Электрохимическое получения водорода

Оглавление

Введение 3

Глава 1. Физико-химические закономерности получения  водорода 3

1.1 Термодинамика 3

1.2 Механизм  выделение водорода из воды 3

1.3 Кинетика  взаимодействия сплавов с водными  растворами едкого натра 3

Глава 2. Технологическая схема, описание. Конструкция и описание реактора 3

Глава 3 Экология в производстве Ошибка! Закладка не определена.

Выводы 3

Литература 3

 

 

 

 

Введение 

В свободном состоянии  и при нормальных условиях водород - бесцветный газ, без запаха и вкуса. Относительно воздуха водород имеет  плотность 1/14. Он обычно и существует в комбинации с другими элементами, например, кислорода в воде, углерода в метане и в органических соединениях. Поскольку водород химически  чрезвычайно активен, он редко присутствует как несвязанный элемент.

Охлажденный до жидкого состояния  водород занимает 1/700 объема газообразного  состояния. Водород при соединении с кислородом имеет самое высокое  содержание энергии на единицу массы: 120.7 ГДж/т. Это - одна из причин, почему жидкий водород используется как топливо  для ракет и энергетики космического корабля, для которой малая молекулярная масса и высокое удельное энергосодержание водорода имеет первостепенное значение. При сжигании в чистом кислороде единственные продукты - высокотемпературное тепло и вода. Таким образом, при использовании водорода не образуются парниковые газы и не нарушается даже круговорот воды в природе.

В земных условиях водород  встречается преимущественно в  связанном состоянии. Многие его  соединения нам уже известны: Н2О, HCl, HF и т.д. В этих соединениях водород имеет степень окисления +1, поскольку его электроотрицательность (2,2) меньше, чем электроотрицательность кислорода (3,44), хлора (3,16) и фтора (3,98).

Когда водород уже находится  в степени окисления +1, он может  отбирать электрон у многих элементов  – особенно металлов, которые склонны  отдавать электроны. Поэтому способы  получения водорода часто основаны на реакции какого-либо металла с  одним из соединений водорода, например:

 Реакцию между цинком  и водным раствором хлористого  водорода (соляной кислотой) наиболее  часто используют для получения  водорода в лаборатории.

Движущей силой подобных реакций получения водорода является не только стремление металлов отдать электрон атому Н в степени  окисления +1, но и большой энергетический выигрыш при связывании образующихся при этом нейтральных атомов водорода в молекулу Н2. Поэтому в реакции такого типа вступают даже неметаллы:

Эта реакция – промышленный процесс. Водяной пар пропускают над раскаленным добела коксом (углем, нагреваемым без доступа воздуха). В результате получается смесь оксида углерода с водородом, которую называют "водяным газом".

 

Водород может получаться и при сильном нагревании метана:

Поэтому в промышленности большое количество водорода получают именно из метана, добавляя к нему при  высокой температуре перегретый водяной пар:

1) CH₄ + H₂O = CO + 3 H₂

2) CO + H₂O = CO₂ + H₂

В сумме записать этот процесс  можно уравнением:

CH₄ + 2H₂O= 4 H₂+ CO₂

Смесь газов охлаждают  и промывают водой под давлением. При этом СО₂ растворяется, а малорастворимый в воде водород идет на промышленные нужды.

Наиболее чистый водород  в промышленности получают электролизом воды:

В природе запасы водорода не ограничены.

Водород находит широкое  практическое применение. Основные области  его промышленного использования  известны всем. Более половины водорода идет на переработку нефти. Четверть производимого водорода расходуется  на синтез аммиака NH3. Это один из важнейших  продуктов химической промышленности.

В большом количестве водород  расходуется на получение хлороводородной кислоты. Реакция горения водорода в кислороде используется в ракетных двигателях, выводящих в космос летательные аппараты. Например, самая мощная ракета «Энергия» использует более 2000 тонн топлива, большую часть которого составляют жидкий водород и кислород.

Водород применяют и для  получения металлов из оксидов. Таким  способом получают тугоплавкие металлы  молибден и вольфрам, необходимые  в производстве нитей накаливания  электролампочек. Водород также находит применение в производстве маргарина из растительных масел.

Реакцию горения водорода в кислороде применяют и для  сварочных работ. Температура водородно-кислородного пламени достигает 3000 °C. Если же использовать специальные горелки, то можно повысить температуру пламени до 4000 °C. При  такой температуре проводят сварочные  работы с самыми тугоплавкими материалами.

В настоящее время в  ряде стран начаты исследования по замене невозобновляемых источников энергии (нефти, газа, угля) на водород. При сгорании водорода в кислороде образуется экологически чистый продукт – вода, а углекислый газ, вызывающий парниковый эффект, не выделяется.

Ученые предполагают, что  в середине XXI века должно быть начато серийное производство автомобилей  на водороде. Широкое применение найдут домашние топливные элементы, работа которых также основана на окислении  водорода кислородом.

Разнообразие способов получения  водорода является одним из главных  преимуществ водородной энергетики, так как повышает энергетическую безопасность и снижает зависимость  от отдельных видов сырья.

К ним относятся:

• паровая конверсия метана и природного газа;
• газификация угля;
• электролиз воды;
• пиролиз;
• частичное окисление;
• биотехнологии;

Глубинный газ планеты.

В данный момент наиболее доступным  и дешёвым процессом является паровая конверсия. Согласно прогнозам, она будет использоваться в начальной  стадии перехода к водородной экономике  для упрощения преодоления проблемы «курицы и яйца», когда из-за отсутствия инфраструктуры нет спроса на водородные автомобили, а из-за отсутствия водородных автомобилей не строится инфраструктура. В долгосрочной перспективе, однако, необходим переход на возобновляемые источники энергии, так как одной  из главных целей внедрения водородной энергетики является снижения выброса  парниковых газов. Такими источниками  может быть энергия ветра или солнечная энергия, позволяющая проводить электролиз воды.

Производство водорода может  быть сосредоточено на централизованных крупных предприятиях, что понижает себестоимость производства, но требует  дополнительных расходов на доставку водорода к водородным автозаправочным  станциям. Другим вариантом является маломасштабное производство непосредственно  на специально оборудованных водородных автозаправочных станциях.

 

Глава 1. Физико-химические закономерности получения водорода

1.1 Термодинамика

Классическая термодинамика  многофазных и гетерофазных систем 
изложена в работах Гиббса [13, 14]. Фундаментальные уравнения выражают функции тел в тех независимых переменных, которые определяют их состояние.

Термодинамика рассматривает  фазовые превращения как химический 
процесс, поэтому слово „реакция” относится как к испарению, так и к газообразованию [15].

Термодинамический метод  позволяет определить: энергетическую 
возможность и направление химических взаимодействий; тепловые изменения во время реакций; устойчивость образующихся соединений; максимальные равновесные концентрации продуктов реакции и предельный их выход; оптимальный режим процесса (температуру, давление и концентрации реагирующих веществ).

Для реакций осуществляющихся в изобарно-изотермических условиях 
возможность химических и фазовых превращений в закрытой системе 
определяется уравнением

 

∆G = ∆H – T∆S,      (1)

 

где ∆G - энергия Гиббса, кДж;

∆H - изменение энтальпии, кДж;

Т - абсолютная температура, К.

Отрицательные значения ∆G свидетельствуют о высокой вероятности реакций. При низких температурах множитель Т∆S в формуле (1) мал и изменение энергии Гиббса определяется основным образом изменением энтальпии. При увеличении температуры усиливается влияние члена уравнения T∆S.

Энтропия - функция состояния  термодинамической системы. 
Изменение S в равновесном процессе равно отношению количества теплоты, сообщенной системе или отведенной от нее, к термодинамической температуре системы.

Если процесс проводится обратимо и при постоянной температуре, то

изменение энтропии связано  с поглощаемой теплотой уравнением

 

∆S = Qобр/Т,       (2)

 

где Qобр - количество теплоты, поглощенной системой в изотермическом обратимом процессе, кДж;

Т - абсолютная температура, К.

Энтальпия есть функция состояния  термодинамической системы при  независимых параметрах энтропии и  давления, которая связана с внутренней 
энергией. При постоянном давлении изменение энтальпии равно количеству 
теплоты, подведенной к системе, поэтому энтальпию называют тепловой функцией.

При обратимом и изотермическом проведении процесса ∆G равно по абсолютной величине, но обратно по знаку максимальной полезной работе А, которую система производит в данном процессе

 

∆G = – Амакс.      (3)

 

Полезной работой называется вся производимая в ходе процесса работа

за вычетом работы расширения

 

А = Амакс – Р∆V,      (4)

 

где Р∆V - работа расширения, кДж.

Можно сказать, что в условиях постоянства температуры и давления 
реакции протекают самопроизвольно в сторону уменьшения энергии Гиббса. 
Исходя из формулы (3) можно сказать, что самопроизвольно могут протекать

только те реакции, за счет энергии которых можно совершить  полезную 
работу [4].

Зная уравнения реакций, термодинамические свойства взаимодейству- 
щих веществ и продуктов их взаимодействия, несложно рассчитать изменение энергии Гиббса [4].

С повышением температуры  абсолютные значения энергии Гиббса 
снижаются, т.е. система приближается к состоянию равновесия. Для реакций с образованием гидрооксидов и водорода исходные вещества находятся в 
конденсированном состоянии и, следовательно, увеличение давления смещает реакцию влево. Таким образом для осуществления реакции в оптимальных условиях необходимо работать при низком давлении и невысокой температуре.

Основной движущей силой  процесса выделения водорода является 
химический потенциал i - го компонента в многокомпонентной смеси, который представляет собой увеличение свободной энергии Гиббса смеси при введении единичного количества i - го в смесь при постоянных температуре, давлении и концентрации (массе) других компонентов (число зарядов здесь не рассматривается).

Экспериментальные данные обычно представляют в виде зависимости  полноты реакции от времени при  фиксированной температуре [8]

 

α =1 – е ^{– kτ} ,      (5)

 

где α - полнота реакции;

к - константа скорости реакции, зависящая от температуры и природы 
вещества;

τ - время реакции, с;

n - постоянная, учитывающая на каких геометрических элементах 
поверхности развивается реакция.

Полнота реакции показывает, на сколько прореагировало вещество. 
Реакция начинается с момента появления зародышей новой фазы вблизи 
различных дефектов структуры твердого тела, где их образование энергетически облегчено. После индукционного периода скорость реакции возрастает, что происходит как за счет увеличения числа зародышей, так и благодаря их росту. Площадь реагирующей поверхности увеличивается до 
тех пор, пока растущие зародыши не начинают касаться, перекрывать и поглощать друг друга.

1.2 Механизм выделения водорода из воды

 

При взаимодействии алюминия или его оксида с влажной атмосферой образуется ряд продуктов: гидраргиллит γ - Al(OH)₃, байерит α - Al(OH)₃, 
бемит γ - AlО(ОН), диаспор α - AlО(ОН), γ - и α - Al₂O₃[16].

С повышением температуры  продукты претерпевают ряд изменений. Так, гидраргиллит при нагреве до 200-250 °С переходит в бемит. Байерит при нагреве 200-300 °С - в бемит. Бемит при 300-450 °С превращается в η - или 
γ - Al₂O₃, при 450-500 °С в α - Al₂O₃ [17, 18].