Ηλεκτρόλυση νερού για παραγωγή Η2 και Ο2
Οι άνοδοι τιτανίου, τα βασικά μέρη του ηλεκτρολυτικού εξοπλισμού υδρογόνου και οξυγόνου, έχουν σταθερή ποιότητα, είναι φιλικές προς το περιβάλλον και δεν έχουν δευτερογενή ρύπανση, χαμηλή υπερδυναμική, καλή επίδραση εξοικονόμησης ενέργειας και μπορούν να εξοικονομήσουν 15-20% της ενέργειας. Υπάρχουν πλάκες, πλέγματα, σχήματα σωλήνων και ειδικά διαμορφωμένα μέρη.
1. Πρόοδος της έρευνας για την παραγωγή υδρογόνου με ηλεκτρόλυση νερού Η παραγωγή υδρογόνου με ηλεκτρόλυση νερού είναι ένα σημαντικό μέσο για την επίτευξη βιομηχανικής και χαμηλού κόστους παρασκευής του H2 και μπορεί να παράγει προϊόντα με καθαρότητα 99% έως 99,9%. Κάθε χρόνο, η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας της χώρας μου για παραγωγή υδρογόνου με ηλεκτρόλυση νερού φτάνει πάνω από (1,5×107) kW·h. Όταν διέρχεται ρεύμα μεταξύ των ηλεκτροδίων, παράγεται υδρογόνο στην κάθοδο, οξυγόνο παράγεται στην άνοδο και το νερό ηλεκτρολύεται [2]. Το βασικό μέρος του εξοπλισμού παραγωγής υδρογόνου ηλεκτρόλυσης νερού είναι το ηλεκτρολυτικό στοιχείο και το υλικό του ηλεκτροδίου είναι το κλειδί για το ηλεκτρολυτικό στοιχείο. Η ποιότητα της απόδοσης του ηλεκτροδίου καθορίζει σε μεγάλο βαθμό την τάση του στοιχείου και την κατανάλωση ενέργειας της ηλεκτρόλυσης νερού και επηρεάζει άμεσα το κόστος. Η απόδοση της παροχής ηλεκτρικής ενέργειας για την αποσύνθεση του νερού για την παραγωγή υδρογόνου είναι γενικά 75% έως 85%. Η διαδικασία είναι απλή και χωρίς ρύπανση, αλλά η κατανάλωση ενέργειας είναι μεγάλη, επομένως η εφαρμογή της υπόκειται σε ορισμένους περιορισμούς. Η ηλεκτρόλυση του νερού πραγματοποιείται σε ένα ηλεκτρολυτικό στοιχείο, το οποίο είναι γεμάτο με ηλεκτρολύτη και χωρίζεται σε θάλαμο ανόδου και θάλαμο καθόδου με ένα διάφραγμα. Σε κάθε θάλαμο τοποθετούνται ηλεκτρόδια. Δεδομένου ότι το νερό έχει πολύ χαμηλή αγωγιμότητα, χρησιμοποιείται ένα υδατικό διάλυμα (συγκέντρωση περίπου 15%) με ηλεκτρολύτη. Όταν το ρεύμα διέρχεται μεταξύ των ηλεκτροδίων σε μια ορισμένη τάση, παράγεται υδρογόνο στην κάθοδο και οξυγόνο στην άνοδο, επιτυγχάνοντας έτσι ηλεκτρόλυση νερού. Θεωρητικά, τα μέταλλα πλατίνας είναι τα πιο ιδανικά μέταλλα για ηλεκτρόδια ηλεκτρόλυσης νερού, αλλά στην πράξη, τα επινικελωμένα ηλεκτρόδια σιδήρου χρησιμοποιούνται συχνά για τη μείωση του κόστους εξοπλισμού και παραγωγής. Όταν το νερό ηλεκτρολύεται, ο τύπος της αντίδρασης του ηλεκτροδίου έχει ως εξής [3]. Σε όξινο διάλυμα, αντίδραση καθόδου: 4H++4e=2H2∏=0V αντίδραση ανόδου: 2H2O =4H++O2+4e∏ =1.23V Σε αλκαλικό διάλυμα, αντίδραση καθόδου: 4H2O +4e=2H2+4OH∏=-0.828V Αντίδραση ανόδου: 4OH-=2 H2O+O2+4e∏{=0.401V Όπως φαίνεται από τον παραπάνω τύπο, η συνολική αντίδραση της ηλεκτρόλυσης του νερού είναι η εξής, είτε σε όξινο είτε σε αλκαλικό διάλυμα. 2H2O=2H2+O2 Η θεωρητική τάση αποσύνθεσης του νερού δεν έχει καμία σχέση με την τιμή του pH, επομένως όξινα ή αλκαλικά διαλύματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ηλεκτρολύτες. Ωστόσο, από την άποψη της δομής των ηλεκτρολυτικών στοιχείων και της επιλογής υλικού, η χρήση όξινων διαλυμάτων είναι επιρρεπής σε διάφορα σφάλματα. Ως εκ τούτου, τα αλκαλικά διαλύματα χρησιμοποιούνται πλέον στη βιομηχανία.
(1) Παραδοσιακή τεχνολογία αλκαλικής ηλεκτρόλυσης Η ηλεκτρόλυση αλκαλικού νερού είναι επί του παρόντος μια κοινή και ώριμη μέθοδος παρασκευής υδρογόνου. Αυτή η μέθοδος δεν απαιτεί υψηλό εξοπλισμό και η επένδυση συγκεντρώνεται κυρίως στον εξοπλισμό. το παραγόμενο υδρογόνο είναι υψηλής καθαρότητας, αλλά η απόδοση δεν είναι πολύ υψηλή. Η διαδικασία είναι επίσης σχετικά φιλική προς το περιβάλλον και χωρίς ρύπανση, αλλά καταναλώνει πολύ ηλεκτρική ενέργεια και επομένως υπόκειται σε ορισμένους περιορισμούς. Η πίεση της ηλεκτρόλυσης νερού στη βιομηχανία είναι γενικά μεταξύ 1,65 και 2,2 V. Η διάρκεια ζωής του υλικού ηλεκτροδίου και η κατανάλωση ενέργειας της ηλεκτρόλυσης νερού είναι βασικοί παράγοντες για την αξιολόγηση της ποιότητας των υλικών ηλεκτροδίων ηλεκτρόλυσης αλκαλικού νερού. Όταν η πυκνότητα ρεύματος δεν είναι μεγάλη, ο κύριος παράγοντας που επηρεάζει είναι το υπερδυναμικό. Όταν η πυκνότητα του ρεύματος αυξάνεται, η πτώση τάσης υπερδυναμικού και αντίστασης γίνονται οι κύριοι παράγοντες κατανάλωσης ενέργειας. Σε πρακτικές εφαρμογές, τα βιομηχανικά ηλεκτρόδια πρέπει να έχουν τα ακόλουθα χαρακτηριστικά [3]: (1) μεγάλη επιφάνεια. (2) υψηλή αγωγιμότητα? (3) καλή ηλεκτροκαταλυτική δραστηριότητα. (4) μακροπρόθεσμη μηχανική και χημική σταθερότητα. (5) βροχόπτωση μικρής φυσαλίδας. (6) υψηλή επιλεκτικότητα. (7) εύκολο στην απόκτηση και χαμηλό κόστος. (8) ασφάλεια. Η ηλεκτρόλυση νερού απαιτεί συχνά μεγαλύτερη πυκνότητα ρεύματος (πάνω από 4000 A/m2), επομένως τα σημεία 2 και 4 είναι πιο σημαντικά. Επειδή η υψηλή αγωγιμότητα μπορεί να μειώσει την απώλεια ενέργειας που προκαλείται από την ωμική πόλωση, η υψηλή σταθερότητα εξασφαλίζει τη μεγάλη διάρκεια ζωής των υλικών ηλεκτροδίων. Τα σχ. 1 και 3 είναι οι απαιτήσεις για τη μείωση του υπερδυναμικού της έκλυσης υδρογόνου και οξυγόνου και είναι επίσης σημαντικοί δείκτες για την αξιολόγηση της απόδοσης των ηλεκτροδίων.
(2) Τεχνολογία ηλεκτρόλυσης νερού στερεού πολυμερούς ηλεκτρολύτη SPE Δεδομένου ότι ο ηλεκτρολύτης με υγρό ως ηλεκτρολύτη έχει χαμηλή απόδοση, δεν είναι βολικός στην κίνηση και συχνά απαιτεί συντήρηση, οι άνθρωποι αναζητούν ενεργά νέους ηλεκτρολύτες, γεγονός που ώθησε την ανάπτυξη και την έρευνα εφαρμογής στερεού πολυμερούς ηλεκτρολύτης (SPE), γνωστός και ως μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (PEM). Επί του παρόντος, ο ηλεκτρολύτης χρησιμοποιεί ως ηλεκτρολύτη στερεή μεμβράνη υπερφθοροσουλφονικού οξέος Nafion. Το ηλεκτρόδιο χρησιμοποιεί πολύτιμα μέταλλα ή οξείδια τους με υψηλή καταλυτική απόδοση, τα οποία γίνονται σε μορφή σκόνης με μεγάλη ειδική επιφάνεια και συγκολλούνται και πιέζονται και στις δύο πλευρές της μεμβράνης Nafion χρησιμοποιώντας τεφλόν για να σχηματιστεί ένας σταθερός συνδυασμός μεμβράνης και ηλεκτροδίου.
(3) Διαδικασία ηλεκτρόλυσης ατμού υψηλής θερμοκρασίας Μια άλλη μέθοδος παραγωγής υδρογόνου με ηλεκτρόλυση νερού είναι η ηλεκτρόλυση ατμού υψηλής θερμοκρασίας. Αυτή είναι μια μέθοδος που προέρχεται από κυψέλες καυσίμου στερεού οξειδίου. Ο θάλαμος ηλεκτρόλυσης χρησιμοποιεί γενικά το Y2O3-σταθεροποιημένο ZrO2 ως ηλεκτρολύτη. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο χαμηλότερη είναι η αντίσταση. Ωστόσο, από την άποψη της θερμικής αντίστασης του υλικού, το ανώτερο όριο θερμοκρασίας είναι κατά προτίμηση 1000 μοίρες. Συνήθως, ως κάθοδος χρησιμοποιείται ένα μικτό πυροσυσσωματωμένο σώμα νικελίου και κεραμικού και ως άνοδος χρησιμοποιείται ένα αγώγιμο σύνθετο οξείδιο ασβεστίου τιτανίου.
2. Ανάπτυξη βιολογικής παραγωγής υδρογόνου Το θέμα της χρήσης μικροοργανισμών για την παραγωγή υδρογόνου έχει μελετηθεί εδώ και δεκαετίες. Στη δεκαετία του 1930, αναφέρθηκε η πρώτη αναφορά βακτηριακής σκοτεινής ζύμωσης για παραγωγή υδρογόνου. Στη συνέχεια, το 1942, οι Gaffron και Rubin ανέφεραν ότι τα πράσινα φύκια χρησιμοποιούσαν φωτεινή ενέργεια για την παραγωγή υδρογόνου και το 1949, οι Gest και Kamen ανακάλυψαν φωτοτροφικά βακτήρια που παράγουν υδρογόνο. Ο Spruit επιβεβαίωσε το 1958 ότι τα φύκια μπορούν να παράγουν υδρογόνο μέσω άμεσης φωτόλυσης χωρίς την ανάγκη στερέωσης διοξειδίου του άνθρακα. Η έρευνα του Healy (1970) έδειξε ότι όταν η ένταση του φωτός είναι πολύ υψηλή, η διαδικασία παραγωγής υδρογόνου του Chlamydomonas moewsuii θα ανασταλεί λόγω της παραγωγής οξυγόνου. Κατά τη διάρκεια της ενεργειακής κρίσης της δεκαετίας του 1970, έγιναν πολλές έρευνες για την παραγωγή βιοϋδρογόνου σε όλο τον κόσμο. Ο Thauer επεσήμανε το 1976 ότι η σκοτεινή ζύμωση ήταν δύσκολο να εφαρμοστεί στην πραγματική παραγωγή επειδή μπορούσε να παράγει μόνο 4 mol υδρογόνου και 2 mol οξικού οξέος από 1 mol γλυκόζης το πολύ. Τα φωτοτροφικά βακτήρια μπορούν να μετατρέψουν πλήρως υποστρώματα όπως τα οργανικά οξέα σε υδρογόνο, επομένως από τότε, η έρευνα για την παραγωγή βιοϋδρογόνου επικεντρώθηκε βασικά στη φωτοζύμωση. Στις αρχές της δεκαετίας του 1980, η υποστήριξη για τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας σε προγράμματα έρευνας και ανάπτυξης (R&D) σε όλο τον κόσμο σταδιακά μειώθηκε. Στις αρχές της δεκαετίας του 1990, τα περιβαλλοντικά προβλήματα γίνονταν ολοένα και πιο σοβαρά και η προσοχή των ανθρώπων επικεντρώθηκε στην εναλλακτική ενέργεια. Με την υποστήριξη της Ε&Α παραγωγής βιοϋδρογόνου στη Γερμανία, την Ιαπωνία και τις Ηνωμένες Πολιτείες, το πεδίο των φυκών που χρησιμοποιούν φωτεινή ενέργεια για την παραγωγή υδρογόνου από νερό έχει μελετηθεί ευρέως. Ωστόσο, η συνολική απόδοση μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε αυτή τη διαδικασία εξακολουθεί να είναι πολύ χαμηλή. Από την άλλη πλευρά, η σκοτεινή ζύμωση και τα φωτοτροφικά βακτήρια μπορούν να παράγουν υδρογόνο από υποστρώματα χαμηλού κόστους ή οργανικά απόβλητα. Δεδομένου ότι μπορεί να παράγει καθαρή ενέργεια και να επεξεργάζεται οργανικά απόβλητα, οι κυβερνήσεις των ΗΠΑ και της Ιαπωνίας έχουν υποστηρίξει αρκετά μακροπρόθεσμα ερευνητικά προγράμματα. Αναμένεται ότι η πρακτική εφαρμογή της τεχνολογίας παραγωγής βιοϋδρογόνου θα πραγματοποιηθεί στα μέσα του 21ου αιώνα. Έχει περάσει περισσότερο από μισός αιώνας από την ανακάλυψη της μικροβιακής παραγωγής υδρογόνου, αλλά η παραγωγή βιοϋδρογόνου δεν έχει εφαρμοστεί στην πράξη. Πολλά τεχνικά προβλήματα, όπως ο έλεγχος μικροοργανισμών, ο σχεδιασμός των αντιδραστήρων και η βελτιστοποίηση των συνθηκών λειτουργίας, μένουν να επιλυθούν και το κόστος αυτής της τεχνολογίας έχει επίσης λάβει προσοχή. Από οικονομική άποψη, η τεχνολογία παραγωγής βιοϋδρογόνου δεν μπορεί να ανταγωνιστεί την παραδοσιακή τεχνολογία παραγωγής χημικού υδρογόνου στο εγγύς μέλλον. Ωστόσο, από την άποψη της προστασίας του περιβάλλοντος, οι προοπτικές για την παραγωγή βιοϋδρογόνου θα είναι πολύ ευρείες. Η παραγωγή βιοϋδρογόνου περιλαμβάνει: φωτοσυνθετικό σύστημα παραγωγής βιοϋδρογόνου (γνωστό και ως σύστημα παραγωγής υδρογόνου απευθείας βιοφωτόλυσης). σύστημα παραγωγής βιοϋδρογόνου φωτόλυσης (γνωστό και ως σύστημα παραγωγής υδρογόνου έμμεσης βιοφωτόλυσης). φωτοσυνθετικά ετερότροφα βακτήρια αντίδραση μετατροπής αερίου νερού σύστημα παραγωγής υδρογόνου. σύστημα παραγωγής βιοϋδρογόνου φωτοζύμωσης; σύστημα παραγωγής βιοϋδρογόνου με αναερόβια ζύμωση (γνωστό και ως σύστημα παραγωγής βιοϋδρογόνου σκοτεινής ζύμωσης). υβριδικό σύστημα παραγωγής βιοϋδρογόνου φωτοσύνθεσης-ζύμωσης. in vitro σύστημα παραγωγής βιοϋδρογόνου υδρογονάσης κ.λπ. Η ενέργεια του υδρογόνου είναι μια καθαρή και υψηλής θερμιδικής αξίας πηγή ενέργειας. Η χρήση ανανεώσιμων πηγών νερού στη φύση για την παραγωγή υδρογόνου είναι αναμφίβολα η προτιμώμενη μέθοδος για την ανθρωπότητα στο μέλλον.
Μετά από περισσότερο από μισό αιώνα έρευνας, αν και η παραγωγή υδρογόνου με ηλεκτρόλυση νερού και η τεχνολογία παραγωγής βιο-υδρογόνου έχουν σημειώσει μεγάλη πρόοδο, βρίσκονται ακόμη βασικά στο στάδιο ανάπτυξης και δεν έχουν ακόμη τεθεί σε πρακτική χρήση. Διάφοροι περιοριστικοί παράγοντες όπως η χαμηλή απόδοση μετατροπής ηλιακής ενέργειας, η υψηλή κατανάλωση ενέργειας από την παραγωγή υδρογόνου με ηλεκτρόλυση νερού, η αναστολή του προϊόντος, οι συνθήκες λειτουργίας κ.λπ. καθιστούν τον ρυθμό παραγωγής υδρογόνου των υπαρχόντων συστημάτων παραγωγής υδρογόνου όχι αρκετά υψηλό ή μη οικονομικό, και πολλά άλλα σημεία συμφόρησης χρειάζονται να διασπαστεί περαιτέρω. Προκειμένου να μειώσουμε περαιτέρω το κόστος παραγωγής και να επεκτείνουμε την αποδοτικότητα της παραγωγής, θα προετοιμαστούμε για μελλοντικές εμπορικές δραστηριότητες.
Εταιρεία: Baoji Dynamic Trading Co., Ltd
Χώρα: Κίνα
Προσθήκη: Δρόμος Baoti, Jintai, πόλη Baoji, Shaanxi, Κίνα
Cel:+86 18391894207(WHATSAPP)
Gmail:alisa@jmyunti.com
Ιστοσελίδα: www.jm-titanium.com
