ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Електрохімія, як наука, сформувалася на рубежі XVIII і XIX століть. Саме тоді були визначені проблеми, вирішення яких вивело на новий рівень теорію електрохімії. Поштовхом для створення та розвитку електрохімії, як науки послужило створення в 1799 р. італійським фізиком А. Вольтом "вольтова стовпа" - першого в історії людства хімічного джерела струму і досліди італійського фізіолога Л. Гальвані.

Електрохімія досить молода наука. Тільки на початку позаминулого століття було встановлено, що при проходженні електричного струму через водні розчини солей, відбуваються хімічні перетворення, що призводить до утворення нових речовин.

І лише на початку минулого століття виникла електрохімія - науковий напрямок з вивчення електрохімічних процесів в розчинах і розплавах речовин. Промислове застосування електролізу стало можливим після появи в сімдесятих роках XIX століття потужних генераторів постійного електричного струму.

Необхідно зауважити, що електроліз є одним з найважливіших напрямків в електрохімії, свого часу послужив основою для важливих наукових відкриттів в області електрохімії.[1]

Постановка задачі

Дослідити процес електролізу, визначити фактори, які найбільше впливають на процес. Розробити експериментальну установку для отримання суміші горючих газів та провести аналіз та оптимізацію її роботи. Розробити електронний блок живлення, який буде генерувати імпульси заданої частоти в широкому інтервалі.

1. Аналіз стану питання у всесвітній практиці

Різноманітність методів отримання водню є однією з головних переваг водневої енергетики, оскільки підвищує енергетичну безпеку та знижує залежність від окремих видів сировини.

До них відносяться:

В даний момент найбільш доступним і дешевим процесом є парова конверсія. Згідно з прогнозами, вона буде використовуватися в початковій стадії переходу до водневої економіки. [2]

2. Фізико-хімічні основи процесу

Електролітичними називаються хімічні перетворення, що відбуваються при впливі на речовини електричного струму. Процес електролізу, неоднаковий у всіх випадках, і залежить від ряду факторів - природи електроліту, типу електролітичної ванни, оптимізації самих електролізних процесів.

2.1 Теорія електролізу

Електроліз відбувається за рахунок енергії постійного струму, що підводиться, і енергії, що виділяється при хімічних перетвореннях на електроді. Таким чином, електроліз здатний протікати тільки в середовищах, які проводять електричний струм.

Енергія при електролізі витрачається на підвищення гіббсової енергії системи в процесі утворення цільових продуктів і частково розсіюється у вигляді теплоти при подоланні опорів в електролізері та інших ділянках електричного кола. Досліджуючи продукти, що виділяються у електрода, при електролізі кислот, основ і солей, встановили, що у катодів завжди виділяються метали та водень, а у анода кислотні залишки або гідроксильні групи, які потім піддаються подальших змін.

Розглянемо більш детально процеси, що протікають при електролізі. Відомо, що існують провідники першого роду, в них електрику переноситься за допомогою електронів, і провідники другого роду, коли електрика переноситься іонами. Електрони вступають у взаємодію з іонами в місцях електричного ланцюга, де провідник першого роду межує з провідником другого роду. Таким чином, відбуваються електрохімічні процеси.

Електрохімічні процеси, що протікають у електродів при електролізі, перш за все, будуть залежати від співвідношення електродних потенціалів відповідних електрохімічних систем. З декількох можливих процесів буде протікати той, здійснення якого пов'язане з мінімальною витратою енергії.[1]

2.2 Закони Фарадея, які лежать в основі електролізу

2.2.1 Перший закон Фарадея

У 1832 році Фарадей встановив, що маса M речовини, яка виділяється на електроді, прямо пропорційна електричному заряду q, що пройшов через електроліт:


де k - електрохімічний еквівалент речовини;

q - електричний заряд;

I - сила струму;

T - час, протягом якого пропускається струм.

Якщо через електроліт пропускається протягом часу t постійний струм з силою струму I. Коефіцієнт пропорційності k називається електрохімічним еквівалентом речовини. Він чисельно дорівнює масі речовини, яка виділяється при проходженні через електроліт одиничного електричного заряду, і залежить від хімічної природи речовини.


де z – валентність атома (іона) речовини;

e – заряд электрона,e=1,062*10-19Кл;

F=eNA– постійна Фарадея, F = 96485 Кл * моль-1;

2.2.2 Другий закон Фарадея

Електрохімічні еквіваленти різних речовин відносяться, як їх хімічні еквіваленти. Хімічним еквівалентом іона називається відношення молярної маси A іона до його валентності z. Тому електрохімічний еквівалент:

Другий закон Фарадея записується в наступному вигляді:


де М - молярна маса даної речовини, що утворилася (проте не обов'язково виділилася - вона могла і вступити в яку-небудь реакцію відразу після утворення) в результаті електролізу;

I - сила струму, А;

&Deltat- час, протягом якого проводився електроліз, с;

n - кількість електронів, що беруть участь в процесі, яка при достатньо великих значеннях сили струму дорівнює абсолютній величині заряду іона, який прийняв безпосередню участь в електролізі (окисленого або відновленого). [2]

2.3 Фактори, що впливають на процес електролізу

Ефективність електролізу оцінюють низкою факторів, до яких відносяться: сила струму, напруга, щільність струму, ККД джерела струму, вихід по струму, вихід по речовині, коефіцієнт корисної дії електроенергії (вихід по енергії), витрата електроенергії на одиницю отриманого продукту.

Сила струму або навантаження на електролізер характеризують його продуктивність. Чим вище сила струму, що пропускається через електролізер, тим більше продукту можна отримати при експлуатації даного електролізера. Спостерігається тенденція до створення потужних електролізерів, розрахованих в деяких випадках на десятки і сотні тисяч ампер (виробництво хлору, алюмінію і т.д.) напруга на електролізері складається з декількох складових:


де: U – загальна напруга на блоці;

ea и ek – рівноважні потенціали анодної і катодної реакції;

e эл і e диафр – падіння напруги в електроліті і в діафрагмі;

e конт – падіння напруги в контактах.

Сума ea-ek називається напругою розкладання. Ця величина відповідає витраті на електроліз електроенергії, яка йде безпосередньо на зміну внутрішньої енергії речовин.

При електролізі прагнуть до зменшення напруги на комірці за рахунок величини поляризації і омічного стану балансу напруги, тобто складових, обумовлених необоротністю процесу. Напруга розкладу обумовлена природою реагуючої речовини, а тому не може бути змінена. Значення приросту ea і ek можуть бути змінені в залежності від характеру електрохімічної реакції, що протікає на електроді, шляхом перемішування, підвищення температури електроліту, зміни стану поверхні електрода і за рахунок ряду інших факторів.

Падіння напруги в електроліті, що виражається рівнянням:


де ρ — питомий опір електроліту, Ом•см;

l — відстань між електродами, см (без урахування діафрагми);

S — площа поперечного перерізу електроліту, см^2;

Якщо електроліз супроводжується утворенням газів, то наведене вище вираз не завжди точно відповідає падінню напруги в електроліті. Це пояснюється тим, що на електродах виділяються бульбашки газів, які зменшують активний перетин електроліту S і подовжують шлях струму від одного електрода до іншого. Це явище називається газонаповненням, яке може бути визначене як відношення обсягу займаного в даний момент бульбашкою повітря до загального обсягу електролітичної комірки. Вплив газонаповнення на електропровідність електроліту може бути враховано за допомогою наступного виразу:


де ρ і ρ0 – відповідно питомі опори суцільного і газонаповненого електроліту;

φ – газонаповнення;

Величина φ може бути зменшена підвищенням температури, а також особливим пристроєм електродів, що забезпечують вільне видалення газів з блоку.

Падіння напруги в діафрагмі було оцінено при вирішенні питання про роль діафрагми в електролізі. Що стосується падіння напруги в контактах, то ця величина залежить від досконалості контактів, чистоти контактуючих поверхонь.

Коефіцієнтом корисного використання напруги називається відношення напруги розкладу до загального напруги на ванні:

Щільністю струму називається відношення сили струму, що проходить через електроліт до величини поверхні електрода; вимірюють у А/см2(дм2 или м2). У промисловості працюють з різною щільністю струму - від декількох сотень А/см2 (гальваностегія, гідроелектрометалургія, виробництво хлору) до декількох тисяч А/см2(електроліз розплавів, електросинтез і т.д.)

Величина щільності струму характеризує кількість продукту, одержуваного з одиниці електродної поверхні, тобто продуктивність електролізера. Тому, якщо підвищення щільності струму не викликає падіння виходу продукту електролізу, прагнуть до проведення процесу з максимально можливою щільністю струму.

Однак при виборі оптимальних значень щільності струму в деяких випадках необхідно брати до уваги збільшення собівартості продукту за рахунок підвищення витрати електроенергії на електроліз внаслідок збільшення напруги із зростанням щільності струму. При електролізі водних розчинів реакцій електрохімічного окислення або відновлення, супроводжує реакція розкладання води на кисень і водень, що виділяються відповідно на аноді і катоді. Отже струм, що пропускається через електроліт, розподіляється між кількома процесами, що протікають на даному електроді одночасно:


де: I – струм, що протікає крізь електролізер;

i1 та i2 – струм, споживаний в одиницю часу на першу і другу електролітичну реакцію.

Для того щоб враховувати ефективність використання пропущеного через електролізер кількості електрики на утворення того або іншого продукту вводиться поняття виходу по струму.

Теоретично необхідна кількість електроенергії - це кількість її, яка була б необхідною для отримання одиниці кількості речовини, якби процес відбувався з 100% виходом по струму і при напрузі, рівній напрузі розкладання. Отже, вихід по енергії може бути визначений за формулою:

Витрати електроенергії зазвичай відносять до одиниці кількості виробленого продукту, вимірюють у (Вт*год)/кг або (Вт*рік)/кг. Для розрахунку витрати електроенергії постійного струму на 1т виробленого продукту можна скористатися наступною формулою:


де: W – витрата електроенергії постійного струму, (Вт*год)/кг;

U – напруга на електролізері, В;

k – електрохімічний еквівалент;

η струму – вихід по струму, частки одиниці;

1000 – коефіцієнт для переведення вт*год в квт*год.

Витрата електроенергії змінного струму на одиницю виробленого продукту може бути визначена діленням витрат електроенергії постійного струму на ту ж кількість коефіцієнта при перетворенні змінного струму в постійний.

2.4 Імпульсний електроліз

Нерідко в дослідженнях по імпульсному електролізу не вказується, про яких значеннях щільності поляризуючого струму і електродного потенціалу йдеться. У загальному випадку поляризуючий струм і потенціал є несинусоїдних функціями часу. Тоді, відповідно до засад теоретичної електротехніки, слід розрізняти миттєві значення щільності струму j(t) і потенціалу Е(t) (значення в будь-який момент часу періоду), максимальні jmах, Еmах (найбільші в будь-який момент часу), середні за період Т

і діючі значення; останні визначаються як

Без вказівки, якими значеннями тієї чи іншої величини оперує автор, дослідження не дозволяють виконати аналіз впливу параметрів режиму на процес осадження. Для стаціонарних режимів електролізу (постійним струмом) всі значення j(t)=Jср=J=J_.

У той же час використання тих чи інших значень потенціалу і щільності струму буває помилковим. Перш за все, це відноситься до середніх значень потенціалу і поляризації, які залучають для суджень про кінетику електродних реакцій при довільній формі поляризуючого струму. Середнє значення поляризації є тільки кількісною мірою постійної складової активної потужності електрода, рівної ηср*Jср; іншого практичного сенсу значення ηср не мають. Можливість протікання того чи іншого електрохімічного процесу величина ηср не характеризує. Це викликано тим, що за період імпульсного струму потенціал електрода приймає самі різні значення, часом істотно відрізняються від середньої величини Eср. Тому тільки миттєві значення Е(t) (спільно з струмом j(t)) визначають енергетичний стан електрода і тим самим обумовлюють ймовірність розряду тих чи інших іонів в даний момент часу [5,6]. У зв'язку з цим програмне управління миттєвими значеннями струму [7,8] і потенціалу, а також часом утримання Е при такому значенні, яке відповідає розряду необхідних іонів, є важливою стороною розвитку імпульсного електролізу. При експериментальних дослідженнях найбільш необхідні залежності - записані осцилографічні криві потенціал - час і щільність імпульсного струму - час. Звичайні компенсаційні методи вимірювання потенціалу непридатні для цілей імпульсного електролізу, оскільки дають тільки його середнє значення.

3. Експериментальна частина

3.1 Огляд існуючих установок

Є кілька основних конструкцій електролізерів, які дають досить великий вихід газів при порівняно малих витратах енергії:

Решта паливних елементів, які використовуються в даний час зроблені на основі перших двох, з деякими перетвореннями в конструкції самого паливного елементу, або в його живленні.

Блок С. Мейєра (рис. 3.1) має багато спільного з електролітичним блоком, за винятком того, що він працює при високому потенціалі і низькому струмі краще, ніж інші методи.

Електроди зроблені з паралельних пластин нержавіючої сталі, що утворюють або плоску, або концентричну конструкцію. Вихід газу залежить зворотньопропорційно відстані між ними; пропонована патентом відстань 1.5 мм дає хороший результат.

Значні відмінності полягають у харчуванні осередку. Мейер використовує зовнішню індуктивність, яка утворює коливальний контур з ємністю осередку, - чиста вода, очевидно, має діелектричну проникність близько 5, - щоб створити паралельну резонансну схему.

Вона порушується потужним імпульсним генератором, який разом з ємністю осередку і випрямним діодом складає схему накачування. Висока частота імпульсів виробляє потенціал, який східчасто піднімається на електродах осередку до тих пір, поки не досягається точка, де молекула води розпадається і виникає короткочасний імпульс струму.

Група очевидців незалежних наукових спостерігачів Великобританії свідчила що американський винахідник, Стенлі Мейер, успішно розкладає звичайну водопровідну воду на складові елементи за допомогою комбінації високовольтних імпульсів, при середньому споживанні струму, що вимірюється всього лише міліамперами.

Зафіксований вихід газу був достатнім, щоб показати воднево-кисневе полум'я, яке миттєво плавило сталь.

Рис. 3.1 - Електролітичний блок Стенлі Мейера

Водневий блок Джо, як і осередок Мейера, це унікальний апарат для отримання великого обсягу водню при мінімальних витратах електроенергії, харчування можна здійснити від автомобільного акумулятора, при малому вольтажі постійної напруги. Унікальність даного осередку полягає в тому що на відміну від осередку Мейера, цей електролізер має декілька трубчастих резонаторів різного діаметру вставлених один в одного(рис 3.2), конструктив дуже простий, але ефективність такого апарата дуже велика, тим більше що при роботі електролізера відмічено багато вражаючих нових ефектів, це такі ефекти які не зустрічаються при звичайному електролітичному способі розкладання води. Під час роботи пристрою траплялося що резонатори, які виробляють резонансний поділ води, з якихось причин дуже значно знижують температуру на корпусі і апарат покривається інеєм, хоча температура навколишнього середовища не забезпечує даний стан, тобто йде зміна середовища в полі пристрою. Цей ефект охолодження поки не з’ясований, але має велике значення для розуміння процесу резонансної технології не тільки для отримання водню, а енергії взагалі.[3]

Рис. 3.2 - Електролітичний блок Джо

Пошук умов моделювання процесу розкладання води на водень і кисень, який йде при фотосинтезі, привів до простої конструкції осередку(рис. 2.3), в якому імітовані річні кільця стовбурів дерев у вигляді зазорів між конічними електродами. Виявилося, що процес електролізу може протікати при напрузі 1,5-2,0 В між анодом і катодом і силі струму 0,02 А. Тому цей процес називається низькоамперним.

Перш за все, відзначимо, що матеріал анода і катода один - сталь, що виключає можливість формування гальванічного елемента. Тим не менш, на електродах осередку з'являється різниця потенціалів близько 0,1 В при повній відсутності електролітичного розчину в ній. Після заливки розчину різниця потенціалів збільшується. При цьому позитивний знак заряду завжди з'являється на верхньому електроді, а негативний - на нижньому. Якщо джерело постійного струму генерує імпульси, то вихід газів збільшується[4]. Процес низькоамперного електролізу може складатися з двох циклів, в одному циклі електролізер включено в електричну мережу, а в іншому – вимкнено[5].

Рис. 3.3 - Низькоамперний електролізер (Пат. № 2227817)

Експериментальна установка складається з електролізеру, регульованого блоку живлення, амперметру та вольтметру.

3.2 Методика виконання експерименту

Пластини електродів розвести повністю, ввімкнути живлення та виміряти вихід газів, що виділяються. Вихід газів виміряти при силі струму 2, 3, 4 та 5 ампер, а також виміряти напругу при цих значеннях сили току.

Дослід повторити для положення електродів А, Б та В(рис 3.4). Отримані дані занести до таблиці.

Положення электродів

Рис 3.4 – Положення электродів
(анімація: 9 кадрів, 5 циклів повторень, 125 килобайт)

3.3 Результати експерименту

Результати експерименту отримані для трьох випадків(табл. 3.1): пластини електродів розведено, пластини зведено наполовину і пластини зведено повністю.

Таблица 3.1 - Результати експерименту

№ досліду Ток, А Напруга, В Об′єм газів, мл/мин
Положення електродів А
1 2 2,73 10,0
2 3 2,93 22,2
3 4 3,11 40,0
4 5 3,28 60,0
Положення електродів Б
1 2 2,62 12,0
2 3 2,73 25,0
3 4 2,84 40,0
4 5 2,93 66,7
Положення електродів В
1 2 2,59 6,0
2 3 2,69 25,0
3 4 2,78 33,3
4 5 2,84 50,0

Розрахуємо потужність струму і питому потужність, яка витрачається на утворення 1 мл газів, за формулами:


де: Vг – об′єм газів, що виділилися, мл

Результати розрахунків, занесемо до таблиці(табл. 3.2)

Таблица 3.2 - Результаты расчетов

№ опыта Ток, А Напруга, В Об′єм газів, мл/мин Потужність, Вт Питома потужність,Вт/мл
Положення електродів А
1 2 2,73 10,0 5,46 0,546
2 3 2,93 22,2 8,79 0,396
3 4 3,11 40,0 12,44 0,311
4 5 3,28 60,0 16,4 0,273
Положення електродів Б
1 2 2,62 12,0 5,24 0,436
2 3 2,73 25,0 7,19 0,288
3 4 2,84 40,0 11,36 0,284
4 5 2,93 66,7 14,65 0,22
Положення електродів В
1 2 2,59 6,0 5,18 0,863
2 3 2,69 25,0 8,07 0,323
3 4 2,78 33,3 11,12 0,334
4 5 2,84 50,0 14,2 0,284

3.4 Аналіз результатів

В результаті експерименту отримані залежність виходу газів від сили току(рис. 3.5) при різних положеннях електродів відносно одне одного.

Рис. 3.5 - Залежність виходу газів від сили току

По графіку залежності виходу газів від сили току можемо зробити висновок, що чим більше сила току, тим більше вихід газів в кожному випадку. Вихід газу зростає при зведенні електродів до певного положення відносно один одного, а потім починає падати. При зведених електродах з підвищенням сили току від 2 до 3 ампер вихід газів різко зростає, однак з подальшим підвищенням сили току швидкість зростання виходу газів зменшується. Це можна пояснити тим, що на поверхні електродів з’являється шар бульбашок, які не встигають відводитися, тим самим зменшується продуктивна площа електродів.

Для визначення оптимальних умов розглянемо залежність питомої потужності від сили току. Графік залежності питомої потужності від сили току при різних положеннях електродів відносно одне одного наведено на рисунку 3.6.

Рис. 3.6 - Залежність питомої потужності від сили току

З підвищенням сили току питома потужність зменшується, тобто зменшується кількість енергії, яку потрібно витратити на отримання 1 мл газів. Споживання великої кількості енергії при положенні електродів В та силі току 2А може бути зумовлена існуванням деякого енергетичного бар’єру , для подолання якого треба витратити додаткову кількість енергії.

Пропускаючи через електроди постійний струм доводиться витрачати велику кількість енергії на електроліз. Професор Канарьов в своїй статті «Низькоамперний електроліз води» від 28 грудня 2003р висловлює припущення, що якщо джерело постійного струму буде генерувати імпульси, то вихід газів повинен збільшиться[4]. Тому була поставлена задача створити генератор, який буде генерувати імпульси заданої частоти в широкому інтервалі.

За основу генератора була взята інтегральна мікросхема програмованого генератора LTC6904, яка генерує квадратні імпульси. Управління мікросхемою здійснюється за допомогою апаратної обчислювальної платформи Arduino. Плата Arduino складається з мікроконтролера Atmel AVR (ATmega328 і ATmega168 в нових версіях і ATmega8 в старих) та елементної обв'язки для програмування та інтеграції з іншими схемами. Інтегроване середовище розробки Arduino це кроссплатформений додаток на Java, що включає в себе редактор коду, компілятор і модуль передачі прошивки в плату. Середовище розробки засновано на мові програмування C/C++, доповненій деякими бібліотеками та спроектовано для програмування новачками, не знайомими близько з розробкою програмного забезпечення.

Принципова схема установки наведена на рисунку 4.1. Установка складається з генератора частот, силового каскаду і електролізера. Принципова схема генератору частот наведена на рисунку 4.2.

Рис. 4.1 - Принципова схема установки

Рис. 4.2 - Принципова схема генератору частот

На даному етапі проводяться досліди з використанням імпульсного блоку живлення і ведеться обробка і аналіз отриманих результатів

Перелік джерел

  1. Основы процесса электролиза.[электронный ресурс]. – Режим доступа: http://studyport.ru
  2. Производство водовода. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. [электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Производство водорода
  3. Водородная энергетика - CyberEnergy.ru - альтернативная энергетика. [электронный ресурс]. – Режим доступа: http://cyberenergy.ru/vodorodnaya/ (заглавие с экрана)
  4. Канарёв Ф.М. Начало физхимии микромира. Монография./ Ф.М. Канарёв, 15-е издание. – К.: Краснодар, 2010. – 487 с. [электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.micro-world.su
  5. Канарёв Ф.М. «ЭЛЕКТРОЛИЗ ВОДЫ» ,2010. [электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.micro-world.su
  6. Проблемы водородной безопасности. Кириллов И.А., Коробцев С.В. Доклад на Международной конференции «Альтернативные источники энергии для больших городов», Москва, 12-13 октября 2006 г.
  7. Костин Н. А. Импульсный электролиз /Н. А. Костин, В. С. Кублановский, А. В. Заблудовский, — К.: Наук. думка, 1989.— 168 с. [электронный ресурс]. – Режим доступа: http://mirknig.com/knigi/nauka_ucheba/1181445685-impulsnyy-elektroliz.html
  8. Князевский Б. А. Охрана труда в электроустановках /Б. А. Князевский, Т. П. Марусова, Н. А. Чекалнн, Н. В. Шипунов; под ред. Б. А. Князевского,— 3-е нзд. — М.: Энергоатомиздат, 1983.— 336 с.