Ūdens elektrolīze, lai iegūtu H2 un O2
Titāna anodiem, kas ir elektrolītiskā ūdeņraža un skābekļa aprīkojuma galvenās daļas, ir stabila kvalitāte, tie ir videi draudzīgi un tiem nav sekundāra piesārņojuma, zems pārpotenciāls, labs enerģijas taupīšanas efekts, un tie var ietaupīt 15-20% enerģijas. Ir plākšņu, sietu, cauruļu formas un īpašas formas daļas.
1. Pētniecības progress par ūdeņraža ražošanu ar ūdens elektrolīzi Ūdeņraža ražošana ar ūdens elektrolīzi ir svarīgs līdzeklis, lai panāktu rūpniecisku un zemu izmaksu H2 sagatavošanu, un ar to var ražot produktus ar tīrības pakāpi no 99% līdz 99,9%. Katru gadu manas valsts elektroenerģijas patēriņš ūdeņraža ražošanai ar ūdens elektrolīzi sasniedz vairāk nekā (1,5×107) kW·h. Kad strāva iet starp elektrodiem, pie katoda rodas ūdeņradis, pie anoda rodas skābeklis un elektrolizējas ūdens [2]. Ūdens elektrolīzes ūdeņraža ražošanas iekārtas galvenā daļa ir elektrolītiskā šūna, un elektroda materiāls ir elektrolītiskās šūnas atslēga. Elektrodu veiktspējas kvalitāte lielā mērā nosaka elementu spriegumu un ūdens elektrolīzes enerģijas patēriņu, kā arī tieši ietekmē izmaksas. Elektroenerģijas nodrošināšanas efektivitāte ūdens sadalīšanai, lai iegūtu ūdeņradi, parasti ir 75–85%. Process ir vienkāršs un bez piesārņojuma, taču enerģijas patēriņš ir liels, tāpēc tā pielietojums ir pakļauts noteiktiem ierobežojumiem. Ūdens elektrolīzi veic elektrolītiskajā šūnā, kas ir piepildīta ar elektrolītu un ar diafragmu sadalīta anoda kamerā un katoda kamerā. Katrā kamerā ir ievietoti elektrodi. Tā kā ūdenim ir ļoti zema vadītspēja, tiek izmantots ūdens šķīdums (koncentrācija aptuveni 15%) ar elektrolītu. Kad strāva iet starp elektrodiem ar noteiktu spriegumu, pie katoda tiek ražots ūdeņradis un pie anoda tiek ražots skābeklis, tādējādi panākot ūdens elektrolīzi. Teorētiski platīna metāli ir visideālākie metāli ūdens elektrolīzes elektrodiem, taču praksē bieži tiek izmantoti niķelēti dzelzs elektrodi, lai samazinātu iekārtu un ražošanas izmaksas. Kad ūdens tiek elektrolizēts, elektrodu reakcijas formula ir šāda [3]. Skābā šķīdumā katoda reakcija: 4H++4e=2H2∏=0V Anoda reakcija: 2H2O =4H++O2+4e∏ =1.23V Sārmainā šķīdumā katoda reakcija: 4H2O +4e=2H2+4OH∏=-0.828V Anoda reakcija: 4OH-=2 H2O+O2+4e∏=0.401V Kā redzams no iepriekš minētās formulas, kopējā ūdens elektrolīzes reakcija skābā vai sārmainā šķīdumā ir šāda. 2H2O=2H2+O2 Teorētiskajam ūdens sadalīšanās spriegumam nav nekāda sakara ar pH vērtību, tāpēc skābos vai sārmainos šķīdumus var izmantot kā elektrolītus. Tomēr no elektrolītisko šūnu struktūras un materiālu izvēles viedokļa skābu šķīdumu izmantošana ir pakļauta dažādām kļūmēm. Tāpēc tagad rūpniecībā izmanto sārmainus šķīdumus.
(1) Tradicionālā sārmainās elektrolīzes tehnoloģija Sārmainā ūdens elektrolīze pašlaik ir izplatīta un nobriedusi ūdeņraža sagatavošanas metode. Šai metodei nav nepieciešams augsts aprīkojums, un investīcijas galvenokārt tiek koncentrētas iekārtās; ražotais ūdeņradis ir augstas tīrības pakāpes, bet efektivitāte nav īpaši augsta. Process ir arī salīdzinoši videi draudzīgs un bez piesārņojuma, taču tas patērē daudz elektrības un tāpēc uz to attiecas noteikti ierobežojumi. Ūdens elektrolīzes spiediens rūpniecībā parasti ir no 1,65 līdz 2,2 V. Elektrodu materiāla kalpošanas laiks un ūdens elektrolīzes enerģijas patēriņš ir galvenie faktori, novērtējot sārmainā ūdens elektrolīzes elektrodu materiālu kvalitāti. Ja strāvas blīvums nav liels, galvenais ietekmējošais faktors ir pārpotenciāls; palielinoties strāvas blīvumam, pārpotenciāls un pretestības sprieguma kritums kļūst par galvenajiem enerģijas patēriņa faktoriem. Praktiskajos lietojumos rūpnieciskajiem elektrodiem ir jābūt šādām īpašībām [3]: (1) liels virsmas laukums; (2) augsta vadītspēja; (3) laba elektrokatalītiskā aktivitāte; (4) ilgstoša mehāniskā un ķīmiskā stabilitāte; (5) nelieli burbuļu nokrišņi; (6) augsta selektivitāte; (7) viegli iegūstams un zemas izmaksas; (8) drošība. Ūdens elektrolīzei bieži nepieciešams lielāks strāvas blīvums (virs 4000 A/m2), tāpēc 2. un 4. punkts ir svarīgāki. Tā kā augsta vadītspēja var samazināt omu polarizācijas radītos enerģijas zudumus, augsta stabilitāte nodrošina elektrodu materiālu ilgu kalpošanas laiku. 1 un 3 ir prasības ūdeņraža un skābekļa izdalīšanās pārmērīgā potenciāla samazināšanai, kā arī svarīgi rādītāji elektrodu veiktspējas novērtēšanai.
(2) Cietā polimēra elektrolīta SPE ūdens elektrolīzes tehnoloģija Tā kā elektrolizatoram ar šķidrumu kā elektrolītu ir zema efektivitāte, to ir neērti pārvietot un bieži nepieciešama apkope, cilvēki aktīvi meklē jaunus elektrolītus, kas ir mudinājis izstrādāt un izmantot cieto polimēru izpēti. elektrolīts (SPE), kas pazīstams arī kā protonu apmaiņas membrāna (PEM). Pašlaik elektrolizators kā elektrolītu izmanto cieto Nafion perfluorsulfonskābes membrānu. Elektrodā tiek izmantoti dārgmetāli vai to oksīdi ar augstu katalītisko veiktspēju, kas ir izgatavoti pulvera formā ar lielu īpatnējo virsmu un tiek savienoti un nospiesti abās Nafion membrānas pusēs, izmantojot teflonu, lai izveidotu stabilu membrānas un elektroda kombināciju.
(3) Augstas temperatūras tvaika elektrolīzes process Vēl viena ūdeņraža iegūšanas metode ar ūdens elektrolīzi ir augstas temperatūras tvaika elektrolīze. Šī ir metode, kas iegūta no cietā oksīda kurināmā elementiem. Elektrolīzes kamerā parasti kā elektrolītu izmanto Y2O3-stabilizētu ZrO2. Jo augstāka temperatūra, jo mazāka pretestība. Tomēr no materiāla karstumizturības viedokļa augšējā temperatūras robeža vēlams ir 1000 grādi. Parasti kā katodu izmanto jauktu saķepinātu niķeļa un keramikas korpusu, un kā anodu izmanto vadošu kalcija titāna kompozītmateriālu oksīdu.
2. Bioloģiskās ūdeņraža ražošanas attīstība Tēma par mikroorganismu izmantošanu ūdeņraža iegūšanai ir pētīta gadu desmitiem. Trīsdesmitajos gados tika ziņots par pirmo ziņojumu par baktēriju tumšo fermentāciju, lai iegūtu ūdeņradi. Pēc tam 1942. gadā Gaffron un Rubin ziņoja, ka zaļās aļģes izmanto gaismas enerģiju, lai ražotu ūdeņradi, un 1949. gadā Gests un Kamens atklāja fototrofiskas ūdeņradi ražojošas baktērijas. Spruit 1958. gadā apstiprināja, ka aļģes var ražot ūdeņradi tiešas fotolīzes ceļā bez oglekļa dioksīda fiksācijas. Healy (1970) pētījumi parādīja, ka, ja gaismas intensitāte ir pārāk augsta, Chlamydomonas moewsuii ūdeņraža ražošanas process tiks kavēts skābekļa ražošanas dēļ. Enerģētikas krīzes laikā 1970. gados visā pasaulē tika veikts daudz pētījumu par bioūdeņraža ražošanu. Thauer 1976. gadā norādīja, ka tumšo fermentāciju bija grūti izmantot faktiskajā ražošanā, jo tā var iegūt tikai 4 molus ūdeņraža un 2 molus etiķskābes no 1 mola glikozes. Fototrofās baktērijas var pilnībā pārveidot substrātus, piemēram, organiskās skābes, par ūdeņradi, tāpēc kopš tā laika bioūdeņraža ražošanas pētījumi pamatā ir vērsti uz fotofermentāciju. Astoņdesmito gadu sākumā atbalsts atjaunojamai enerģijai pētniecības un attīstības programmās (R&D) visā pasaulē pakāpeniski samazinājās. Deviņdesmito gadu sākumā vides problēmas kļuva arvien nopietnākas, un cilvēku uzmanība tika pievērsta alternatīvajai enerģijai. Ar atbalstu bioūdeņraža ražošanas pētniecībai un attīstībai Vācijā, Japānā un Amerikas Savienotajās Valstīs ir plaši pētīta aļģu joma, kas izmanto gaismas enerģiju ūdeņraža ražošanai no ūdens. Tomēr kopējā saules enerģijas pārveidošanas efektivitāte šajā procesā joprojām ir ļoti zema. No otras puses, tumšās fermentācijas un fototrofās baktērijas var ražot ūdeņradi no zemu izmaksu substrātiem vai organiskajiem atkritumiem. Tā kā tā var gan ražot tīru enerģiju, gan apstrādāt organiskos atkritumus, ASV un Japānas valdības ir atbalstījušas vairākas ilgtermiņa pētniecības programmas. Paredzams, ka bioūdeņraža ražošanas tehnoloģijas praktiskā pielietošana tiks realizēta 21. gadsimta vidū. Kopš mikrobu ūdeņraža ražošanas atklāšanas ir pagājis vairāk nekā pusgadsimts, taču praksē bioūdeņraža ražošana nav pielietota. Vēl ir jāatrisina daudzas tehniskas problēmas, piemēram, mikroorganismu skrīnings, reaktoru projektēšana un darbības apstākļu optimizācija, un uzmanība pievērsta arī šīs tehnoloģijas izmaksām. Ekonomiski runājot, bioūdeņraža ražošanas tehnoloģija tuvākajā nākotnē nevar konkurēt ar tradicionālo ķīmisko ūdeņraža ražošanas tehnoloģiju. Tomēr no vides aizsardzības viedokļa bioūdeņraža ražošanas perspektīvas būs ļoti plašas. Bioūdeņraža ražošanā ietilpst: fotosintētiskā bioūdeņraža ražošanas sistēma (pazīstama arī kā tiešās biofotolīzes ūdeņraža ražošanas sistēma); fotolīzes bioūdeņraža ražošanas sistēma (pazīstama arī kā netiešā biofotolīzes ūdeņraža ražošanas sistēma); fotosintētisko heterotrofo baktēriju ūdens gāzes konversijas reakcijas ūdeņraža ražošanas sistēma; fotofermentācijas bioūdeņraža ražošanas sistēma; anaerobās fermentācijas bioūdeņraža ražošanas sistēma (pazīstama arī kā tumšās fermentācijas bioūdeņraža ražošanas sistēma); fotosintēzes-fermentācijas hibrīda bioūdeņraža ražošanas sistēma; in vitro hidrogenāzes bioūdeņraža ražošanas sistēma utt. Ūdeņraža enerģija ir tīrs un augstas siltumspējas enerģijas avots. Atjaunojamo ūdens resursu izmantošana dabā ūdeņraža iegūšanai neapšaubāmi ir cilvēcei vēlamā metode nākotnē.
Pēc vairāk nekā pusgadsimta pētījumiem, lai gan ūdens elektrolīzes ūdeņraža ražošana un bioūdeņraža ražošanas tehnoloģija ir panākusi lielu progresu, tās pamatā joprojām ir izstrādes stadijā un vēl nav praktiski izmantotas. Dažādi ierobežojoši faktori, piemēram, zema saules enerģijas pārveidošanas efektivitāte, augsts enerģijas patēriņš ūdens elektrolīzes ūdeņraža ražošanā, produkta kavēšana, darbības apstākļi utt., padara esošo ūdeņraža ražošanas sistēmu ūdeņraža ražošanas ātrumu nepietiekami augstu vai neekonomisku, kā arī rada daudzas citas vājās vietas. tikt tālāk izlauztam cauri. Lai vēl vairāk samazinātu ražošanas izmaksas un palielinātu ražošanas efektivitāti, gatavosimies turpmākai komercdarbībai.
Uzņēmums: Baoji Dynamic Trading Co., Ltd
Valsts: Ķīna
Pievienot: Baoti ceļš, Jintai, Baoji pilsēta, Shaanxi, Ķīna
Celtnis:+86 18391894207(WHATSAPP)
Gmail:alisa@jmyunti.com
Vietne: www.jm-titanium.com
