численно равен атомной массе вещества, а грамм-молекула – молекулярной массе вещества. Например, грамм-молекула водорода в молекуле воды равна двум граммам, а грамм-атом атома кислорода – 16граммам. Грамм-молекула воды равне 18 граммам. Так как масса водорода в молекуле воды составляет 2х100/18=11,11%, а масса кислорода – 16х100/18=88,89%, то это же соотношение водорода и кислорода содержится в одном литре воды. Это означает, что в 1000 граммах воды содержится 111,11 грамм водорода и 888,89 грамм кислорода.

Рис. 210. Низкоамперный электролизер (Пат. № 2227817)

Один литр водорода весит 0,09гр., а один литр кислорода – 1,47 гр. Это означает, что из одного литра воды можно получить 111,11/0,09=1234,44 литра водорода и 888,89/1,47=604,69 литра кислорода.

Оказалось, что процесс электролиза может протекать при напряжении 1,5-2,0 В между анодом и катодом и средней силе тока 0,02 А. Поэтому этот процесс назван низкоамперным. Его результаты – в табл. 46.

Процесс низкоамперного электролиза может состоять из двух циклов, в одном цикле электролизер включен в электрическую сеть, а в другом - выключен (табл. 56).

Прежде всего,отметим, что материал анода и катода один – сталь, что исключает возможность формирования гальванического элемента. Тем не менее, на электродах ячейки появляется разность потенциалов около 0,1В при полном отсутствии электролитического раствора в ней. После заливки раствора разность потенциалов увеличивается. При этом положительный знак заряда всегда появляется на верхнем электроде, а отрицательный – на нижнем. Если источник постоянного тока генерирует импульсы, то выход газов увеличивается.

Таблица 56. Показатели электролиза воды

Процесс генерирования газов легко наблюдается по выходу образующихся пузырьков. Они продолжают выделяться и после отключения электролизера от сети. Конечно, после отключения электролизера от сети интенсивность выхода газов постепенно уменьшается, но не прекращается в течение многих часов. Это убедительно доказывает тот факт, что электролиз идет за счет разности потенциалов на электродах. В табл. 48 представлены результаты эксперимента при периодическом питании электролизера импульсами выпрямленного напряжения и тока.

Есть основания полагать, что низкоамперный электролизёр (рис. 210) обладает не только свойствами конденсатора, но и источника электричества одновременно. Зарядившись в начале, он постепенно разряжается под действием электролитических процессов, протекающих в нём. Количество генерируемой им электрической энергии оказывается недостаточным, чтобы поддерживать процесс электролиза, и он постепенно разряжается. Если его подзаряжать периодически импульсами напряжения, компенсирующими расход энергии, то заряд электролизёра, как конденсатора, будет оставаться постоянным, а процесс электролиза – стабильным.

Процесс генерирования газов легко наблюдается по выходу образующихся пузырьков. Они продолжают выделяться и после отключения электролизера от сети. Конечно, после отключения электролизера от сети интенсивность выхода газов уменьшается, но не прекращается в течение многих часов. Это убедительно доказывает тот факт, что электролиз идет за счет разности потенциалов на электродах.

Выделение газов после отключения электролизера от сети в течение длительного времени доказывает тот факт, что формирование молекул кислорода и водорода идет без электронов, испускаемых катодом, то есть за счет электронов самой молекулы воды (рис. 209).

Попытка увеличит производительность низкоамперного электролизёра (рис. 210) за счёт масштабирования размеров конических электродов из одного и того же материала (стали) не удалась. Производительность растёт только при увеличении количества электролизёров оптимальных размеров. Отсутствие финансирования не позволило нам проверить влияние различных материалов конусов на эффективность процесса электролиза воды (рис. 210). Если финансирование будет продолжено, то новый коммерческий образец импульсного электромотора-генератора (рис. 169 и 172) будет источником питания самого нового процесса электролиза воды, который идёт в катодно-анодной электролизной трубке, соединяющей катодную и анодную полости (рис. 211, а).

Рис. 211: a) катодно-анодная электролизная трубка; b) водородно-кислородное пламя из катодно-анодной электролизной трубки

Впервые химический состав воды был определен французским химиком Лавуазье в 1784 году. Лавуазье вместе с военным инженером Мёнье, прогоняя пары воды над раскаленным листом железа, обнаружил, что вода разлагается, выделяя при этом водород и кислород. Да, конечно, для своего времени, для эпохи «упорядочения вещей», эти выводы имели большое значение. В самом деле, ведь до этого открытия вода считалась совершенно однородным веществом. Нельзя, однако, не отметить и другого: открытие это сыграло и свою вполне очевидную отрицательную роль, так как надолго отвлекло внимание других ученых от поисков в этой области и утвердило в умах многих поколений непогрешимость данного вывода, освященного к тому же авторитетом ученого.
Но, что условия, при которых он проводился, были настолько несовершенны, были «грязны».
Чего стоит одно только наличие железа, над которым пропускались пары воды. Оно способно внести такие моменты в опыт, которые даже трудно учесть наперед. Лавуазье с партнером зафиксировали в своем опыте то, что было наиболее очевидным: выделение двух газов - водорода и кислорода, а что было сверх того, на это они и вовсе не обратили внимание, скорее всего по той причине, что это «сверх того» не было столь очевидным, как выделение двух газов.
Поскольку до этого открытия общим мнением, господствовавшим в науке, было мнение, что вода яв-ляется однородным веществом, факт открытия ее не-однородного состава можно назвать революцион-ным. Чего еще можно было требовать от первооткры-вателей! К тому же очевидность результатов опыта была слишком подкупающей.
Старый взгляд на воду был отброшен и заменен новым представлением о во-де как соединении двух элементов - водорода и кис-лорода, которое быстро утвердилось в науке. Этому способствовало в значительной мере развитие элект-рохимии .

ЭЛЕКТРОЛИЗ по Дэви
Р ядом ученых (Никольсон, Кавендиш и др.) был проведен опыт по электрохимическому разложению воды (подобное оп-ределение данного процесса совершенно ошибочно). Под словом «разложение» надо понимать электролиз воды как сложный окис-лительно-восстановительный процесс, но отнюдь не как простое разложение воды на составляющие эле-менты.
Итак, при разложении, т.е. электролизе воды вы-делялись водород и кислород, что, казалось бы, внешним образом подтверждало вывод Лавуазье. Однако при этом «черный ящик» стал неожиданно выдавать дополнительную информацию, которой прежде не было. В процессе электролиза обнаружи-лось два странных явления: во-первых, обе состав-ные части воды выделялись не вместе, а отдельно друг от друга - кислород у одного электрода, водо-род - у другого; во-вторых, наблюдалось образова-ние кислоты у кислородного полюса и щелочи у во-дородного. Это «странное» разложение воды озада чило ученых; притом их больше беспокоила вторая «странность», т.е. появление кислоты и щелочи.

То обстоятельство, что при пропускании через во-ду электрического тока выделялись водород и кисло-род, вполне устраивало ученых, ибо как бы под-тверждало ставшее уже господствующим мнение о составе воды. Вопрос же о том, каким образом эти составные части выделялись, при каких сопутствую-щих обстоятельствах, хотя и занимал ученых того времени, но все же не в такой степени: их внимание было направлено главным образом на вторую «странность» , ибо она наводила тень сомнения на от-крытую формулу воды. Неизбежно встал вопрос о том, что является причиной образования кислоты и щелочи при электролизе воды.
За решение этой загадки взялся выдающийся анг-лийский химик Гемфри Дэви (1778—1829). Дэви ря-дом опытов, казалось бы, подтвердил предполагае-мый всеми учеными того времени факт, что образо-вание кислоты и щелочи при электролизе воды - яв-ление случайное, не связанное с самой водой, состо-ящей, как это и было определено Лавуазье, из водо-рода и кислорода. Но, каким образом Дэви удалось это «дока-зать».
Дэви проделал многочисленные опыты по «разло-жению» электричеством тщательно очищенной воды в различных сосудах: агатовых, стеклянных, сделан-ных из плавикового шпата, сернокислого барита и т.п., чтобы максимально уменьшить влияние мате-риала сосудов на результаты опытов. Во всех без ис-ключения опытах при электролизе воды он получал у анода сильную кислоту, у катода щелочь. Он связы-вал это с тем, что чистая вода отчасти все же разлага-ла материал сосудов, что и явилось причиной образо-вания кислоты и щелочи. Важным, однако, следстви-ем опытов было то, что количество образующихся у электродов кислоты и щелочи стояло в прямой за-висимости от продолжительности опытов, а именно: чем продолжительнее они были, тем больше образо-вывалось кислоты и щелочи и тем сильнее была их концентрация.
В опытах Дэви по электролизу различных раство-ров солей получалась аналогичная картина: у анода шло образование кислоты с выделением кислорода, у катода - образование щелочи с выделением водо-рода или чистого аммиака . Сами эти процессы долж-ны были бы подтолкнуть по аналогии к выводам от-носительно общих закономерностей, относящихся к процессу электролиза.
Ведь хорошо известно, что при электролизе различных веществ у электродов происходят окислительно-восстановительные про-цессы, но отнюдь не простое разложение веществ. Более того, только при наличии окислительно-вос-становительного процесса может идти и сам электро-лиз .
При этом реакция окисления происходит у од-ного электрода, а реакция восстановления у другого. Поэтому было бы самой грубой ошибкой рассматри-вать электролиз как простой процесс разложения ве-ществ на составляющие их элементы, будь то вода, соль или кислота. Окисление у одного полюса проис-ходит при одновременном восстановлении у другого, и наоборот. Эти положения суть святая святых элек-трохимических процессов, полностью согласующих-ся со вторым началом термодинамики . Действитель-но, если мы возьмем примеры с электролизом солей, то легко видеть, что у анода происходила реакция восстановления с выделением кислорода (продуктом этой реакции, скапливаю-щимся у анода, во всех случаях выступала какая-ни-будь кислота). У катода происходила реакция окис-ления с выделением водорода или металла (продук-том этой реакции, скапливающимся у катода, всегда была какая-нибудь щелочь).

Естественно, казалось бы, распространить ту же закономерность и на воду: вода как химическое веще-ство, обладающее во многих отношениях кислотными свойствами, в принципе не может служить в данном случае исключением и просто разваливаться, подобно какой-нибудь механической смеси, на составляющие его части там, где все остальные вещества претерпева-ют сложные окислительно-восстановительные про-цессы. Поэтому уже априорно можно было бы ожи-дать при электролизе воды образования кислоты и щелочи у соответствующих электродов . Вопрос только в том - какой кислоты и какой щелочи?
Но именно эта совершенно очевидная вещь отвер-галась. Мысль о ней не допускалась или ею попросту пренебрегали. Притом делали это не какие-то диле-танты, а профессионалы высокого класса. Для них, сдается, каким-то символом веры, своего рода «свя-щенной коровой» стал факт, что вода состоит из двух элементов - водорода и кислорода, и они направляли все свои недюжинные способности именно на под-тверждение данного факта, но отнюдь не на проверку его истинности. То, что оба газа выделялись при эле-ктролизе, хотя и у разных электродов, как бы под-тверждало эту веру, даже вопреки всем законам элек-тролиза и термодинамики. При этом никого нисколь-ко не смущало, что вода вот так легко может разде-ляться на составные части, будто два склеенных кус-ка дерева, опущенных в воду.

Для того чтобы избежать вся-ких побочных влияний, Дэви провел ряд опытов в зо-лотых сосудах с хорошо очищенной водой. На протя-жении четырнадцати часов, в течение которых про-должался опыт, количество кислоты в анодном сосу-де постоянно возрастало. Дэви обнаружил, что она по своим свойствам ничем не отличалась от азотной кислоты, которая точно таким же образом образовывалась в опытах, проводимых им прежде в стеклянных сосу-дах. В катодном же сосуде образовывалась летучая щелочь, количество которой скоро доходило до опре-деленного предела. Она обнаруживала свойство ам-миака (NH 3).
Дэви повторил свой опыт и продолжал его без пе-рерыва трое суток. К концу этого времени, как он сам свидетельствует, вода в сосудах была разложена и выпарилась больше чем на половину своего перво начального объема. В результате, в анодном сосуде образовалась сильная азотная кислота, количество же щелочи оставалось примерно на том же уровне, как и в предыдущем опыте. Дэви посчитал, что по-следнее было связано с ее постоянным испарением.

Вода "под пыткой" у Дэви
А действительно ли в опытах Дэви все было так безу-коризненно чисто и хорошо? Рассмотрим опыт Дэви по элек-тролизу воды под колоколом воздушного насоса. По-чему в этом опыте образовалось лишь небольшое ко-личество кислоты в анодном сосуде и не было вовсе обнаружено щелочи в сосуде катодном? Действи-тельно ли, как думал Дэви, это было связано с отсут-ствием воздуха, выкачанного из-под колокола? От-части да, но совершенно в другом смысле, нежели он предполагал. Начать с того, что Дэви допустил серь-езную ошибку в своем первоначальном предположе-нии, что причиной образования кислоты и щелочи являлся азот воздуха. Образование кислоты и щело-чи к азоту воздуха никакого отношения иметь не могло по той простой причине, что азот в обычных условиях химически не активен, не растворяется в воде и не вступает в реакции ни с кислородом, ни с водородом . Один этот факт должен был бы на-толкнуть на поиски иных источников образования кислоты и щелочи. Позже, правда, высказывалось предположение, что образование кислоты и щелочи в опытах было, возможно, вызвано присутствием в воздухе некоторого количества аммонийных солей. Этим объяснением и удовлетворились. Однако вряд ли можно всерьез принимать данное объяснение, так как, во-первых, оно было сделано постфактум и, во- вторых, даже если бы какое-то количество таких со-лей и впрямь присутствовало, то оно настолько должно было быть мало, что не могло оказывать по-стоянного и закономерного образования кислоты и щелочи в каждом опыте, количество которых стоя-ло, как говорилось, лишь в прямой зависимости от продолжительности проводимых опытов.

Главное, однако, не в этом, а в том, что именно происходило в опытах под колоколом и почему, в от-личие от обычных условий, там образовалось лишь небольшое количество кислоты и вовсе не было ще-лочи. Рассмотрим, прежде всего, возможное влияние на результаты опыта сильно разреженной атмосфе-ры. Известно, что в разреженной атмосфере происхо-дит быстрое выделение из жидкостей растворенных в ней газов и значительно ускоряется процесс ее ис-парения, причем последний вначале затрагивает бо-лее летучие вещества, а затем вещества менее лету-чие. Естественно предположить, что в опытах Дэви в сильно разреженной атмосфере начался, прежде всего, процесс выделения из раствора летучей щело-чи, которая отчасти поэтому и не была обнаружена в катодном сосуде. Затем, поскольку температура ки пения азотной кислоты ниже температуры кипения воды, стала также частично испаряться и азотная кислота, образующаяся в анодном сосуде.

Этим, однако, побочные влияния на ход опыта не ограничивались. Поскольку при электролизе воды выделяются кислород и водород, причем объем вы-деляющегося водорода в семь раз превышает объем кислорода, эти газы, и, прежде всего, водород, не мог-ли не оказывать своего влияния на ход опыта. Если в обычных условиях, т.е. не под колоколом, как ам-миак, так и водород, образующиеся во время опыта, улетучивались и не влияли на исход опыта, то под колоколом эти вещества собирались в замкнутом пространстве. Аммиак мог при этом частично всту-пать в реакцию с образующейся азотной кислотой, нейтрализуя какую-то ее часть. Помимо того, и это, может быть, самое главное, водород как сильный вос-становитель, собираясь в значительном количестве под колоколом, несомненно оказывал воздействие на весь ход реакции, давая те результаты, которые и бы-ли зафиксированы Дэви как окончательные.
Иллюстрация восстановительного действия водорода.
Е сли, взять два электрода, один из которых представляет полированную серебряную пластинку, а другой - обычную швейную иглу, поместить их под колокол, и в сильно разреженном воздухе пропус-кать электрический ток так, чтобы электрический разряд переходил с кончика иглы на полированную пластинку, то напротив кончика иглы пластинка за-метно изменится - она окислится и потускнеет, и тем больше, чем дольше будет пропускаться электричес-кий ток. Если же после этого воздух заменить разре-женным водородом, то при всех прочих равных и не-изменных условиях, дальнейшее пропускание тока приведет к тому, что окись на пластинке будет посте-пенно сходить, и полировка по большей части вос становится, что хорошо иллюстрирует восстанавли-вающие свойства водорода.

В торой пример из области живой природы. Клод Бернар приводит такой опыт: он смешивал один объ-ем воздуха с двумя объемами водорода и помещал в эту атмосферу семена. При всех прочих благопри-ятных условиях (влага, тепло и проч.) прорастания семян не происходило, хотя напряжение кислорода при этом было вполне достаточным для жизнедея-тельности . Очевидно, что негативный результат был обязан опять-таки действию водорода, оказывавшего сильное восстанавливающее действие, препятствуя течению окислительно-восстановительного процес-са, а вместе с ним и образованию его необходимых продуктов - кислоты и щелочи.
Т ретье: из физической химии хо-рошо известно, что азотная кислота является легко восстанавливающимся веществом. Она, например, восстанавливается водородом до свободного азота:
2 N 0 3 + 12Н + 10е—> N 2 + 6Н 2 0
Это свойство азотной кислоты специально ис-пользуется в некоторых гальванических элементах для предотвращения поляризации. В этих случаях азотную кислоту добавляют в катодное отделение, где выделяется водород.
Аналогичные процес-сы происходили и под колоколом в опытах Дэви. Когда он во втором опыте заменил воздух водородом, то тем самым создал там мощную восстановитель-ную среду, действие которой не преминуло сказаться на результатах: в анодном сосуде естественно не бы-ло (и не могло быть) обнаружено кислоты, в катод ном - щелочи. Все было естественно и закономерно. Но факт остается фактом: опыты Дэви убедили всех окончательно, что вода состоит из двух простых эле-ментов - водорода и кислорода.

Дэви удалось лишь создать условия, при которых во время электролиза воды не образовывались ни кислота, ни щелочь, которые неизменно образуются внормальных, естественных условиях.
Однако предположим, что вода действительно со-стоит из водорода и кислорода. Тогда естественно было бы предполагать, что, коль скоро вода с такой легкостью разлагается на свои составные части, она должна столь же легко образовываться в результате их синтеза. Ничего подобного, однако, не происхо-дит. Как известно, смесь двух газов в пропорции один к двум (один объем кислорода и два объема во-дорода) дает так называемый гремучий газ, но от-нюдь не воду. Попытки образования воды из водоро-да и кислорода имели успех только в присутствии ка-тализатора (кстати, в роли катализатора может при этом выступать и железо, то самое железо, над кото-рым Лавуазье пропускал пары воды и извлекал свои исторические выводы).
Можно сказать, что большинство опытов по определению химического состава воды было направлено не столько на объективные поиски, сколько на подгонку их результатов к уже имеющемуся выводу, который стал поистине символом веры. «Черный ящик» давал в основном ту информацию, которую от него ожида-ли и которую часто заведомо предопределяли на-правленным действием на его входы.

Итак, множество фактов биологического, химиче-ского и физического свойства не дает оснований при-знать существующую формулу воды верной. Против нее говорят не только эмпирические факты, но и тео-ретические положения и, прежде всего, те, которые вытекают из таких фундаментальных положений, ка-ковыми являются начала термодинамики . Именно - воздух и вакуум
- самозарождение
- электролиз воды (часть 2)

Электролизом воды называется физико-химический процесс, при котором под действием постоянного электрического тока вода разлагается на кислород и водород. Постоянное напряжение для ячейки получается, как правило, выпрямлением трехфазного переменного тока. В электролитической ячейке дистиллированная вода подвергается электролизу, при этом химическая реакция идет по следующей известной схеме: 2Н2O + энергия -> 2H2+O2.

В результате разделения на части молекул воды, водорода по объему получается вдвое больше чем кислорода. Перед использованием газы в установке обезвоживаются и охлаждаются. Выходные трубопроводы установки всегда защищены возвратными клапанами для предотвращения возгораний.

Непосредственно каркас конструкции изготавливается из стальных труб и толстых листов стали, что придает всей конструкции высокую жесткость и механическую прочность. Газовые резервуары обязательно тестируются под давлением.

Электронный блок устройства контролирует все стадии процесса производства, и позволяет оператору следить за параметрами на панели и на манометрах, чем обеспечивает безопасность. Эффективность электролиза такова, что из 500 мл воды получается около кубометра обоих газов с затратами около 4 квт/ч электрической энергии.

По сравнению с прочими методами получения водорода, электролиз воды отличается целым рядом преимуществ. Во-первых, в ход идет доступное сырье - деминерализованная вода и электроэнергия. Во-вторых, во время производства отсутствуют загрязняющие выбросы. В-третьих, процесс целиком автоматизирован. Наконец, на выходе получается достаточно чистый (99,99%) продукт.

Поэтому электролизные установки и получаемый на них водород, находят сегодня применение во многих отраслях: в химическом синтезе, в термической обработке металлов, в производстве растительных масел, в стекольной промышленности, в электронике, в системах охлаждения в энергетике и т. д.

Установка для электролиза устроена следующим образом. Снаружи расположена панель управления генератором водорода. Далее установлены выпрямитель, трансформатор, распределительное устройство, система деминерализованной воды и блок для ее пополнения.

В электролитической ячейке на стороне катодной пластины получается водород, а на стороне анодной - кислород. Здесь газы покидают ячейку. Они разделяются и подаются в сепаратор, затем охлаждаются деминерализованной водой, после чего отделяются под действием гравитации от жидкой фазы. Водород направляется в промыватель, где из газа удаляются капли щелока и происходит охлаждение в змеевике.

Наконец, водород проходит фильтрацию (фильтр на верху сепаратора), где капельки воды полностью устраняются, и поступает в сушильную камеру. Кислород обычно направляется в атмосферу. Деминерализованная вода подается в промыватель насосом.

Щелок используют здесь для повышения электропроводности воды. Если эксплуатация электролизера идет штатно, то щелок пополняют единожды в год в небольшом количестве. Твердое едкое кали кладется в резервуар для щелока, заполненный на две трети деминерализованной водой, после чего насос перемешивает его в раствор.

Система водяного охлаждения электролизера служит двум целям: охлаждает щелок до 80-90°C и охлаждает полученные газы до 40°C.

Система анализа газа принимает пробы водорода. Капли щелока в сепараторе отделяются, газ подается к анализатору, давление понижается, проверяется содержание в водороде кислорода. Прежде чем водород будет направлен в резервуар, во влагомере будет измерена точка росы. Сигнал будет подан оператору или на ПК, чтобы решить, подходит ли полученный водород для направления в накопительный резервуар, соответствует ли газ условиям приема.

Рабочее давление установки регулируется при помощи системы автоматического контроля. Датчик получает информацию о давлении внутри электролизера, затем данные направляются на ПК, где сравниваются с заданными параметрами. Далее результат преобразуется в сигнал порядка 10 мА, и рабочее давление удерживается на заданном уровне.

Рабочая температура установки регулируется пневматическим мембранным клапаном. Компьютер аналогичным образом сравнит температуру с заданной, и разница будет преобразована в соответствующий сигнал для .

Безопасность работы электролизера обеспечивается системой блокировки и сигнализации. В случае утечки водорода, обнаружение происходит автоматически детекторами. Программа при этом сразу отключает генерацию и запускает вентилятор для проветривания помещения. Переносной детектор утечки находится обязательно у оператора. Все эти меры позволяют достичь высокой степени безопасности при эксплуатации электролизеров.

Обеззараживание воды прямым электролизом

Что такое прямой электролиз воды?

Прохождение электрического тока через обрабатываемую воду сопровождается серией электрохимических реакций, в результате которых в воде образуются новые вещества, и изменяется структура межмолекулярных взаимодействий. При прямом электролизе воды происходит синтез окислителей – кислорода, озона, перекиси водорода и др. Кроме этого в воде даже с очень низким содержанием хлоридов при прямом электролизе образуется остаточный хлор, что очень важно для пролонгированного эффекта обеззараживания воды.

Теория процесса электролиза воды

В упрощенном виде прямой электролиз воды состоит из нескольких процессов.

1) Электрохимический процесс .

В воде (H 2 O ) расположены параллельно две пластины (электроды): анод и катод. Напряжение постоянного тока, подаваемое на электроды, приводит к электролизу воды.

На аноде производится кислород : 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e − (вода подкисляется).

На катоде образуется водород: 2H 2 O + 2e − → H 2 + 2OH − (вода подщелачивается).

Количество выделяющегося водорода незначительно и не является большой проблемой.

Использование специальных электродов позволяет производить из воды озон и перекись водорода.

На аноде производится озон : 3H 2 O → O 3 + 6e − + 6H + (вода подкисляется).

На катоде – перекись водорода : O 2 + 2H 2 O + 2e − → H 2 O 2 + 2OH − (вода подщелачивается).

Естественная пресная (не дистиллированная) вода всегда содержит минеральные соли – сульфаты, карбонаты, хлориды. В целях получения хлора для пролонгированного эффекта обеззараживания воды интересны только хлориды. В воде они представлены в основном хлоридом натрия (NaCl), хлоридом кальция (CaCl) и хлоридом калия (KCl).

На примере с хлоридом натрия реакция образования хлора электролизом будет следующей.

Соль, растворенная в воде: 2 NaCl + H 2 O → 2 Na + +2 Cl – + 2 H 2 O

Во время электролиза на аноде формируется хлор: 2 Cl – → Cl 2 +2 e – (вода подкисляется).

А у катода образуется гидроокись натрия: Na + + OH – → NaOH (вода подщелачивается).

Эта реакция является недолгой, поскольку любой хлор, произведенный у анода, быстро потребляется для формирования гипохлорита натрия : Cl 2 + 2 NaOH → H 2 + 2 NaOCl .

Подобные реакции электролиза происходят и с хлоридами кальция и калия.

Таким образом, в результате электролиза пресной воды генерируется смесь сильных окислителей: кислород + озон + перекись водорода + гипохлорит натрия .

2) Электромагнитный процесс .

Молекула воды представляет собой маленький диполь, содержащий положительный (со стороны водорода) и отрицательный (со стороны кислорода) заряды на полюсах. В электромагнитном поле водородная часть молекулы воды притягивается к катоду, а кислородная часть к аноду. Это приводит к ослаблению и даже разрыву водородных связей в молекуле воды. Ослабление водородных связей способствует образованию атомарного кислорода. Наличие в воде атомарного кислорода способствует уменьшению жесткости воды . В обычной воде всегда присутствует кальций. Ионы Са + окисляются атомарным кислородом: Са + + О → СаО. Окись кальция, соединяясь с водой, образует гидрат окиси кальция: СаО + Н 2 О → Са(ОН) 2 . Гидрат окиси кальция – сильное основание, хорошо растворимое в воде. Аналогичные процессы происходят и с другими элементами жесткости воды.

3) Процессы кавитации .

В результате электрохимического и электромагнитного процесса происходит образование микроскопических газовых пузырьков кислорода и водорода. Вблизи поверхности электродов появляется белесое облачко, состоящее из возникших пузырьков. Увлекаемые потоком воды, пузырьки смещаются в область, где скорость потока меньше, а давление выше, и происходит их схлопывание с большой скоростью.

Мгновенное схлопывание пузырька высвобождает огромную энергию, которая разрушает водную стенку пузырька, т.е. молекулы воды. Следствием разрушения молекулы воды является образование ионов водорода и кислорода, атомарных частиц водорода и кислорода, молекул водорода и кислорода, гидроксилов и других веществ.

Перечисленные процессы способствуют образованию основного окислителя – атомарного кислорода .

В чём уникальность прямого электролиза воды?

Обеззараживание воды прямым электролизом является разновидностью окислительной обработки воды, но кардинально отличается от распространенных методов обеззараживания тем, что окислители производятся из самой воды, а не вносятся извне и, выполнив свою функцию, переходят в прежнее состояние. Эффективность обеззараживания воды прямым электролизом в несколько раз выше по сравнению с химическими методами. Прямой электролиз воды способствует удалению цветности, сероводорода, аммония исходной воды. Для прямого электролиза не требуются дозирующие насосы и использование реагентов.

Хлор, необходимый для предотвращения вторичного бактериального загрязнения воды в распределительных сетях, активируется из естественных минеральных солей в воде, проходящей через электролизёр, и моментально растворяется в ней. Прямой электролиз разрушает хлорамины, преобразуя их в азот и соль.