1. طريقة الإنتاج الصناعي للهيدروجين
في الصناعة، تُستخدم الطرق التالية عادةً لإنتاج الهيدروجين؛ إحداها تمرير بخار الماء عبر فحم الكوك الساخن (طريقة اختزال الكربون) للحصول على الهيدروجين بنقاء حوالي 75٪؛ والأخرى هي تمرير بخار الماء عبر الحديد الساخن للحصول على نقاء الطريقة الثالثة هي استخراج الهيدروجين من غاز الماء، ونقاء الهيدروجين الناتج منخفض أيضًا؛ والطريقة الرابعة هي طريقة التحليل الكهربائي للماء، ويمكن أن تصل نقاء الهيدروجين الناتج إلى 99٪ أو أكثر. هذه طريقة لإعداد الهيدروجين في الصناعة. طريقة مهمة. أثناء التحليل الكهربائي لمحلول هيدروكسيد الصوديوم (البوتاسيوم)، يتم إطلاق الأكسجين عند الأنود ويتم إطلاق الهيدروجين عند الكاثود. يمكن أيضًا الحصول على الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي لمحلول كلوريد الصوديوم المائي لإنتاج هيدروكسيد الصوديوم.
2. المبادئ الكيميائية لإنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للماء
التحليل الكهربائي هو عملية تحلل الإلكتروليتات المذابة في الماء إلى مواد جديدة بمساعدة التيار المستمر. عندما يمر التيار المستمر في بعض المحاليل المائية للإلكتروليتات، فإن المواد المتحللة لا علاقة لها بالإلكتروليت الأصلي. ما يتحلل هو الماء كمذيب، ويبقى الإلكتروليت الأصلي في الماء. على سبيل المثال، حمض الكبريتيك، هيدروكسيد الصوديوم، هيدروكسيد البوتاسيوم، إلخ، كلها تنتمي إلى هذا النوع من الإلكتروليتات.
عند تحليل الماء بالكهرباء، نظرًا لأن الماء النقي يتأين بدرجة قليلة جدًا وله موصلية منخفضة، فهو عبارة عن إلكتروليت ضعيف نموذجي. لذلك، يجب إضافة الإلكتروليتات المذكورة أعلاه لزيادة موصلية المحلول حتى يمكن تحليل الماء بالكهرباء بسلاسة إلى هيدروجين وأكسجين. لن يتم تحليل الإلكتروليتات مثل هيدروكسيد البوتاسيوم بالكهرباء. دعنا نأخذ هيدروكسيد البوتاسيوم كمثال:
(1) هيدروكسيد البوتاسيوم عبارة عن إلكتروليت قوي، وعند إذابته في الماء تحدث عملية التأين التالية:
KOH - K٪2btenOH-
ونتيجة لذلك، تم إنتاج كمية كبيرة من K+ وOH- في المحلول المائي.
(2) تختلف تفاعلية الأيونات المعدنية في المحاليل المائية، ويمكن ترتيبها حسب تفاعليتها على النحو التالي:
K>Na>Mg>Al>Mn>Zn>Fe>Ni>Sn>Pb>H>Cu>Hg>Ag>اوو
في الترتيب أعلاه، يبدو المعدن الموجود في المقدمة أكثر حيوية من المعدن الموجود في الخلف.
(3) في ترتيب نشاط المعدن، كلما كان المعدن أكثر نشاطًا، كان من السهل فقدان الإلكترونات، وإلا فإن العكس هو الصحيح. من وجهة نظر النظرية الكهروكيميائية، فإن الأيونات المعدنية التي يمكنها الحصول على الإلكترونات بسهولة لها جهد قطبي مرتفع، بينما الأيونات المعدنية التي تحتل المرتبة الأولى في ترتيب النشاط يصعب عليها الحصول على الإلكترونات وتتحول إلى ذرات بسبب جهدها القطبي المنخفض. جهد القطب لأيونات الهيدروجين هو -1.71 فولت، بينما جهد القطب لأيونات البوتاسيوم هو -2.66 فولت. لذلك، عندما توجد أيونات الهيدروجين وأيونات البوتاسيوم في المحلول المائي في نفس الوقت، ستحصل أيونات الهيدروجين أولاً على الإلكترونات على الكاثود وتصبح غاز الهيدروجين، وتبقى أيونات البوتاسيوم في المحلول.
(4) الماء عبارة عن إلكتروليت ضعيف ويصعب تأينه، فعندما يذوب هيدروكسيد البوتاسيوم في الماء، تحيط جزيئات الماء القطبية بأيونات البوتاسيوم المتأينة وتصبح أيونات بوتاسيوم مائية. إن عمل أيونات البوتاسيوم يجعل جزيئات الماء ذات اتجاه قطبي. وتحت تأثير التيار المستمر، تتحرك أيونات البوتاسيوم والجزيئات المائية ذات الاتجاهات القطبية نحو الكاثود. في هذا الوقت، تكتسب أيونات الهيدروجين أولاً الإلكترونات وتصبح غاز الهيدروجين. لذلك، في عملية التحليل الكهربائي باستخدام هيدروكسيد البوتاسيوم كإلكتروليت، يتم تحليل الماء فعليًا لإنتاج الهيدروجين والأكسجين، بينما يلعب هيدروكسيد البوتاسيوم دور حمل الشحنات فقط.
3. جهد التحليل الكهربائي
عند تحليل الماء بالكهرباء، يجب أن يكون جهد التيار المستمر المطبق على الخلية الكهربية أكبر من جهد التحلل النظري للماء من أجل التغلب على انخفاضات جهد المقاومة المختلفة والقوة الدافعة الكهربائية لاستقطاب القطب في الخلية الكهربية. القوة الدافعة الكهربائية لاستقطاب القطب هي مجموع الجهد الزائد عندما يترسب الهيدروجين عند الكاثود والجهد الزائد عندما يترسب الأكسجين عند الأنود. لذلك، يمكن التعبير عن جهد التحليل الكهربائي للماء U على النحو التالي: U=U0+IR+الجهد الزائد للهيدروجين+الجهد الزائد للأكسجين
في الصيغة، U0-- جهد التحلل النظري للماء، V؛
تيار التحليل الكهربائي، أ
R--المقاومة الكلية للخلية الكهربية، Ω
من منظور استهلاك الطاقة، يجب تقليل جهد التحليل الكهربائي قدر الإمكان. تشمل العوامل التي تؤثر على جهد التحليل الكهربائي بشكل أساسي الجوانب الثلاثة التالية:
(1) جهد التحلل النظري (حوالي 1.23 فولت عند 0.1 ميجا باسكال و 25 درجة)، والذي يتناقص مع زيادة درجة الحرارة ويزداد مع زيادة الضغط. لكل 10 أضعاف زيادة في الضغط، يزداد الجهد بحوالي 43 مللي فولت.
(2) الجهد الزائد للهيدروجين والأكسجين. هناك العديد من العوامل التي تؤثر على الجهد الزائد للهيدروجين والأكسجين. أولاً وقبل كل شيء، فإن مادة القطب وحالة سطح القطب لهما تأثير أكبر عليه. على سبيل المثال، الجهد الزائد للهيدروجين في الحديد والنيكل أقل من الجهد الزائد للرصاص والزنك والزئبق وما إلى ذلك، والجهد الزائد للأكسجين في الحديد والنيكل يتجاوز الجهد الزائد للرصاص والزنك والزئبق. الجهد أيضًا أقل من الرصاص. كلما كانت مساحة التلامس مع الإلكتروليت أكبر أو كان سطح القطب أكثر خشونة، كلما كان الجهد الزائد للهيدروجين والأكسجين الناتج أصغر. ثانيًا، مع زيادة كثافة التيار أثناء التحليل الكهربائي، سيزداد الجهد الزائد وفقًا لذلك، كما أن ارتفاع درجة الحرارة سيؤدي أيضًا إلى زيادة الجهد الزائد. بالإضافة إلى ذلك، يرتبط الجهد الزائد أيضًا بعوامل مثل طبيعة وتركيز الإلكتروليت والشوائب في المحلول. على سبيل المثال، على قطب النيكل، يكون الجهد الزائد للأكسجين في المحلول المخفف أكبر من الجهد الزائد في المحلول المركز.
من أجل تقليل الجهد الزائد للهيدروجين والأكسجين، يمكن اعتماد بعض الطرق. مثل زيادة درجة حرارة التشغيل واستخدام مواد القطب المناسبة. بالإضافة إلى ذلك، فإن زيادة مساحة السطح الفعلية للقطب بشكل مناسب أو خشونة سطح القطب يمكن أن تقلل من مقاومة القطب والجهد الزائد بدرجات متفاوتة، وبالتالي تحقيق الغرض من تقليل جهد التشغيل.
(3) انخفاض جهد المقاومة. تشمل المقاومة الكلية في الخلية الكهروليتية مقاومة الإلكتروليت ومقاومة الحجاب الحاجز ومقاومة القطب ومقاومة التلامس، ومن بينها العاملان الأولان هما العاملان الرئيسيان. يعتمد انخفاض جهد مقاومة الحجاب الحاجز على سمك وخصائص المادة. باستخدام غشاء الأسبستوس العام، عندما تكون كثافة التيار 2400A/m2، يكون انخفاض الجهد على مقاومة الحجاب الحاجز حوالي 0.25-0.30V. عندما تزداد كثافة التيار مرة أخرى، سيزداد انخفاض الجهد إلى حوالي 0.5V. كلما زادت موصلية الإلكتروليت، كلما كان انخفاض الجهد في الإلكتروليت أصغر. بالنسبة للإلكتروليت، بالإضافة إلى وجود قيمة مقاومة صغيرة، فمن المطلوب أيضًا ألا يتحلل تحت جهد التحليل الكهربائي؛ لا يهرب مع الهيدروجين والأكسجين بسبب التطاير؛ لا يسبب تآكلًا لمواد الخلية الكهروليتية؛ عندما تتغير قيمة الرقم الهيدروجيني للحل، يجب أن يكون له أداء تخزين مؤقت معين.
تتحلل معظم الإلكتروليتات بسهولة أثناء التحليل الكهربائي ولا ينبغي استخدامها عند التحليل الكهربائي للماء. يولد حمض الكبريتيك حمض البيروسلفوريك والأوزون عند الأنود، وهو تآكلي للغاية ولا ينبغي استخدامه. يمكن للقلويات القوية تلبية المتطلبات المذكورة أعلاه، لذلك يتم استخدام محلول مائي KOH أو NaOH بشكل عام كإلكتروليت في الصناعة. يتمتع KOH بموصلية كهربائية أفضل من NaOH، ولكنه أكثر تكلفة. عند درجات الحرارة الأعلى، يكون تأثيره التآكلي على الخلية الكهروليتية أقوى من تأثير NaOH. في الماضي، كان NaOH يستخدم غالبًا كإلكتروليت في بلدنا. ومع ذلك، نظرًا لحقيقة أن مواد الخلية الكهروليتية الحالية مقاومة بالفعل لتآكل KOH، من أجل توفير الطاقة الكهربائية، كان هناك اتجاه عام لاستخدام محلول KOH كإلكتروليت. بالإضافة إلى ذلك، أثناء عملية التحليل الكهربائي للماء، سيحتوي الإلكتروليت على فقاعات هيدروجين وأكسجين تترسب باستمرار، مما يزيد من مقاومة الإلكتروليت. تُسمى النسبة المئوية لحجم الفقاعات في الإلكتروليت إلى حجم الإلكتروليت بما في ذلك الفقاعات بمحتوى الغاز في الإلكتروليت. يرتبط محتوى الغاز بكثافة التيار أثناء التحليل الكهربائي، ولزوجة الإلكتروليت، وحجم الفقاعات، وضغط العمل وبنية الخلية الكهربائية وعوامل أخرى. ستؤدي زيادة سرعة الدورة وضغط العمل في الإلكتروليت إلى تقليل محتوى الغاز؛ ستؤدي زيادة كثافة التيار أو زيادة درجة حرارة العمل إلى زيادة محتوى الغاز. في المواقف الفعلية، تكون الفقاعات في الإلكتروليت حتمية، لذا ستكون مقاومة الإلكتروليت أكبر بكثير من عدم وجود فقاعات. عندما يصل محتوى الغاز إلى 35٪، تكون مقاومة الإلكتروليت ضعف ما كانت عليه عندما لا توجد فقاعات. يساعد تقليل جهد التشغيل في تقليل استهلاك الطاقة. لهذا السبب، يجب اتخاذ تدابير فعالة لتقليل الجهد الزائد للهيدروجين والأكسجين وانخفاض جهد المقاومة. بشكل عام، عندما يكون التيار صغيرًا، يكون الأول هو العامل الرئيسي؛ عندما يكون التيار كبيرًا، سيصبح الأخير هو العامل الرئيسي.
عندما تعمل الخلية الإلكتروليتية تحت ضغط عمل مرتفع، ينخفض محتوى الغاز في الإلكتروليت، وبالتالي يقلل من مقاومة الإلكتروليت. لهذا السبب، تم تطوير خلية إلكتروليتية يمكنها العمل تحت ضغط 3 ميجا باسكال. ومع ذلك، يجب ألا يكون مقياس ضغط العمل مرتفعًا جدًا، وإلا فإنه سيزيد من قابلية ذوبان الهيدروجين والأكسجين في الإلكتروليت، مما يتسبب في تجديد الماء من خلال الحجاب الحاجز، وبالتالي تقليل كفاءة التيار. يمكن أن تؤدي زيادة درجة حرارة التشغيل أيضًا إلى تقليل مقاومة الإلكتروليت، ولكن تآكل الإلكتروليت بواسطة الإلكتروليت سيشتد أيضًا. إذا كانت درجة الحرارة أكبر من 90 درجة، فإن الإلكتروليت سيتسبب في أضرار جسيمة لغشاء الأسبستوس وتشكيل سيليكات قابلة للذوبان في غشاء الأسبستوس. ولتحقيق هذه الغاية، تم تطوير مجموعة متنوعة من مواد الحجاب الحاجز للتآكل في درجات الحرارة العالية، مثل صفائح مسحوق النيكل ومواد الحجاب الحاجز المرتبطة بألياف تيتانات البوتاسيوم والبولي تترافلورو إيثيلين، والتي يمكن استخدامها في المحاليل القلوية عند 150 درجة. ومن أجل تقليل مقاومة الإلكتروليت، يمكن أيضًا اعتماد كثافة التيار للخلية الكهروليتية، ويمكن تسريع سرعة دوران الإلكتروليت، ويمكن تقليل المسافة بين الأقطاب الكهربائية بشكل مناسب.