Сущность электролизного технологического процесса (рис.), заключается в том, что при протекании электрического постоянного тока через электролитическую ванну может иметь место одно из явлений:

Либо происходит осаждение частиц вещества из электролита на электродах ванны (электроэкстракция)

Либо имеет место перенос вещества с одного электрода на другой через электролит (электролитическое рафинирование)

ЗАКЛАДКА

В качестве электролита используется растворы солей, кислот и оснований как правило в воде.

В электролите имеет место ионная проводимость. При подаче напряжения на электроды ионы движутся к электродам, нейтрализуются и оседают на них. При этом имеет место либо электроэкстракция либо электролитическое рафинирование.

Основное значение имеет при выборе понятие нормального потенциала.

Если электрод изготовлен из такого же металла как электролит, то при некотором потенциале между электродом и электролитом нет ни первого, ни второго процесса. Такой потенциал называется нормальный.

Если на электроды подать более отрицательный потенциал, то начинается электроэкстракция.

Если более положительный, то электролитическое рафинирование.

Электролиз применяют для получения или очистки металлов.

В количественном отношении электролизный процесс описывается тем же самым законом Фарадея.

U эл =E р +E п +U э +U с

E р - напряжение разложения

E п – сумма анодного и катодного ПН

U э – падение напряжения на электролите

U с – падение напряжения на шинах контактов электродов

U э =I∙R вн

U э =I∙(R ш +R к +R э)

P эл =I∙(E p +E п +U э +U с)

τ – время технологического процесса

E p – полезная работа

Эффективность электролизного процесса описывается массой вещества.

Сырьем для получения Znслужит цинковая обманкаZnS. Этот минерал сначала подвергают окислению, обжигу, а затем подвергают выщелачиванию.

ZnSO 4 +H 2 O(5÷6%) Проводимость у такого раствора невысока, поэтому добавляют к этому раствору 10÷12%H 2 SO 4

Электролитическая ванна выполнена из дерева или бетона и изолирована от земли.

Электролизный процесс проводится при t= 35÷40 0 C

j= 400÷600 А/м 2

На катоде появляется ПН – 1,1 В (нормальный потенциал -0,76 В)

Возникает электроэкстракция – осаждение Znна катоде.

1/g э = 3500 кВт∙ч/т

τ = 40÷50 часов

После этого Znсдирают с катода и переплавляют.

Получение Al

В качестве электролита используются не раствор, а расплав. В качестве сырья используется глинозем Al 2 O 3

t пл = 2050 0 С

Расплав этого материала имеет низкую проводимость. Поэтому в качестве электролита используют глинозем и криолит Na 3 AlF 6

t пл = 950 0 С

Ванны и электроды изготавливают из угля или графита.

I= 200÷250 кА

j= 7÷10 кА/м 2

1/g э = 14000÷16000 кВт∙ч/т

Гальванотехника

Это электротехнологический процесс осаждения металла на поверхность как металла, так и не металлических изделий с помощью электролиза.

Толщина покрытия не превышает десятков мкм.

Различают 2 разновидности:

гальваностедия

гальванопластика

Гальваностедия – омеднение, золочение, золочение, хромирование, никелирование…

Перед обработкой поверхность тщательно очищают, затем осуществляют травление кислотой H 2 SO 4 ,HCl. В качестве электролита используется раствор соли наносимого металла. Иногда добавляют кислоты и щелочи для повышения проводимости. Анод изготавливается из наносимого металла, изделие является катодом.

Происходит перенос металла с анода на катод, обработка происходит при небольших плотностях тока, не больше десятков А/м 2 .

Гальванопластика – получение точных копий с изделий.

Электродинамический эффект и электрический ветер

При воздействии ЭП на газовые и жидкие среды наблюдается их движение. Оно обусловлено передачей кинетической энергии при соударении ионов среды с нейтральными молекулами.

Это явление получило название электрический ветер для газовых сред.

Электрический ветер всегда направлен от электрода с меньшим радиусом кривизны.

Сила воздействия на электрический разряд оценивается просто:

F=E∙ρρ– плотность заряда

Установлены некоторые закономерности электрического ветра:

Импульсные установки

1.Установки электроэрозионной обработки.

2.Установки электрогидравлической обработки.

3.Установки электроимпульсной сварки.

4.Устновки магнитоимпульсной обработки металла.

5.Установки импульсной электрохимической обработки.

1.Установк электроэрозионной обработки.

Работа этих устройств основана на явлении электроэрозии,т.е разрушение обрабатываемого материала(Ме) под действием импульсов тока, протекающего между электродом обрабатываемой поверхностью, как правило в диэлектрической среде.

При протекании импульсов тока в искровом канале происходит превращение электроэнергии в тепло в искровом канале между электродам и поверхностью. Происходит нагрев, и его удаление.

Основные параметры обработки:

Частота следования импульсов от сотен до сотен тысяч Гц,

Амплитуда тока от долей до тысяч А,

Длительность импульсов от долей до нескольких тысяч секунд.

Изменением этих параметров устанавливается необходимый режим обработки. Схема1.

1-вертикальная стойка станка

2-рабочая ванна

3-стол для установки рабочей ванны, которая обеспечивает перемещение рабочей ванны по двум координатам в горизонтальной плоскости.

4-обратываемое электрод-изделие, располагающееся внутри рабочей ванны и перемещающейся вместе с ней.

5-устройство для вертикального перемещения.

6-источник высокого импульсного напряжения (периодическое, не ниже 1кВ).

7-система снабжения рабочей диэлектрической жидкостью(обычно трансформаторное масло). Система включает в себя насосы, фильтры, системы возврата жидкости, охладители.

8-электрод-инструмент, изготавливается из более тугоплавкого материала, чем электрод-изделие (вольфрам, графит).

Работа установки

Электрод-инструмент (8) подводится к поверхности изделия (4) и включается источник напряжения (6).

Т.е. к промежутку между электродом-инструментом (8), изделием (4) прикладываются импульсы высокого напряжения и в этом промежутке возникают электроискровые разряды. Эти каналы являются очень концентрированными преобразователями электрической энергии в тепловую с объемной плотностью 10^12 Дж/м3.

При этом плотность мощности 1-10^7 Вт/см2. Выделившаяся тепловая энергия приводит к нагреву, расплавлению, испарению металла изделия и его удаление с помощью рабочей жидкости. При этом многократные электрические разряды проходят послойно всю обрабатываемую поверхность. В итоге в изделии образуются углубления, которые копируют форму электрода.

В качестве источников питания используются импульсные источники питания на основе емкостных накопителей энергии.

Схема 2 .

Питание происходит от сети 220В с помощью трансформатора тока. Повышенное напряжение выпрямляется с помощью выпрямителя VD, выпрямленное напряжение используется для периодической загрузки батареи конденсатораCб. После зарядки этой емкости образуется разрядный контур, содержащий индуктивностьLpи рабочий искровой промежуток. Емкость разряжается, в разрядном контуре протекает токLp. После этого тиристорVDзапирается и процесс зарядки емкости Сб повторяется. Управление режимом обработки (шероховатость, производительность) производится путем измения мощности и частоты следования импульсов токаip.

Такие установки имеют высокую производительность и высокое качество обработки. При некоторых видах обработки такие установки незаменимы.

Недостаток: наблюдается износ электрода-инструмента.

Установки электрогидравлической обработки

Такие установки основаны на применении электрогидравлического эффекта.

Электрогидравлический эффект заключается в преобразовании электроэнергии, запасённой в ёмкостном накопителе в механическую энергию ударной волны при помощи мощного искрового разряда, который создаётся в жидкой среде (чаще воде).

Электрическая схема практически такая же как в предыдущем случае. Отличие в длине разрядного промежутка (она больше).

Параметры технологического процесса:

1)
- крутизна нарастающего тока;

2) до 250 кА;

3) до 100 МВт;

4) до
Дж.

При таких параметрах искровой канал имеет характер взрыва.

Температура канала
К; Давление
МПа.

Давление передаётся жидкости.

Области применения:

а) выбивка формовочных стержней в отливках сложной формы;

б) очистка литья и различных поверхностей от окалины;

в)дробление, измельчение различных материалов;

г) утилизация железобетонных изделий.

Установки импульсной сварки

Предназначены для получения неразъёмных сварных металлических соединений путём сжатия места соединения и нагревания его до температуры плавления путём пропускания импульсного тока.

Схема процесса такая же как и в предыдущем случае. Отличие только в нагрузке. Детали практически не нагреваются.

Преимущество – локализация термического воздействия, исключается разрушение мелких сварных деталей.

Устройства магнитно-импульсной обработки

Эти установки основаны на преобразовании ЭЭ в энергию импульсного МП, затем происходит взаимодействие импульсных полей, создаваемых инструментом – индуктором, с наведённым им Эл. Током в заготовке.

В результате энергия МП превращается в механическую энергию, которая необходимым образом деформирует заготовку.

ЗУ – зарядное устройство;

- батарея индуктивностей (создаёт импульс нужной формы);

ИН – инструмент индуктор;

З – заготовка.

Многоконтурные и одноконтурные установки

Многоконтурная установка содержит один или несколько инструментов – индукторов, выполненных в виде соленоидов.

МП соленоида, создаваемое током наводит в заготовке ток. Токи взаимодействуют и обеспечивают механические усилия и деформацию заготовки.

- собственная индуктивность ИИ;

- активное сопротивление ИИ;

- активное сопротивление;

- коэффициент взаимоиндукции;

- индуктивность и активное сопротивление заготовки.

В схеме прот. ПП, он определяется методом ТОЭ. Технология операции по такой схеме используется в 3 варианте:

2) раздача (индукция внутри заготовки);

3) листовая формовка (деформируется плоская заготовка).

Одноконтурная схема:

В этом случае разрядный ток протекает непосредственно через заготовку. Заготовка – часть ИИ.

разветвляется наи. Взаимодействие токов приводит к деформации заготовки, и она приобретает форму, показанную пунктиром.

Преимущества:

Недостатки:

Материал должен иметь высокую электропроводность;

Необходимость установки проводящих прокладок при образовании материалов, плохо проводящих эл. ток;

Трудности обработки поверхностей, имеющих разрыв для эл. тока;

Трудности с обработкой массивных заготовок.

Установки импульсной электрохимической обработки. Это рассмотренные выше электрохимические технологические процессы, в которых вместо постоянного напряжения применяется импульсное.

В свое время с помощью электролиза из расплавов солей удалось впервые выделить чистые калий, натрий и многие другие металлы.

Сегодня этот процесс применяют и в быту – для «добычи» водорода из воды. Технология более чем доступна, ведь прибор для электролиза воды представляет собой всего лишь контейнер с раствором соды, в который погружены электроды.

Электродами служат небольшие квадратные листы, вырезанные из оцинкованной стали или, лучше, из нержавейки марки 03Х16Н15М3 (AISI 316L). Обычная сталь будет очень быстро «съедена» электрохимической коррозией.

Прорезав ножом отверстие в стенке контейнера, нужно установить на нем два фильтра грубой очистки – подойдут «грязевики» (второе название – косой фильтр) или фильтры от стиральных машин.

Следом устанавливаются плата толщиной 2,3 мм и барботажная трубка.

Завершается создание электролизера установкой форсунки с затвором, расположенным со стороны платы.

Устройство с верхним расположением контейнера

Электроды выполняются из нержавеющего листа размером 50х50 см, который нужно разрезать болгаркой на 16 равных квадратов. Один угол каждой пластины подрезается, а в противоположном выполняется отверстие под болт М6.

Один за другим электроды одеваются на болт, а изоляторы для них нарезаются из резиновой или силиконовой трубки. Как вариант, можно воспользоваться трубкой от водяного уровня.

Контейнер фиксируется при помощи штуцеров и только после этого устанавливаются барботажная трубка и электроды с клеммами.

Модель с нижним расположением контейнера

В этом варианте сборку прибора начинают с нержавеющего основания, размеры которого должны соответствовать размерам контейнера. Далее устанавливают плату и трубку. Монтаж фильтров в данной модификации не требуется.

Затем к нижней плате нужно прикрепить 6-миллиметровыми винтами затвор.

Установка форсунки осуществляется посредством штуцера. Если все же принято решение установить фильтры, то для их крепления следует использовать пластиковые зажимы на резиновых прокладках.

Готовое устройство

Толщина изоляторов между пластинами-электродами должна составлять 1 мм. При таком зазоре сила тока будет достаточной для качественного электролиза, в то же время пузырьки газа смогут легко оторваться от электродов.

К полюсам источника питания пластины подключаются поочередно, например, первая пластина – к «плюсу», вторая – к «минусу» и т.д.

Устройство с двумя клапанами

Процесс изготовления 2-клапанной модели электролизера не отличается особой сложностью. Как и в предыдущем варианте, сборку следует начинать с подготовки основания. Выполняется оно из стальной листовой заготовки, которую нужно подрезать в соответствии с размерами контейнера.

К основанию прочно крепится плата (применяем винты М6), после чего можно устанавливать трубку для барботажа диаметром не менее 33 мм. Подобрав к устройству затвор, можно приступать к монтажу клапанов.

Пластиковый контейнер

Первый устанавливается на основании трубы, для чего в этом месте необходимо закрепить штуцер. Соединение уплотняется зажимным кольцом, после чего устанавливается еще одна пластина – она понадобится для фиксации затвора.

Второй клапан следует монтировать на трубе с отступом от края в 20 мм.

С появлением водяной системы отопления, воздушная система незаслуженно потеряла свою популярность, но сейчас снова набирает обороты. – рекомендации по проектированию и монтажу.

Все об изготовлении и использовании чудо-печи о солярке вы узнаете .

А в этой теме разберем разновидности счетчиков тепла для квартиры. Классификация, конструктивные особенности, цены на приборы.

Модели на три клапана

Эта модификация отличается не только количеством клапанов, но также и тем, что основание для нее должно быть особенно прочным. Применяется все та же нержавеющая сталь, но большей толщины.

Место для установки клапана №1 нужно выбирать на входной трубе (она подсоединяется прямо к контейнеру). После этого следует закрепить верхнюю пластину и вторую трубку барботажного типа. Клапан №2 устанавливают на конце этой трубки.

Штуцер при установке второго клапана нужно крепить с достаточной жесткостью. Также потребуется зажимное кольцо.

Готовый вариант водородной горелки

Следующий этап – изготовление и установка затвора, после чего к трубе прикручивают клапан №3. При помощи шпилек он должен соединяться с форсункой, при этом посредством прокладок из резины должна быть обеспечена изоляция.

Вода в чистом виде (дистиллированная) является диэлектриком и чтобы электролизер работал с достаточной производительностью, ее следует превратить в раствор.

Наилучшие показатели демонстрируют не солевые, а щелочные растворы. Для их приготовления в воду можно добавить пищевую или каустическую соду. Также подойдут некоторые средства бытовой химии, например, «Мистер Мускул» или «Крот».

Устройство с оцинкованной платой

Очень распространенная версия электролизера, применяющаяся, главным образом, в системах отопления.

Подобрав основание и контейнер, соединяют винтами (их понадобится 4 шт.) платы. Затем сверху на приборе устанавливают изолирующую прокладку.

Стенки контейнера не должны обладать электропроводимостью, то есть быть изготовленными из металла. Если есть необходимость сделать емкость высокопрочной, нужно взять пластиковый контейнер, и поместить его в того же размера металлическую оболочку.

Остается прикрутить контейнер шпильками к основанию, и установить затвор с клеммами.

Модель с оргстеклом

Сборку электролизера с применением заготовок из органического стекла назвать простой задачей нельзя – данный материал достаточно сложен в обработке.

Трудности могут подстерегать и на этапе поиска контейнера подходящего размера.

В углах платы высверливают по одному отверстию, после чего приступают к монтажу пластин. Шаг между ними должен составлять 15 мм.

На следующем этапе переходят к установке затвора. Как и в других модификациях, следует применять прокладки из резины. Только нужно учесть, что в данной конструкции их толщина должна составлять не более 2-х мм.

Модель на электродах

Несмотря на слегка настораживающее название, эта модификация электролизера также вполне доступна для самостоятельного изготовления. В этот раз сборку прибора начинают снизу, укрепляя на прочном стальном основании затвор. Контейнер с электролитом, как и в одном из вышеописанных вариантов, расположим сверху.

После затвора приступают к монтажу трубки. Если размеры контейнера позволяют, ее можно оснастить двумя фильтрами.

• лист не касается контейнера;
• расстояние между ним (листом) и зажимными винтами должно составлять 20 мм.

При таком исполнении генератора водорода электроды следует крепить к затвору, размещая по другую сторону от него клеммы.

Применение пластиковых прокладок

Вариант изготовления электролизера с прокладками из полимеров позволяет применить алюминиевый контейнер вместо пластикового. Благодаря прокладкам, он будет надежно изолирован.

Вырезая прокладки из пластика (понадобится 4 шт.), необходимо придать им форму прямоугольников. Они укладываются по углам основания, обеспечивая зазор в 2 мм.

Теперь можно приступать к установке контейнера. Для этого понадобится еще один лист, в котором просверливают 4 отверстия. Их диаметр должен соответствовать наружному диаметру резьбы М6 – именно такими винтами будет прикручиваться контейнер.

Стенки у алюминиевого контейнера жестче, чем у пластикового, поэтому для более надежного крепления под головки винтов следует подложить шайбы из резины.

Остается заключительный этап – установка затвора и клемм.

Модель на две контактные клеммы

К основанию, выполненному из стального или алюминиевого листа, прикрепите при помощи цилиндров или винтов пластиковый контейнер. После этого нужно установить затвор.

В этой модификации применяется игольчатая форсунка диаметром в 3 мм или чуть больше. Ее нужно установить на свое место, подсоединив к контейнеру.

Теперь при помощи проводников нужно присоединить клеммы прямо к нижней плате.

Последним элементом монтируется трубка, причем место, в котором она присоединяется к контейнеру, должно быть уплотнено зажимным кольцом.

Фильтры можно позаимствовать в поломанных стиральных машинах либо установить обычные «грязевики».

Еще на шпинделе нужно будет закрепить два клапана.

Электрификация дома – важный этап в обустройстве нового здания. – рекомендации профессиональных электриков.

Как изготовить простой теплоаккумулятор своими руками, вы узнаете . А также обвязка и настройка системы.

Схематическое представление

Схематичное описание реакции электролиза займет не более двух строк: положительно заряженные ионы водорода устремляются к отрицательно заряженному электроду, а отрицательно заряженные ионы кислорода – к положительному. Для чего вместо чистой воды приходится применять электролитический раствор? Дело в том, что для разрыва молекулы воды требуется достаточно мощное электрическое поле.

Соль или щелочь выполняет значительную часть этой работы химическим путем: атом металла, имеющий положительный заряд, притягивает к себе отрицательно заряженные гидроксогруппы ОН, а щелочной или кислотный остаток, имеющий отрицательный заряд – положительные ионы водорода Н. Таким образом, электрическому полю остается только растащить ионы к электродам.

Схема электролизера

Наилучшим образом электролиз проходит в растворе соды, одна часть которой разбавляется в сорока частях воды.

Наилучшим материалом для электродов, как уже говорилось, является нержавеющая сталь, а вот для изготовления пластин лучше всего подходит золото. Чем большей будет их площадь и чем выше сила тока – тем в большем объеме будет выделяться газ.

Прокладки можно делать из различных токонепроводящих материалов, но лучше всего для этой роли подходит поливинилхлорид (ПВХ).

Заключение

Электролизер может эффективно применяться не только в промышленности, но и в обиходе.

Вырабатываемый им водород можно превратить в топливо для приготовления пищи, или обогащать им бензо-воздушную смесь, повышая мощность автомобильных двигателей.

Несмотря на простоту принципиального устройства прибора, умельцы научились изготавливать целый ряд его разновидностей: любую из них читатель сможет изготовить собственноручно.

Видео на тему

В настоящее время в России все большее количество объектов водоснабжения и водоотведения, а также производств, отказываются от применения товарного жидкого хлора и гипохлоритов, делая выбор в пользу организации собственного синтеза необходимых реагентов непосредственно на объектах применения.

Для производства требуется хлорид натрия (соль), вода, электроэнергия.

Причины подобного отказа:

1. Жидкий хлор очень опасен .

Несмотря на невысокую стоимость хлора, мероприятия и затраты, связанные с его использованием, в значительной степени усложняют и удорожают весь производственный процесс.

2. Товарный гипохлорит натрия (ГПХН 19%) очень дорог .

Стоимость 1 т. ГПХН марки А не превышает 20-30 тыс. руб. Однако, количество гипохлорита натрия, эквивалентное 1 т. хлора, составляет уже 100-150 тыс. руб. (так как гипохлорит содержит всего 15-19% активного хлора и имеет тенденцию к дальнейшему разложению).

Преимущества электролизного оборудования:

• отказ от расходов на обеспечение безопасности при транспортировке и хранении;
• при работе электролизного оборудования невозможны аварии, связанные с утечкой большого количества реагента. Объекты эксплуатации электролизных установок для синтеза хлорреагентов не относятся к ОПО и не включаются в соответствующий реестр;
• независимость от поставщика – реагент производится в необходимом количестве, производительность регулируется, что повышает энергоэффективность объекта;
• дешевое сырье – для синтеза можно использовать самую дешевую техническую соль. Это потребует установки дополнительного оборудования для очистки солевого раствора, поступающего в электролизеры, однако, эти затраты окупаются менее чем за 1 год за счет значительной экономии на сырье;
• получаемый реагент дешевле товарного;
• для объектов водоснабжения, использующих в качестве основного метода обеззараживания УФ установки – при внедрении УФ оборудования невозможно полностью отказаться от использования хлорреагента, так как необходимо обеспечить санитарное состояние сооружений и сетей, а также безопасность транспортировки воды потребителю. Электролизные установки совместно с УФ оборудованием полностью удовлетворяют потребность в хлоре, объект при этом исключается из реестра ОПО.

Электролизные установки производят разные реагенты:

• хлор или хлорную воду (Аквахлор, Аквахлор-Бекхофф, Аквахлор-Мембрана/Диафрагма);
• комбинированный дезинфектант с повышенной эффективностью – раствор оксидантов, содержащий хлор, диоксид хлора, озон (Аквахлор, Аквахлор-Бекхофф);
• низкоконцентрированный ГПХН 0,8% (ЛЭТ-ЭПМ, Аквахлор, Аквахлор-Бекхофф);
• высококонцентрированный ГПХН 15-19% (Аквахлор-Мембрана/Диафрагма).

Для целей обеззараживания воды подходят все эти реагенты. Ограничением является только pH подвергаемой обеззараживанию воды в точке ввода реагента – для воды с pH выше 7,5 рекомендуется использовать хлорную воду вместо гипохлорита, который малоэффективен в щелочной среде.

Остановимся подробнее на каждом типе оборудования ООО «ЛЭТ»:

Аквахлор и Аквахлор-Бекхофф:

• получаемый реагент обладает повышенной эффективностью;
• отдельные модули имеют небольшую производительность. Что позволяет гибко реагировать на
• потребность в реагенте. Оптимальная производительность комплекса – до 250-500 кг активного хлора в сутки;
• периодичность замены реакторов – 1 раз в 3-5 лет;
• простота обслуживания.

ЛЭТ-ЭПМ:

• неограниченная производительность комплексов;
• простота эксплуатации и невысокие требования к качеству сырья;
• периодичность замены (перепокрытия) электродного блока – 1 раз в год;
• реагент подходит для большинства объектов.

Аквахлор-Диафрагма:

• возможность получения хлорной воды и концентрированного ГПХН 19%, а также одновременного получения этих реагентов;
• периодичность замены электродного покрытия и диафрагмы – не более 1 раза в 10 лет;
• высокие требования к качеству солевого раствора;
• возможность промывки диафрагмы и возвращения в работу в случае загрязнения солевым раствором несоответствующего качества;

Аквахлор-Мембрана:

• неограниченная производительность комплекса (но не менее 50-100 кг/сут.);
• возможность получения хлора и концентрированного ГПХН 19% высокой чистоты, пригодной для синтеза;
• периодичность замены электродного покрытия и мембраны – не более 1 раза в 10 лет;
• очень высокие требования к качеству солевого раствора;
• в случае загрязнения мембраны требуется ее замена на новую;
• обслуживание оборудования требует квалифицированного персонала.

Себестоимость конечного продукта (по возрастанию, от меньшей к большей):

• Аквахлор-Диафрагма
• Аквахдлор-Мембрана
• Аквахлор/Аквахлор-Бекхофф
• ЛЭТ-ЭПМ

Компания «Первый инженер» предлагает оборудование для производства водорода методом электролиза воды в щелочном растворе (30% гидроксид калия) – электролизные установки (промышленные генераторы водорода).

Электролиз – это самый простой и доступный способ получения водорода из существующих.

Преимущества производства водорода методом электролиза:

• экологическая чистота;
• широкий диапазон производительности установок (1÷500 Нм 3 /ч и более);
• высокая чистота производимого водорода (до 99,9999%);
• наличие ценного побочного продукта – кислорода.

Электролиз – самый распространенный и эффективный промышленный способ получения водорода. Данный метод позволяет производить водород с полезным использованием затрачиваемой электрической энергии примерно 70%.

Процесс электролиза протекает внутри гальванического элемента (камеры), разделённой на положительную и отрицательную стороны, где электрический ток протекает между металлическими электродами через проводящий жидкий электролит (водный раствор щёлочи). Положительный электрод называется анодом, а отрицательный – катодом.

Простой гальванический элемент

Половины элемента разделены смоченной мембраной, которая позволяет электрическому току течь (посредством электролита), но предотвращает перенос выделяющихся газов из одной стороны в другую.

Когда подается напряжение постоянного тока, ток протекает через жидкость, контактирующую с электродами, в результате чего происходит выделение газов:

• реакция на катоде: 2ОН – → 0,5О 2 + Н 2 О + 2е –
• реакция на аноде: 2Н 2 О + 2е – → Н 2 + 2ОН –
• суммарная реакция: Н 2 О → Н 2 + 0,5О 2 .

Внутри гальванического элемента расходуется только вода. Электролит добавляется для минимизации электрического сопротивления и для содействия реакции посредством обеспечения избытка гидроксильных ионов (см. реакцию выше), но не расходуется в процессе.

Количество газа, выделяемого на каждом электроде, находится в прямой зависимости от количества постоянного тока, протекающего через элемент. Особенность процесса щелочного электролиза – возможность работы в широких пределах нагрузки (начиная с 10% от номинальной мощности). Энергозатраты при щелочном электролизе – 4,5÷5,5 кВт на 1 Нм 3 производимого водорода.

Преимущества электролизных установок компании «Первый инженер»:

• возможность изготовления автономной установки по производству газов (в контейнерном исполнении);
• комплектация оборудования в соответствии с требованиями клиента;
• полное сопровождение проекта, включая взаимодействие с государственными контролирующими органами (при необходимости);
• поставка установок в полной заводской готовности с прохождением первичных испытаний на заводе-изготовителе;
• полная автоматизация работы оборудования и отсутствие необходимости в постоянном контроле со стороны обслуживающего персонала.

Срок изготовления

Используя принцип получения водорода с помощью электролиза водного раствора щелочи, я решил сделать простой и компактный аппарат, удобный для работы с небольшими деталями, при пайке твердыми припоями. Благодаря малым наружным габаритам электролизера ему найдется место и на небольшом рабочем столе, а использование в качестве блока электролитания стандартного выпрямителя для подзарядки аккумуляторных батарей облегчает изготовление установки и делает работу с ней безопасной.

Относительно небольшая, но вполне достаточная производительность аппарата позволила предельно упростить конструкцию водяного затвора и гарантировать пожаро- и взрывобезопасность.

Устройство электролизера

Между двумя платами, соединенными четырьмя шпильками, размещена батарея стальных пластин-электродов, разделенных резиновыми кольцами. Внутренняя полость батареи наполовину заполнена водным раствором КОН или NaОH. Приложенное к пластинам постоянное напряжение вызывает электролиз воды и выделение газообразного водорода и кислорода.

Эта смесь отводится через надетую на штуцер полихлорвиниловую трубку в промежуточную емкость, а из нее в водяной затвор, которые сделаны из двух порожних баллончиков для заправки газовых зажигалок (можно использовать баллончики завода «Северный пресс» г. Ленинград). Газ, прошедший через помещенную там смесь воды с ацетоном в соотношении 1: 1, имеет необходимый для горения состав и, отведенный другой трубкой в форсунку - иглу от медицинского шприца, сгорает у ее выходного отверстия с температурой около 1800°С.

Рис. 1. Водяная горелка.

Для плат электролизера я использовал толстое оргстекло, толщиной 25 мм. Этот материал легко обрабатывается, химически стоек к действию электролита и позволяет визуально контролировать его уровень, чтобы при необходимости добавлять через наливное отверстие дистиллированную воду.

Пластины можно изготовить из листового металла (нержавеющая сталь, никель, декапированное или трансформаторное железо) толщиной 0,6-0,8 мм. Для удобства сборки в пластинах выдавлены круглые углубления под резиновые кольца уплотнения, глубина их при толщине кольца 5-6 мм должна быть 2-3 мм.

Кольца, предназначенные для герметизации внутренней полости и электрической изоляции пластин, вырезаются из листовой маслобензостойкой или кислотоупорной резины. Сделать это вручную несложно, но все же идеальным будет выполненный с помощью круглореза.

Четыре стальные шпильки M8, соединяющие детали, изолированы кембриком 10 мм и пропущены в соответствующие отверстия 11 мм.

Количество пластин в батарее - 9. Оно определяется параметрами блока электропитания: его мощностью и максимальным напряжением - из расчета 2 В на пластину. Потребляемый ток зависит от количества задействованных пластин (чем их меньше, тем ток больше) и от концентрации раствора щелочи. В более концентрированном растворе ток меньше, но лучше применять 4-8%-ный раствор - при электролизе он не так пенится.

Контактные клеммы припаиваются к первой и трем последним пластинам. Стандартное зарядное устройство для автомобильных аккумуляторов ВА-2, подключенное на 8 пластин, при напряжении 17 В и токе около 5 А обеспечивает необходимую производительность горючей смеси для форсунки - иглы с внутренним 0,6 мм. Оптимальное соотношение диаметра иглы форсунки и производительности электролизера устанавливается опытным путем - так, чтобы зона воспламенения смеси располагалась вне иглы. Если производительность мала или диаметр отверстия слишком велик, горение начнется в самой игле, которая от этого быстро разогреется и оплавится.

Надежным заслоном от распространения пламени по подводящей трубке внутрь электролизера является простейший водяной затвор, который сделан из двух порожних баллончиков для заправки газовых зажигалок. Достоинства их те же, что и у материала плат: легкость механической обработки, химическая стойкость и полупрозрачность, позволяющая контролировать уровень жидкости в водяном затворе. Промежуточная емкость исключает возможность смешивания электролита и состава водяного затвора в режимах интенсивной работы или под действием разряжения, возникающего при выключении электропитания. А чтобы этого избежать наверняка, по окончании работы следует сразу же отсоединять трубку от электролизёра. Штуцеры емкостей сделаны из медных трубок 4 и 6 мм, устанавливаются в верхней стенке баллончиков на резьбе. Через них же осуществляется заливка состава водяного затвора и слив конденсата из разделительной емкости. Отличная воронка для этого получится из еще одного пустого баллончика, разрезанного. пополам и с установленной на месте клапана тонкой трубкой.

Соедините короткой полихлорвиниловой трубкой 5 мм электролизер с промежуточной емкостью, последнюю - с водяным затвором, а его выходной штуцер более длинной трубкой - с форсункой-иглой (В качестве форсунки можно использовать медицинский шприц с иглой). Внутрь рукоятки (шприца) помещается огнегасительная набивка - латунная сетка, свернутая в спираль.

Рис. 2. Устройство электролизера:
1 - изолирующая полихлорвиниловая трубка 10 мм, 2 - шпилька М8 (4 шт.), 3 - гайка М8 с шайбой (4 шт.), 4 - левая плата, 5 - пробка-болт М10 с шайбой, 6 - пластина, 7 - резиновое кольцо, 8 - штуцер, 9 - шайба, 10 - полихлорвиниловая трубка 5 мм, 11 - правая плата, 12 - короткий штуцер (3 шт.), 13 - промежуточная емкость, 14 - основание, 15 - клеммы, 16 - барботажная трубка, 17 - форсунка-игла, 18 - корпус водяного затвора.

Включите выпрямитель, подрегулируйте напряжением или количеством подключаемых пластин номинальный ток и подожгите выходящий из форсунки газ.

Если вам необходима большая производительность - увеличьте количество пластин и примените более мощный блок питания - с ЛАТРом и простейшим выпрямителем. Температура пламени также поддается некоторой корректировке составом водяного затвора. Когда в нем только вода, в смеси содержится много кислорода, что в некоторых случаях нежелательно. Залив в водяной затвор метиловый спирт, смесь можно обогатить и поднять температуру до 2600° С. Для снижения температуры пламени водяной затвор заполняют смесью ацетона и воды в соотношении 1: 1. Однако в последних случаях следует не забывать пополнять и содержимое водяного затвора.

Ю. ОРЛОВ, г. Троицк, Московская обл.
Опубликовано: Моделист конструктор