Няма съмнение, че доста от участниците в този форум се интересуват от електролизата и в частност електролизата на вода като средство за добиване на продукти, които по-нататък да се използват за произвеждането на енергия. Забелязах, че повечето от феновете на електролизата на вода са похарчили пари, свободно време и труд за конструирането на инсталации за електролиза. За съжаление, коментарите свързани с нея и самите инсталации показват недостатъчно познаване на електролизата като процес и по тази причина извършването й е с ефективност по-ниска от максимално възможната. Това е и поводът да отворя настоящата тема и да споделя това, което знам по-въпроса. Смятам, че това ще помогне на всеки, който проявява интерес и ще го предпази от загуба на пари, време и труд за конструирането
на нещо не работещо или с много ниска ефективност. И накрая, това, което ще прочетете по-надолу, не е мое лично мнение. Това са знания, придобити не от журналистически статии, а от сериозна научна литература. Няма да навлизам в излишни подробности, но ако някой прояви интерес, нямам нищо против да изложа и тях.
И така, при разтварянето на киселини, основи или соли във вода техните молекули дисоциират (разпадат се положителни и отрицателни йони). Положителните йони се наричат катиони, а отрицателните аниони. Водните молекули са силно полярни (имат голям диполен момент) и са основен фактор при дисоциирането на всяко разтворено вещество. Йоните на конкретното вещество могат да бъдат с различна валентност. Например, във воден разтвор алуминиевият хлорид се разпада на алуминиеви катиони и хлорни аниони. Алуминиевият катион има три положителни товара и затова казваме, че той е тривалентен, докато хлорният анион има
един отрицателен товар и затова той е едновалентен. Например, натриевият сулфат във воден разтвор се разпада на натриеви катиони и сулфатни аниони. Натриевите катиони са едновалентни, а сулфатните аниони са двувалентни. Примерите е важно да се разберат, защото, както ще видите по-нататък, тези факти са от съществено значение при пресмятането на разхода на електроенергия за извършването на електролиза на конкретно химическо съединение.
Нека да имаме приготвен воден разтвор на химическо съединение, способно да
дисоциира електролитно. Във водния разтвор ще има катиони и аниони от въпросното вещество. Нека да потопим два електрода в разтвора и да ги свържем с източник на постоянно напрежение. След свързването, към отрицателния електрод (катода) ще се насочат положително заредените йони (катионите), а към положителния електрод (анода) ще се насочат отрицателно заредените йони (анионите).
Всеки катион, достигнал до повърхността на катода получава от него необходимия
брой електрони в зависимост от валентността си и се превръща в електро-неутрален атом. Съответно, всеки анион достигнал до повърхността на анода отдава необходимия брой електрони в зависимост от валентността си и също става електронeутрален. Тъй като в общия случай анионите са атомни групи, а не отделни атоми, какво точно ще се случи след тяхното електро-неутрализиране на анода зависи от конкретния случай. Важното в случая е да се знае, кое е веществото, което се отделя на анода. Друг важен момент, който не трябва да се пропуска е, че водата макар и слаб електролит също е дисоциирана в известна степен и нейните йони
също присъстват в разтвора наред с йоните на разтвореното вещество. При наличието на няколко възможни реакции (напр. няколко различни вида катиони в разтвора), на катода протича първо процесът с по-висок (по-положителен) електроден потенциал. При анода е обратното. Там протича първо процесът с по-нисък (по-отрицателен) потенциал.
От казаното дотук може да се направи един много важен извод, който има
основно значение при пресмятането на енергийните разходи на конкретна
електролиза. За да се отделят определени количества вещества на анода и като-
да през електролита трябва да премине точно определено количество електричество. Нито повече, нито по-малко. Колко голям е този специфичен разход е дефинирано от Майкъл Фарадей и е изведено в закон. Законът за електролизата гласи:
"При протичането през електролит на количество електричество, равно на 96486,7
кулона, на анода и на катода се отделят по един-грам еквивалент вещество."
(Един грам-еквивалент от дадено вещество е равен на атомното тегло на веществото, разделено на неговата валентност и се измерва в грамове.) Това количество електричество е равно на 26,8 ампер-часа. Тъй като количеството електричество зависи само от големината на тока, но не и от напрежението, при равни други условия, очевидно е, че колкото при по-ниско напрежение се извършва електролизата, толкова специфичният разход на електроенергия е по-нисък.
(Нали, разходът на електроенергия е произведението от напрежение, ток и време.)
За съжаление, има долна граница на напрежението, под която електролизата спира. Причина за това са електродните потенциали. Електроден потенциал е потенциалът между дадено електро-неутрално вещество и неговите йони. Големината на даден електроден потенциал се изчислява по уравнение изведено от Нернст.
Р = Ро + RT lnC/nF
където Р е търсеният електроден потенциал
Ро - стандартния електроден потенциал за дадения йон
R - газовата константа,
T – абсолютната температура,
F – числото на Фарадей,
n – зарядът на дадения йон,
C - концентрацията на дадения йон в разтвора.
Стандартните електродни потенциали също могат да се пресметнат, но не е необходимо, защото могат да се вземат наготово от справочник по физикохимия, раздел "Електрохимия".
За да започне електролизата, трябва да се преодолее разликата между електродните потенциали на катионите и анионите. Минимално ниското напрежение, при което все още е възможна електролиза на дадено вещество се нарича разложително напрежение и се определя по теоретичен път. Например, за водата то е 1,23 V. На практика, това напрежение е по-високо, защото с напредване на електролизата, тя поражда процеси, които я възпрепятстват. Разликата между изчисленото разложително напрежение и действителното минимално възможно се нарича пренапрежение. Например, съвременните електролизатори на вода работят с напрежение 2,3 V
на клетка.
Пренапрежението е функция на много фактори. Например, то зависи от електрохимичната поляризация на електродите, материала на електродите, концентрацията, температурата, плътността на тока и др. Когато говорим за разлагане на вода, най-добрата комбинация на електроди в това отношение е платинов (платиниран) катод и никелов (никелиран) анод. Пренапрежението нараства с нарастването на плътността на тока.
Може да се пресметне колко ще бъде минималния разход на електроенергия за добива на един грам-еквивалент водород, който се равнява на 1 грам водород.
Трябва ампер-часовете (26,8 Ah) да се умножат с постигнатото минимално възможно напрежение. (Постигнатото минимално напрежение е 1,65 V при максимално добро съчетание на материал за електродите, температура на процеса, спомагателни вещества и максимално добро разбъркване на електролита)
1,65 * 26,8 = 44,22 Wh = 159,2 kJ
Тъй като молекулата на водорода е двуатомна, за добива на 1 грам-мол (2 g) водород ще са необходими 88,44 Wh електроенергия, които се равняват на 318,4 kJ.
От друга страна, при изгарянето на 1 грам-мол водород се отделят 286 kJ
топлина, които са приблизително 90% от вложената електроенергия.
Както може да се види, и дума не може да става за получаване на по-голяма от
вложената енергия.
Сега, малко информация за феновете на захранените с импулсно напрежение
електролизни инсталации.
Изследванията показват, че още с пускането на инсталация за електролиза,
минимално допустимото напрежение, при което се извършва електролизата, започва да нараства - по-бързо през първите 12 до 24 часа от пускането, после със забавени темпове още 3 - 4 денонощия и достига до стойност, която по-нататък в продължение на месеци не се променя. Максималното нарастване е от порядъка на 0,1 V.
(Много малко за да се отрази съществено при решаването дали работа на електролизната инсталация да бъде със или без прекъсвания.) Кратковременните изключвания на инсталацията, в продължение на няколко секунди не влияе на големината на минимално допустимото напрежение. При изключване за по-продължително време с деполяризация на електролизните клетки и последващо пускане, минимално допустимото напрежение отново тръгва от изходна позиция и нараства в продължение на 4 - 5 денонощия т. е., електролизната инсталация повтаря поведението си от първоначалното и пускане.
Изводът, който може да се направи е, че захранването на електролизна инстала-
ция с импулсно напрежение, особено с висока честота, по никакъв начин няма да
подобри нейната ефективност.
P.S. Накратко, това исках да споделя с почитателите на електролизата на вода и
дано изложеното по-горе ги предпази от необоснован ентусиазъм. Процесът
електролиза и особено на вода е много добре изучен и вероятно няма нещо,
за което да се сетите и то да не е вече изпробвано. Има и много сериозна
литература по въпроса, стига някой истински да се интересува от това. Ако
някой от четящите, поиска допълнителна информация, доколкото разполагам
с нея, ще я получи.
