Víz elektrolízise H2 és O2 előállítására
A titán anódok, az elektrolitikus hidrogén- és oxigénberendezések kulcsfontosságú részei, stabil minőségűek, környezetbarátak, nem okoznak másodlagos szennyezést, alacsony a túlpotenciáljuk, jó az energiatakarékosság, és az energia 15-20%-át takaríthatják meg. Vannak lemez-, háló-, csőformák és speciális alakú részek.
1. A víz elektrolízisével történő hidrogéntermeléssel kapcsolatos kutatási eredmények A víz elektrolízisével történő hidrogéntermelés fontos eszköze a H2 ipari és alacsony költségű előállításának, és 99-99,9%-os tisztaságú termékeket állíthat elő. Hazám villamosenergia-fogyasztása a víz elektrolízisével történő hidrogéntermeléshez évente több mint (1,5×107) kW·h. Amikor az áram áthalad az elektródák között, a katódon hidrogén, az anódon oxigén keletkezik, és a víz elektrolizálódik [2]. A vízelektrolízis hidrogéntermelő berendezés központi része az elektrolitikus cella, és az elektróda anyaga az elektrolitikus cella kulcsa. Az elektróda teljesítményének minősége nagymértékben meghatározza a víz elektrolízis cellafeszültségét és energiafogyasztását, és közvetlenül befolyásolja a költségeket. A hidrogén előállításához szükséges víz lebontásához szükséges villamosenergia-ellátás hatékonysága általában 75-85%. Az eljárás egyszerű és szennyezésmentes, de az áramfelvétel nagy, ezért alkalmazása bizonyos megkötésekhez kötött. A víz elektrolízisét elektrolitikus cellában végzik, amely elektrolittal van megtöltve, és egy membránnal egy anódkamrára és egy katódkamrára van osztva. Minden kamrába elektródákat helyeznek el. Mivel a víz vezetőképessége nagyon alacsony, elektrolitos vizes oldatot (körülbelül 15%-os koncentráció) használnak. Ha az elektródák között egy bizonyos feszültség mellett áram halad át, a katódon hidrogén, az anódon pedig oxigén keletkezik, ezáltal vízelektrolízis jön létre. Elméletileg a platinafémek a legideálisabb fémek a vizes elektrolízis elektródákhoz, de a gyakorlatban gyakran alkalmaznak nikkelezett vaselektródákat a berendezések és a gyártási költségek csökkentése érdekében. Amikor a vizet elektrolizálják, az elektród reakció képlete a következő [3]. Savas oldatban katódreakció: 4H++4e=2H2∏=0V Anódreakció: 2H2O =4H++O2+4e∏ =1.23V Lúgos oldatban, katódreakció: 4H2O +4e=2H2+4OH∏=-0.828V Anódreakció: 4OH-=2 H2O+O2+4e∏=0.401V Mint a fenti képletből látható, a víz elektrolízisének teljes reakciója a következő, akár savas, akár lúgos oldatban. 2H2O=2H2+O2 A víz elméleti bomlási feszültségének semmi köze a pH-értékhez, így savas vagy lúgos oldatok használhatók elektrolitként. Az elektrolitikus cellák szerkezete és anyagválasztása szempontjából azonban a savas oldatok használata különféle hibákra hajlamos. Ezért ma már lúgos oldatokat használnak az iparban.
(1) Hagyományos lúgos elektrolízis technológia A lúgos vizes elektrolízis jelenleg egy általános és kiforrott módszer a hidrogén előállítására. Ez a módszer nem igényel nagy felszerelést, és a beruházás elsősorban a berendezésekre koncentrálódik; az előállított hidrogén nagy tisztaságú, de a hatásfok nem túl magas. Az eljárás viszonylag környezetbarát és szennyezésmentes is, de sok áramot fogyaszt, ezért bizonyos korlátozások vonatkoznak rá. A víz elektrolízis nyomása az iparban általában 1,65 és 2,2 V között van. Az elektróda anyagának élettartama és a vízelektrolízis energiafogyasztása kulcsfontosságú tényező a lúgos víz elektrolízis elektróda anyagok minőségének értékelésében. Ha az áramsűrűség nem nagy, a fő befolyásoló tényező a túlfeszültség; az áramsűrűség növekedésével a túlfeszültség és az ellenállási feszültségesés válik az energiafogyasztás fő tényezőjévé. A gyakorlati alkalmazásokban az ipari elektródáknak a következő jellemzőkkel kell rendelkezniük [3]: (1) nagy felület; (2) nagy vezetőképesség; (3) jó elektrokatalitikus aktivitás; (4) hosszú távú mechanikai és kémiai stabilitás; (5) kis buborékos csapadék; (6) nagy szelektivitás; (7) könnyen beszerezhető és alacsony költséggel; (8) biztonság. A víz elektrolízise gyakran nagyobb áramsűrűséget igényel (4000 A/m2 felett), ezért a 2. és 4. pont fontosabb. Mivel a nagy vezetőképesség csökkentheti az ohmos polarizáció okozta energiaveszteséget, a nagy stabilitás biztosítja az elektródaanyagok hosszú élettartamát. Az 1. és 3. ábrák a hidrogén- és oxigénfejlődés túlpotenciáljának csökkentésére vonatkozó követelményeket mutatják be, és fontos mutatók az elektródák teljesítményének értékeléséhez is.
(2) Szilárd polimer elektrolit SPE víz elektrolízis technológia Mivel a folyadékot elektrolitként használó elektrolizátor alacsony hatásfokú, mozgatása kényelmetlen, és gyakran karbantartást igényel, az emberek aktívan keresnek új elektrolitokat, ami szilárd polimerek fejlesztését és alkalmazási kutatását ösztönözte. elektrolit (SPE), más néven protoncserélő membrán (PEM). Jelenleg az elektrolizátor szilárd Nafion perfluorszulfonsav membránt használ elektrolitként. Az elektróda nagy katalitikus teljesítménnyel rendelkező nemesfémeket vagy oxidjaikat használ, amelyeket nagy fajlagos felületű por alakúra készítenek, és a Nafion membrán mindkét oldalán teflon segítségével összeragasztják és préselik a membrán és az elektróda stabil kombinációját.
(3) Magas hőmérsékletű gőzelektrolízis eljárás A hidrogén vízelektrolízissel történő előállításának másik módja a magas hőmérsékletű gőzelektrolízis. Ez egy szilárd oxid üzemanyagcellákból származó módszer. Az elektrolíziskamrában általában Y2O3-stabilizált ZrO2-t használnak elektrolitként. Minél magasabb a hőmérséklet, annál kisebb az ellenállás. Az anyag hőállósága szempontjából azonban a felső hőmérsékleti határ előnyösen 1000 fok. Általában nikkelből és kerámiából álló kevert szinterezett testet használnak katódként, és vezetőképes kalcium-titán kompozit oxidot használnak anódként.
2. A biológiai hidrogéntermelés fejlesztése A mikroorganizmusok hidrogén előállítására való felhasználásának témája évtizedek óta foglalkozik. Az 1930-as években jelentették az első jelentést a bakteriális sötét fermentációról hidrogén előállítására. Ezt követően 1942-ben Gaffron és Rubin arról számolt be, hogy a zöld algák fényenergiát használtak hidrogén előállítására, Gest és Kamen pedig 1949-ben felfedezték a fototróf hidrogéntermelő baktériumokat. Spruit 1958-ban megerősítette, hogy az algák közvetlen fotolízissel képesek hidrogént előállítani anélkül, hogy szén-dioxidot kellene rögzíteni. Healy (1970) kutatása kimutatta, hogy ha a fényintenzitás túl magas, a Chlamydomonas moewsuii hidrogéntermelési folyamata az oxigéntermelés miatt gátolt lesz. Az 1970-es évek energiaválsága idején rengeteg kutatást végeztek a biohidrogén-termeléssel kapcsolatban világszerte. Thauer 1976-ban rámutatott, hogy a sötét fermentációt nehéz volt alkalmazni a tényleges termelésben, mert legfeljebb 4 mol hidrogént és 2 mol ecetsavat tudott előállítani 1 mol glükózból. A fototróf baktériumok a szubsztrátumokat, például a szerves savakat teljesen hidrogénné tudják alakítani, így azóta a biohidrogén-termeléssel kapcsolatos kutatások alapvetően a fotofermentációra irányulnak. Az 1980-as évek elején világszerte fokozatosan csökkent a megújuló energia támogatása a kutatás-fejlesztési programokban (K+F). Az 1990-es évek elejére a környezeti problémák egyre súlyosabbá váltak, és az emberek figyelme az alternatív energiákra összpontosult. A biohidrogén-termelés K+F támogatásával Németországban, Japánban és az Egyesült Államokban széles körben tanulmányozták a vízből hidrogén előállítására fényenergiát használó algák területét. A teljes napenergia-átalakítási hatékonyság azonban ebben a folyamatban még mindig nagyon alacsony. Másrészt a sötét fermentáció és a fototróf baktériumok alacsony költségű szubsztrátumokból vagy szerves hulladékból hidrogént termelhetnek. Mivel egyszerre képes tiszta energiát termelni és szerves hulladékot kezelni, az Egyesült Államok és Japán kormánya több hosszú távú kutatási programot is támogatott. A biohidrogén előállítási technológia gyakorlati alkalmazása várhatóan a 21. század közepén valósul meg. A mikrobiális hidrogéntermelés felfedezése óta több mint fél évszázad telt el, de a gyakorlatban még nem alkalmazták a biohidrogén-termelést. Számos technikai probléma, így a mikroorganizmusok szűrése, a reaktorok tervezése, az üzemi feltételek optimalizálása vár még megoldásra, és ennek a technológiának a költsége is figyelmet kapott. Gazdasági szempontból a biohidrogén-előállítási technológia a közeljövőben nem versenyezhet a hagyományos kémiai hidrogéngyártási technológiával. Környezetvédelmi szempontból azonban a biohidrogén-termelés kilátásai igen szélesek lesznek. A biohidrogén-termelés magában foglalja: fotoszintetikus biohidrogén-előállító rendszert (más néven közvetlen biofotolízises hidrogéntermelő rendszert); fotolízis biohidrogén termelő rendszer (más néven közvetett biofotolízis hidrogén termelő rendszer); fotoszintetikus heterotróf baktériumok vízgáz konverziós reakció hidrogén termelő rendszer; fotofermentációs biohidrogén termelő rendszer; anaerob fermentációs biohidrogén-előállító rendszer (más néven sötét fermentációs biohidrogén-előállító rendszer); fotoszintézis-fermentációs hibrid biohidrogén termelő rendszer; in vitro hidrogenáz biohidrogén termelő rendszer, stb. A hidrogénenergia tiszta és magas fűtőértékű energiaforrás. A megújuló vízforrások felhasználása a természetben hidrogén előállítására kétségtelenül az emberiség által előnyben részesített módszer a jövőben.
Több mint fél évszázados kutatás után, bár a víz-elektrolízises hidrogéngyártás és a biohidrogén-előállítási technológia nagy előrehaladást ért el, alapvetően még mindig fejlesztési stádiumban vannak, és gyakorlati felhasználásra még nem került sor. Különböző korlátozó tényezők, mint például az alacsony napenergia átalakítási hatékonyság, a víz elektrolízis hidrogéntermelésének magas energiafogyasztása, a termék gátlása, az üzemi feltételek stb. miatt a meglévő hidrogéntermelő rendszerek hidrogéntermelési sebessége nem elég magas vagy nem gazdaságos, és sok más szűk keresztmetszet is szükséges hogy tovább törjenek. A termelési költségek további csökkentése és a termelés hatékonyságának növelése érdekében felkészülünk a jövőbeni kereskedelmi műveletekre.
Cég: Baoji Dynamic Trading Co., Ltd
Ország: Kína
Hozzáadás: Baoti út, Jintai, Baoji város, Shaanxi, Kína
Cel:+86 18391894207(WHATSAPP)
Gmail:alisa@jmyunti.com
Weboldal: www.jm-titanium.com
