Методы получения водорода

Прямой фотолиз воды требует использование света с энергией квантов 6 эВ, которых практически нет в солнечном спектре. Одним из методов

Методы получения водорода

Информация

Химия

Другие материалы по предмету

Химия

Сдать работу со 100% гаранией

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

«Методы получения водорода»

 

Введение

 

Водород как технический продукт широко используется во многих отраслях народного хозяйства - в технологических процессах переработки нефти, производства аммиака, метанола, в металлургической промышленности, во многих отраслях науки и техники.

Весьма перспективно использование водорода в качестве горючего в транспортных средствах (авто- и авиатранспорт, авиационно-космические объекты) ввиду его высокой теплоты сгорания и значительной хладоемкости. Особый интерес представляет водород как аккумулятор энергии - вторичный энергоноситель, который можно эффективно использовать, например, на электростанциях для покрытия пиковых нагрузок. Кроме того, применение водорода в качестве энергоносителя дает возможность передавать энергию на большие расстояния с более высоким КПД, чем обеспечивают современные системы.

При рассмотрении физико-химических основ процессов получения водорода предпочтение было отдано наиболее эффективным промышленным и, особенно перспективным (электрохимическим, фотохимическим, термохимическим и др.). Также уделено внимание анализу эффективности методов получения водорода из различного сырья с использованием разных источников энергии.

 

1. Физические методы извлечения водорода

 

Водород в значительных количествах содержится во многих газовых смесях, например в коксовом газе, в газе, получаемом при пиролизе бутадиена, в производстве дивинила.

Для извлечения водорода из водородосодержащих газовых смесей используют физические методы выделения и концентрирования водорода.

Низкотемпературная конденсация и фракционирование. Этот процесс характеризуется высокой степенью извлечения водорода из газовой смеси и благоприятными экономическими показателями. Обычно при давлении 4,0 МПа для получения 93-94%-ного водорода необходима температура 115К. При концентрации водорода в исходном газе >40% степень его извлечения может достигать 95%. Расход энергии на концентрирование Н2 от 70 до 90% составляет примерно 22 кВт·ч на 1000 м3 выделяемого водорода.

Адсорбционное выделение. Этот процесс осуществляется при помощи молекулярных сит в циклически работающих адсорберах. Его можно проводить под давлением 3,0-3,5 МПа со степенью извлечения 80-85% Н2 в виде 90%-ного концентрата. По сравнению с низкотемпературным методом выделения водорода для проведения этого процесса требуется примерно на 20-25% меньше капитальных затрат и на 30-40% эксплуатационных.

Адсорбционное выделение водорода при помощи жидких растворителей. В ряде случаев метод пригоден для получения чистого Н2. По этому методу может быть извлечено 80-80% водорода, содержащегося в исходной газовой смеси, и достигнута его концентрация в целевом продукте 99.9%. Расход энергии на извлечение составляет 68 кВт·ч на 1000 м3 Н2.

 

2. Современные методы получения водорода

 

.1 Получение водорода электролизом воды

 

Электролиз воды один из наиболее известных и хорошо исследованных методов получения водорода. Он обеспечивает получение чистого продукта (99,6-99,9% Н2) в одну технологическую ступень. Экономика процесса в основном зависит от стоимости электроэнергии. В производственных затратах на получение водорода стоимость электрической энергии составляет примерно 85%.

Этот метод получил применение в ряде стран, обладающих значительными ресурсами гидроэнергии. Наиболее крупные электрохимические комплексы находятся в Канаде, Индии, Египте, Норвегии, но созданы и работают более тысячи мелких установок во многих странах. Важен этот метод и потому, что он является наиболее универсальным в отношении использования первичных источников энергии. В связи с развитием атомной энергетики возможен новый расцвет электролиза воды на базе дешевой энергии атомных электростанций.

Электрохимический метод получения водорода из воды обладает следующими положительными качествами:

)высокая чистота получаемого водорода - до 99.9%;

)простота технологического процесса, его непрерывность, возможность наиболее полной автоматизации, отсутствие движущихся частей в электролитической ячейке;

)возможность получения ценнейших побочных продуктов - тяжелой воды и кислорода;

)общедоступное сырье - вода;

)гибкость процесса и возможность получения водорода непосредственно под давлением;

)физическое разделение водорода и кислорода в самом процессе электролиза.

Если создать в водном растворе электролита, куда погружены два электрода, постоянное электрическое напряжение, которое превышает напряжение разложения воды, то в цепи появится ток и на аноде начнет выделятся кислород, а на катоде - водород, в объемном отношении 1:2. При этом будут происходить следующие реакции (в щелочной среде):

 

 

Удельная проводимость очищенной воды незначительна: при 18°С она составляет (2-6)·10-6 Ом-1·м-1. Поэтому электролизу подвергаю водные растворы сильных кислот или щелочей. Другие электролиты обычно не используют, поскольку они сами разлагаются при электролизе и дают нежелательные побочные продукты. Ввиду существенных коррозионных проблем, возникающих при электролизе кислот, в настоящее время почти все электролизеры используют водные растворы на основе гидроксидов калий и натрия концентрацией 350-400 г./л. Растворы КОН имеют преимущества перед NaOH в силу больше проводимости К+ против иона Na+. Равновесный состав пара над водным раствором КОН ниже, а это означает, что в конечных продуктах электролиза Н2 и О2 содержится меньше водяного пара. Концентрация КОН соответствует оптимальным значениям плотностей тока. Небольшие примеси к КОН не являются препятствием к его использованию.

Рассмотрим механизм катодного выделения водорода из щелочных растворов. На первой стадии происходит разряд молекул воды с образованием адсорбированных на электроде атомов водорода:

 

Далее происходи реакция так называемой электрохимической десорбции (реакция Гейровского):

 

 

В сумме эти два процесса дают катодную реакцию выделения водорода. На аноде вероятной первой стадией является разряд гидроксил-ионов с образованием радикалов ОН:

 

 

Затем происходит цепочка процессов:

 

 

Содержащаяся в растворе щелочь, как видно из приведенных уравнений, не участвует в разряде. А служит только для переноса ионов.

Суммарный процесс разложения воды электролизом является процессом, обратным горению водорода. Поэтому теоретическая величина энергии, которая требуется на единицу количества производимого водорода, равна теплоте сгорания водорода. Каждая молекула водорода образуется при присоединении двух электронов к двум ионам водорода в растворе, так что существует прямая связь между проходящим током и скоростью производства водорода.

2.1.1 Электролиз воды с использованием твердых высокополимерных электролитов

Чтобы работать при повышенных плотностях тока и понизить омические потери, в современной электрохимической технологии используют возможность нанесения электролита на мембраны-носители. Эти мембраны можно сделать достаточно тонкими с тем, чтобы расстояние между электродами были предельно малыми для повышения производительности установки. Электролизеры такого типа позволяют работать при повышенных температурах и давлениях. В качестве адсорбентов можно использовать полимеры типа тефлона. В таких системах не используют никаких кислых или щелочных добавок.

Электролит представляет собой пластину толщиной 0,25 - 0,5 мм. В таком электролите отсутствуют свободные кислоты или основания; ионная проводимость обеспечивается лишь за счет подвижности гидратированных ионов водорода. Эти ионы движутся через слой электролита, переходят от одной сульфокислотной группы к другой. Вода на аноде разлагается с образованием кислорода, ионов водорода и электронов. Ионы водорода диффундируют через твердый полимерный электролит и попадают на катод. Электроны проходят через внешний контур и достигают водородного электрода, глее осуществляется рекомбинация водородных ионов и электронов с образованием молекул водорода.

Схема электродных реакций на полимерной мембране представлена на рис (2.1). Электроды не должны быть стойкими против кислот или щелочей, так как электролит адсорбируется на мембране. В качестве материала для катода можно использовать платиновую чернь, а для анода - металлооксидный катализатор. Некоторые технические показатели процесса: плотность тока 1,1 - 2,0 А/см2; напряжение 1,78 - 1,85 В; потребление энергии 3,9 - 4,0 кВт·ч/м3 Н2; давление 0,2 - 6,0 МПа, температура 120°С.

Преимущества полимерных электролитов проявляются в следующих особенностях:

)электролитическая ячейка может работать при высоких перепадах давления и высоких давлениях генерирования водорода;

)концентрация электролитов постоянна и сам электролит находится в стационарном состоянии (отсутствует циркуляция электролита), он остается неизменным в процессе эксплуатации;

)в системе отсутствуют циркулирующие агенты (кислоты или щелочи), вызывающие коррозию технологического оборудования;

)снижается расход электроэнергии на электролиз;

)простота конструкции электродов, которые представляют собой тонкие слои платиновой черни, нанесенные с одной и другой стороны пластины полимерного электролита.

 

Рисунок 2.1 - Схемы электролиза водяного пара

а

Лучшие

Похожие работы

1 2 3 > >>