Одним из многочисленных физико-химических процессов, нашедших широкое применение, как в промышленности, так и в быту, является электролиз – выделение на поверхностях подключенных к источнику тока электродов, помещенных в раствор или расплав, их составляющих (чистого металла – алюминия меди, газа и т.д.). Основной установкой, внутри которой протекает данный процесс, является электролизер.
Электролизер
Что такое электролизер
Электролизер – это специальная установка, применяемая для выделения из раствора или расплава его составляющих.
Основными характеристиками электролизера являются:
- Рабочее напряжение для одного электрода колеблется в интервале от 1,8 до 2,0 В;
- Сила тока – для нормального протекания процесса электролиза на электроды подают ток с значением данной характеристики от 5 до 10 А;
- Количество электродов – минимальное количество электродов – 2, максимальное ограничивается размерами самой установки и ее предназначением;
- Габариты электродов – в качестве электродов используют не угольные стержни, а металлические пластины, размер которых определяется предназначением установки, вольт-амперной характеристикой подаваемого на пластины тока;
- Расстояние между разноименно заряженными поверхностями электродов – минимальное расстояние между пластинами-электродами должно быть не менее 1,5 мм;
- Материал электрода – в современных электролизерах в качестве материала для анода и катода используют листовую нержавеющую сталь с добавкой никеля.
Также еще одной важной характеристикой электролизной установки является использование катализаторов.
Применяются такие установки для следующих целей:
- Получение гремучего газа, состоящего из смеси водорода и кислорода (газ Брауна);
- Выделение чистого алюминия, магния, цинка из расплавов их солей;
- Очистка воды от растворенных в ней солей и примесей;
- Нанесение на поверхность металлических деталей тонкого препятствующего коррозии слоя никеля, цинка;
- Обеззараживание пищевых продуктов;
- Очистка сточных вод от растворенных в них солей тяжелых металлов и других вредных веществ.
Важно! Платина-электрод из обычного железа применяется в электролизных установках реже, чем из нержавейки, так как оно быстрее окисляется и приходит в негодность.
Краткая теоретическая часть
Водород, он же hydrogen, – первый элемент таблицы Менделеева – представляет собой легчайшее газообразное вещество, обладающее высокой химической активностью. При окислении (то бишь, горении) выделяет огромное количество теплоты, образуя обычную воду. Охарактеризуем свойства элемента, оформив их в виде тезисов:
- Горение водорода – процесс экологически чистый, никаких вредных веществ не выделяется.
- Благодаря химической активности газ в свободном виде на Земле не встречается. Зато в составе воды его запасы неиссякаемы.
- Элемент добывается в промышленном производстве химическим способом, например, в процессе газификации (пиролиза) каменного угля. Зачастую является побочным продуктом.
- Другой способ получения газообразного водорода – электролиз воды в присутствии катализаторов – платины и прочих дорогих сплавов.
- Простая смесь газов hydrogen + oxygen (кислород) взрывается от малейшей искры, моментально высвобождая большое количество энергии.
Для справки. Ученые, впервые разделившие молекулу воды на hydrogen и oxygen, назвали смесь гремучим газом из-за склонности к взрыву. Впоследствии она получила название газа Брауна (по фамилии изобретателя) и стала обозначаться гипотетической формулой ННО.
Раньше водородом наполняли баллоны дирижаблей, которые нередко взрывались
Из вышесказанного напрашивается следующий вывод: 2 атома водорода легко соединяются с 1 атомом кислорода, а вот расстаются весьма неохотно. Химическая реакция окисления протекает с прямым выделением тепловой энергии в соответствии с формулой:
2H2 + O2 → 2H2O + Q (энергия)
Здесь кроется важный момент, который пригодится нам в дальнейшем разборе полетов: hydrogen вступает в реакцию самопроизвольно от возгорания, а теплота выделяется напрямую. Чтобы разделить молекулу воды, энергию придется затратить:
2H2O → 2H2 + O2 — Q
Это формула электролитической реакции, характеризующая процесс расщепления воды путем подведения электричества. Как это реализовать на практике и сделать генератор водорода своими руками, рассмотрим далее.
Устройство и принцип работы
Электролиз
Самая простейшая электролизная установка состоит из нескольких «ячеек», каждая из которых включает в себя:
- 2 пластинчатых электрода – катод (отрицательный) и анод (положительный);
- Резиновую прокладку, располагающуюся по периметру двух смежных разноименных электродов.
Крайние ячейки оснащаются специальными патрубками, через которые отводятся выделяющиеся газы.
Несколько соединенных между собой «ячеек» электролизной установки
Электролизер может содержать от 1 до 30-40 и более таких «ячеек», одноименные пластины которых подключены последовательно.
Важно! При использовании источников питания с переменным током дополнительно применяют выпрямители, самым простейшим из которых является диодный мост.
Работает такая установка следующим образом:
- В пространство между электродами заливают дистиллированную воду с растворенной в ней щелочью или обычной пищевой содой;
- От источника питания на электроды всех ячеек установки подается напряжение номиналом 1,8-2,0 В;
- В результате протекания процесса электролиза к отрицательно заряженному катоду притягиваются анионы (положительно заряженные ионы) растворенного в воде вещества, в результате чего на нем образуется тонкая пленка натрия;
- На положительно заряженном аноде происходит разрушение молекул воды, при этом из каждой образуется 2 атома водорода и 1 атом кислорода;
- Выделяющийся гремучий газ по отводным патрубкам попадает в предназначенную для него емкость.
Интенсивность процесса электролиза зависит от величины напряжения и силы тока – при малых значениях данных характеристик процесс протекать не будет. Если источник питания будет подавать ток со слишком большими значениями вольт-амперной характеристики, заливаемый в электролизер раствор будет сильно нагреваться и выкипать.
Создание опытного образца
Чтобы вы поняли, с чем имеете дело, для начала предлагаем собрать простейший генератор по производству водорода с минимальными затратами. Конструкция самодельной установки изображена на схеме.
Из чего состоит примитивный электролизер:
- реактор – стеклянная либо пластиковая емкость с толстыми стенками;
- металлические электроды, погружаемые в реактор с водой и подключенные к источнику электропитания;
- второй резервуар играет роль водяного затвора;
- трубки для отвода газа HHO.
Важный момент. Электролитическая водородная установка работает только от постоянного тока. Поэтому в качестве источника питания применяйте сетевой адаптер, автомобильное зарядное устройство или аккумулятор. Электрогенератор переменного тока не подойдет.
Принцип работы электролизера следующий:
- К двум электродам, погруженным в воду, подводится напряжение, желательно от регулируемого источника. Для улучшения реакции в емкость добавляется немного щелочи либо кислоты (в домашних условиях – обычной соли).
- В результате реакции электролиза со стороны катода, подключенного к «минусовой» клемме, станет выделяться водород, а возле анода – кислород.
- Смешиваясь, оба газа по трубке поступают в гидрозатвор, выполняющий 2 функции: отделение водяного пара и недопущение вспышки в реакторе.
- Из второй емкости гремучий газ ННО подается на горелку, где сжигается с образованием воды.
Чтобы своими руками сделать показанную на схеме конструкцию генератора, потребуется 2 стеклянных бутылки с широкими горлышками и крышками, медицинская капельница и 2 десятка саморезов. Полный набор материалов продемонстрирован на фото.
Из специальных инструментов потребуется клеевой пистолет для герметизации пластиковых крышек. Порядок изготовления простой:
- Плоские деревянные палочки скрутите саморезами, располагая их концами в разные стороны. Спаяйте головки шурупов между собой и подсоедините провода – получите будущие электроды.
- Проделайте отверстие в крышке, просуньте туда разрезанный корпус капельницы и провода, затем герметизируйте с 2 сторон клеевым пистолетом.
- Поместите электроды в бутылку и завинтите крышку.
- Во второй крышке просверлите 2 отверстия, вставьте трубки капельниц и накрутите на бутылку, заполненную обычной водой.
Для запуска генератора водорода налейте в реактор подсоленную воду и включите источник питания. Начало реакции ознаменуется появлением пузырьков газа в обеих емкостях. Отрегулируйте напряжение до оптимального значения и подожгите газ Брауна, выходящий из иглы капельницы.
Второй важный момент. Слишком высокое напряжение подавать нельзя — электролит, нагревшийся до 65 °С и более, начнет интенсивно испаряться. Из-за большого количества водяного пара разжечь горелку не удастся. Подробности сборки и запуска импровизированного водородного генератора смотрите на видео:
Виды электролизеров
Катод и анод
В зависимости от конструкции и принципа работы, различают электролизные установки 5 видов.
Сухие
Такие электролизеры состоят из пластинчатых электродов, разделенных между собой герметичными резиновыми прокладками. Часто «ячейки» установки дополнительно помещают в герметичный корпус.
Вырабатывающиеся в результате электролиза водород и кислород отводятся по специальным патрубкам, находящимся в торце корпуса или крайних пластин установки.
Проточные
Электролизные установки такого вида имеют следующее устройство:
- Электролизная ванна (корпус) с двумя патрубками, по одному из которых в нее подается электролит, по второму отводится образующийся в результате электролиза гремучий газ;
- Пластинчатые электроды, отделенные прокладками;
- Бак с электролитом, расположенный выше корпуса с электродами и соединенный шлангами с патрубками электролизной ванны установки и имеющий в верхней части патрубок с газовым клапаном.
При работе подобного устройства выделяющийся газ через патрубок и шланг попадает в бак с электролитом и, создавая в нем определенное давление, через клапан на отводном патрубке выходит за пределы установки.
Мембранные
Электролизные ячейки таких установок состоят из двух электродов, разделенных между собой тонкой мембраны, пропускающей продукты электролиза и разделяющей электроды между собой.
Мембранная электролизная установка
Диафрагменные
Электролизные установки данного вида состоят из «U» образной колбы с двумя вставленными в нее электродами и 2-3 непроницаемыми диафрагмами. Используются подобные электролизеры для раздельного получения чистого водорода и кислорода.
Щелочные
В отличие от других моделей электролизеров, в таких в качестве электролита применяют раствор щелочи – каустическую соду (гидроксид натрия), являющийся не только дополнительным источником водорода и кислорода, но и катализатором для электролиза.
Схема щелочного электролизера
Такие установки, в отличие от аналогов других видов, позволяют применять более дешевые электроды из обычного железа.
О водородной ячейке Мейера
Если вы сделали и испытали вышеописанную конструкцию, то по горению пламени на конце иглы наверняка заметили, что производительность установки чрезвычайно низкая. Чтобы получить больше гремучего газа, нужно изготовить более серьезное устройство, называемое ячейкой Стэнли Мейера в честь изобретателя.
Принцип действия ячейки тоже основан на электролизе, только анод и катод выполнены в виде трубок, вставляющихся одна в другую. Напряжение подается от генератора импульсов через две резонансные катушки, что позволяет снизить потребляемый ток и увеличить производительность водородного генератора. Электронная схема устройства представлена на рисунке:
Примечание. Подробно о работе схемы рассказывается на ресурсе https://www.meanders.ru/meiers8.shtml.
Для изготовления ячейки Мейера потребуется:
- цилиндрический корпус из пластмассы или оргстекла, умельцы нередко используют водопроводный фильтр с крышкой и патрубками;
- трубки из нержавеющей стали диаметром 15 и 20 мм длиной 97 мм;
- провода, изоляторы.
Нержавеющие трубки крепятся к основанию из диэлектрика, к ним припаиваются провода, подключаемые к генератору. Ячейка состоит из 9 или 11 трубок, помещенных в пластиковый либо плексигласовый корпус, как показано на фото.
Электролизер для получения водорода
Расчет заземления
Для того чтобы собрать простейший электролизер своими руками, можно воспользоваться приведенным на рисунке чертежом.
Чертёж простейшего самодельного электролизера
Обратите внимание! Электролизер – это достаточно опасная установка, выделяющийся при работе гремучий газ, скапливаясь в большом количестве, может стать причиной серьезного взрыва. Не следует размещать установку вблизи источников открытого огня, нагревательных приборов.
Электролизер для автомобиля своими руками
Для улучшения сгорания топлива в двигателе автомобиля очень часто собирают электролизер, состоящий из корпуса от старого аккумулятора с помещенными внутрь пластинами из нержавейки, двумя патрубками, один из которых соединен с бачком, заполненным электролитом, второй – с подающим в двигатель воздух шлангом (точнее с гофрированным патрубком, идущим от воздухозаборника к воздушному фильтру).
Запитывают такой самодельный проточный электролизер от аккумуляторной батареи авто при помощи реле и предохранителя на 10 А.
Реактор из пластин
Высокопроизводительный генератор водорода, способный обеспечить работу газовой горелки, выполняется из нержавеющих пластин размером 15 х 10 см, количество – от 30 до 70 шт. В них просверливаются отверстия под стягивающие шпильки, а в углу выпиливается клемма для присоединения провода.
Кроме листовой нержавейки марки 316 понадобится купить:
- резина толщиной 4 мм, стойкая к воздействию щелочи;
- концевые пластины из оргстекла либо текстолита;
- шпильки стяжные М10—14;
- обратный клапан для газосварочного аппарата;
- фильтр водяной под гидрозатвор;
- трубы соединительные из гофрированной нержавейки;
- гидроокись калия в виде порошка.
Пластины нужно собрать в единый блок, изолировав друг от друга резиновыми прокладками с вырезанной серединой, как показано на чертеже. Получившийся реактор плотно стянуть шпильками и подключить к патрубкам с электролитом. Последний поступает из отдельной емкости, снабженной крышкой и запорной арматурой.
Примечание. Мы рассказываем, как сделать электролизер проточного (сухого) типа. Реактор с погружными пластинами изготовить проще – резиновые прокладки ставить не нужно, а собранный блок опускается в герметичную емкость с электролитом.
Последующая сборка генератора, производящего водород, выполняется по той же схеме, но с отличиями:
- На корпусе аппарата крепится резервуар для приготовления электролита. Последний представляет собой 7—15% раствор гидроокиси калия в воде.
- В «бабблер» вместо воды заливается так называемый раскислитель – ацетон либо неорганический растворитель.
- Перед горелкой обязательно ставится обратный клапан, иначе при плавном выключении водородной горелки обратный удар разорвет шланги и «бабблер».
Для питания реактора проще всего задействовать сварочный инвертор, электронные схемы собирать не нужно. Как устроен самодельный генератор газа Брауна, расскажет домашний мастер в своем видео:
Обзор производителей электролизеров
Основными производителями электролизёров являются как отечественные предприятия («РУСАЛ», НПФ «РутТех», АО «Уралхиммаш»), а также их зарубежные конкуренты – Teledyne Energy Systems, Inc (США), Hydrogenics Corp. (Бельгия).
Таким образом, электролизер является достаточно простой и отличающейся большим набором функций установкой, используемой для получения гремучего газа, который в будущем планируют применять в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания, котлов отопления.
