MD4207C1 - Procedeu de confecţionare a electrodului combinat volumic poros penetrabil şi procedeu de obţinere electrolitică a hidrogenului - Google Patents
Procedeu de confecţionare a electrodului combinat volumic poros penetrabil şi procedeu de obţinere electrolitică a hidrogenului Download PDFInfo
- Publication number
- MD4207C1 MD4207C1 MDA20110085A MD20110085A MD4207C1 MD 4207 C1 MD4207 C1 MD 4207C1 MD A20110085 A MDA20110085 A MD A20110085A MD 20110085 A MD20110085 A MD 20110085A MD 4207 C1 MD4207 C1 MD 4207C1
- Authority
- MD
- Moldova
- Prior art keywords
- electrode
- porous
- nickel
- volume
- hydrogen
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 39
- 230000008569 process Effects 0.000 title claims abstract description 39
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 37
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title claims abstract description 37
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 30
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 18
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 44
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 claims abstract description 23
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 22
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 19
- FGIUAXJPYTZDNR-UHFFFAOYSA-N potassium nitrate Chemical compound [K+].[O-][N+]([O-])=O FGIUAXJPYTZDNR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 19
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims abstract description 19
- KMUONIBRACKNSN-UHFFFAOYSA-N potassium dichromate Chemical compound [K+].[K+].[O-][Cr](=O)(=O)O[Cr]([O-])(=O)=O KMUONIBRACKNSN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 11
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 11
- 235000010333 potassium nitrate Nutrition 0.000 claims abstract description 10
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims abstract description 9
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims abstract description 8
- 239000004323 potassium nitrate Substances 0.000 claims abstract description 8
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 claims abstract description 6
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- DDTIGTPWGISMKL-UHFFFAOYSA-N molybdenum nickel Chemical compound [Ni].[Mo] DDTIGTPWGISMKL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- MOWMLACGTDMJRV-UHFFFAOYSA-N nickel tungsten Chemical compound [Ni].[W] MOWMLACGTDMJRV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- DBMJMQXJHONAFJ-UHFFFAOYSA-M Sodium laurylsulphate Chemical compound [Na+].CCCCCCCCCCCCOS([O-])(=O)=O DBMJMQXJHONAFJ-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims abstract description 4
- 235000019333 sodium laurylsulphate Nutrition 0.000 claims abstract description 4
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 claims description 12
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000003906 humectant Substances 0.000 claims description 7
- IOJUPLGTWVMSFF-UHFFFAOYSA-N benzothiazole Chemical compound C1=CC=C2SC=NC2=C1 IOJUPLGTWVMSFF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 6
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- LGQLOGILCSXPEA-UHFFFAOYSA-L nickel sulfate Chemical compound [Ni+2].[O-]S([O-])(=O)=O LGQLOGILCSXPEA-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 5
- 229910000363 nickel(II) sulfate Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000011591 potassium Substances 0.000 claims description 5
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims description 3
- YPTUAQWMBNZZRN-UHFFFAOYSA-N dimethylaminoboron Chemical compound [B]N(C)C YPTUAQWMBNZZRN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000002386 leaching Methods 0.000 claims description 3
- RYCLIXPGLDDLTM-UHFFFAOYSA-J tetrapotassium;phosphonato phosphate Chemical compound [K+].[K+].[K+].[K+].[O-]P([O-])(=O)OP([O-])([O-])=O RYCLIXPGLDDLTM-UHFFFAOYSA-J 0.000 claims description 3
- 239000012224 working solution Substances 0.000 claims description 3
- 229910020435 K2MoO4 Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910020494 K2WO4 Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000013543 active substance Substances 0.000 claims description 2
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 claims description 2
- AAQNGTNRWPXMPB-UHFFFAOYSA-N dipotassium;dioxido(dioxo)tungsten Chemical compound [K+].[K+].[O-][W]([O-])(=O)=O AAQNGTNRWPXMPB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- MEFBJEMVZONFCJ-UHFFFAOYSA-N molybdate Chemical compound [O-][Mo]([O-])(=O)=O MEFBJEMVZONFCJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- DGSDBJMBHCQYGN-UHFFFAOYSA-M sodium;2-ethylhexyl sulfate Chemical compound [Na+].CCCCC(CC)COS([O-])(=O)=O DGSDBJMBHCQYGN-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 2
- 229910052702 rhenium Inorganic materials 0.000 claims 1
- WUAPFZMCVAUBPE-UHFFFAOYSA-N rhenium atom Chemical compound [Re] WUAPFZMCVAUBPE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- UJRJCSCBZXLGKF-UHFFFAOYSA-N nickel rhenium Chemical compound [Ni].[Re] UJRJCSCBZXLGKF-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 6
- 229910001182 Mo alloy Inorganic materials 0.000 abstract description 3
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 abstract description 3
- 239000002657 fibrous material Substances 0.000 abstract description 2
- 239000006260 foam Substances 0.000 abstract 2
- 239000000080 wetting agent Substances 0.000 abstract 2
- 239000004141 Sodium laurylsulphate Substances 0.000 abstract 1
- NRHWIWAZJZKXEJ-UHFFFAOYSA-L disodium 2-ethylhexan-1-ol sulfate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]S([O-])(=O)=O.CCCCC(CC)CO NRHWIWAZJZKXEJ-UHFFFAOYSA-L 0.000 abstract 1
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 22
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 6
- 239000012670 alkaline solution Substances 0.000 description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 4
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 4
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 3
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 3
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 2
- 229910000691 Re alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 1
- PIICEJLVQHRZGT-UHFFFAOYSA-N Ethylenediamine Chemical compound NCCN PIICEJLVQHRZGT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021586 Nickel(II) chloride Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001080 W alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- QDWJUBJKEHXSMT-UHFFFAOYSA-N boranylidynenickel Chemical compound [Ni]#B QDWJUBJKEHXSMT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- 210000003850 cellular structure Anatomy 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 230000001143 conditioned effect Effects 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 1
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 1
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000005087 graphitization Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-ZSJDYOACSA-N heavy water Substances [2H]O[2H] XLYOFNOQVPJJNP-ZSJDYOACSA-N 0.000 description 1
- -1 hydrogen ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N mercury Chemical compound [Hg] QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052753 mercury Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000006262 metallic foam Substances 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QMMRZOWCJAIUJA-UHFFFAOYSA-L nickel dichloride Chemical compound Cl[Ni]Cl QMMRZOWCJAIUJA-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 1
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 1
- 238000011946 reduction process Methods 0.000 description 1
- 239000012266 salt solution Substances 0.000 description 1
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 1
- 229910000033 sodium borohydride Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012279 sodium borohydride Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 230000004936 stimulating effect Effects 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 1
- HQOJMTATBXYHNR-UHFFFAOYSA-M thallium(I) acetate Chemical compound [Tl+].CC([O-])=O HQOJMTATBXYHNR-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229910000048 titanium hydride Inorganic materials 0.000 description 1
- RYFMWSXOAZQYPI-UHFFFAOYSA-K trisodium phosphate Chemical compound [Na+].[Na+].[Na+].[O-]P([O-])([O-])=O RYFMWSXOAZQYPI-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
Landscapes
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
- Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
Abstract
Invenţia se referă la electrochimie, şi anume la un procedeu de confecţionare a electrodului combinat volumic poros penetrabil şi la un procedeu de obţinere electrolitică a hidrogenului.Procedeul de confecţionare a electrodului combinat volumic poros penetrabil, conform invenţiei, constă în aceea că se îmbină etanş un electrod volumic poros penetrabil comprimat din material carbonic fibros cu un electrod volumic poros penetrabil din nichel spumat, cu suprafaţa modificată cu o acoperire din aliaje de nichel-reniu sau nichel-wolfram, sau nichel-molibden. Totodată, se utilizează un electrod volumic poros penetrabil din nichel spumat cu suprafaţa modificată cu o acoperire obţinută prin depunere chimico-catalitică a aliajelor de nichel pe suprafaţa poroasă a electrodului din soluţii.Procedeul de obţinere electrolitică a hidrogenului, conform invenţiei, include electroliza soluţiei apoase de electrolit în flux prin electrozii combinaţi volumici poroşi penetrabili, care se amplasează în electrolizor între electrozii de bază, care se conectează la o sursă de curent continuu conform schemei bipolare de electroliză. În calitate de electrolit se utilizează o soluţie apoasă ce conţine nitrat de potasiu, bicromat de potasiu şi un umectant. Iar în calitate de umectant se utilizează laurilsulfat de sodiu sau 2-etilhexanol-sulfat de sodiu.
Description
Invenţia se referă la electrochimie, şi anume la un procedeu de confecţionare a electrodului combinat volumic poros penetrabil şi la un procedeu de obţinere electrolitică a hidrogenului.
Este cunoscut un procedeu electrolitic de obţinere a hidrogenului, care include electroliza soluţiei alcaline de hidroxid de sodiu la aplicarea curentului electric continuu pe catod, suprafaţa căruia este acoperită electrochimic cu un strat de nichel cu incluziuni nemetalice, separat de anod prin diafragmă. În calitate de material pentru confecţionarea catozilor se utilizează oţelul obişnuit, iar stratul de nichel conţine sulf pentru diminuarea supratensiunii pentru degajarea hidrogenului la suprafaţa catodului [1].
Dezavantajele acestui procedeu constau în faptul că el are o productivitate redusă din cauza valorii scăzute a reactivităţii specifice a suprafeţei catodului şi a rezistenţei electrice mari din sistem din contul adeziunii bulelor de hidrogen la suprafaţa electrodică şi suprasaturării cu gaze a electrolitului, condiţionată de insuficienţa schimbului şi transferului de masă în volumul electrolitului.
În calitate de cea mai apropiată soluţie serveşte procedeul de confecţionare a electrodului volumic poros penetrabil cu suprafaţa poroasă modificată şi procedeul de obţinere electrolitică a hidrogenului. Electrodul constă din material carbonic fibros, coeficientul de porozitate al căruia este de 0,95…0,97, iar grosimea stratului de 5…6 mm, suprafaţa lui poroasă este modificată cu un strat de nichel-bor prin depunere în flux, dintr-o soluţie ce conţine clorură de nichel, etilendiamină, hidroxid de sodiu, borohidrură de sodiu, acetat de taliu, la temperatura de 85…90°C timp de 20…30 min. Procedeul de obţinere a hidrogenului se efectuează prin electroliza unei soluţii alcaline în flux de electrolit cu viteza volumetrică de 5…7 L/dm2·oră la densitatea de gabarit a curentului catodic de 50…100 A/dm2 şi aplicarea concomitentă a ultrasunetului în regim precavitaţional cu intensitatea de 2…3 W/cm2, iar în calitate de soluţie alcalină se utilizează soluţie de hidroxid de sodiu sau de potasiu de 15…30% în prezenţa a 1,5…2,5 g/L de bicromat de potasiu [2].
Dezavantajele acestui procedeu constau în aceea că în timpul procesului se consumă multă energie din cauza rezistenţei ohmice majorate a diafragmelor utilizate şi a desfăşurării electrolizei la anod cu degajare de oxigen. Totodată, el are o productivitate scăzută din cauza supratensiunii ridicate de degajare a hidrogenului la electroliză, iar din cauza utilizării soluţiei alcaline de hidroxid de sodiu în concentraţii mari procedeul nu asigură inofensivitatea.
Problema pe care o rezolvă invenţia constă în diminuarea cheltuielilor energetice, majorarea productivităţii procesului de obţinere electrolitică a hidrogenului şi îmbunătăţirea siguranţei tehnice şi ecologice.
Problema se rezolvă prin aceea că în conformitate cu procedeul propus se îmbină etanş un electrod volumic poros penetrabil comprimat din material carbonic fibros cu un electrod volumic poros penetrabil din nichel spumat cu suprafaţa modificată cu o acoperire din aliaje de nichel-reniu sau nichel-wolfram, sau nichel-molibden. Totodată, se utilizează un electrod volumic poros penetrabil din nichel spumat cu suprafaţa modificată cu o acoperire obţinută prin depunere chimico-catalitică a aliajelor de nichel pe suprafaţa poroasă a electrodului, din soluţiile ce conţin, g/L: sulfat de nichel NiSO4·7H2O - 10...15, pirofosfat de potasiu K4P2O7 - 80...100, dimetilaminoboran (CH3)2HNBH3 - 1...3, benzotiazol - 0,0005...0,001 şi, după caz, perrenat de potasiu KReO4 - 3...5 sau wolframat de potasiu K2WO4 - 5...7, sau molibdat de potasiu K2MoO4 - 5...7. Depunerea se efectuează la pH=10,0…10,5, temperatura de 70…80°C, în flux de soluţie prin porii electrodului la raportul suprafeţei specifice a acestuia la volumul soluţiei de 0,8…1,2 dm2/L, la balansarea verticală lentă şi uniformă în soluţia de lucru cu leşierea ulterioară a borului. Grosimea electrodului volumic poros penetrabil din nichel spumat cu suprafaţa modificată constituie 6…8 mm, iar raportul suprafeţei volumice specifice a acestuia la suprafaţa volumică specifică a electrodului volumic poros penetrabil din material carbonic fibros este de 1:(2…3).
Problema se mai rezolvă prin aceea că procedeul de obţinere electrolitică a hidrogenului include electroliza soluţiei apoase de electrolit în flux prin electrozii combinaţi volumici poroşi penetrabili, care se amplasează în electrolizor între electrozii de bază, care se conectează la sursa de curent continuu conform schemei bipolare de electroliză, unde în calitate de electrolit se utilizează o soluţie apoasă ce conţine nitrat de potasiu, bicromat de potasiu şi umectant, în următorul raport al componentelor, g/L:
nitrat de potasiu, KNO3 100…120 bicromat de potasiu, K2Cr2O7 2…3 umectant 0,001…0,005
totodată procesul de electroliză se efectuează la pH=6…8, la viteza specifică a fluxului de electrolit de 0,5…0,7 m3/m2·oră şi densitatea de gabarit a curentului catodic de 4…5 A/dm2. Iar în calitate de umectant pentru îmbunătăţirea ruperii bulelor de hidrogen de la electrod se utilizează laurilsulfat de sodiu sau 2-etilhexanol-sulfat de sodiu - compuşi din clasa substanţelor superficial active cu formula ROSO3Na, unde R - radical cu 8…18 atomi de carbon.
În calitate de electrozi poroşi poate fi utilizat nichel spumat cu suprafaţa modificată cu o acoperire din aliaje de nichel-reniu sau nichel-wolfram, sau nichel-molibden. Nichelul spumat este produs în industria metalurgică prin injectarea gazelor inerte în topitura de metal sau prin stimularea formării locale a gazelor prin introducerea reactivului pentru degajarea gazelor (de exemplu TiH2), datorită cărui fapt se formează o structura celulară cu pori deschişi. Referitor la proprietăţile materialelor pentru confecţionarea electrozilor volumici poroşi penetrabili acestea au densitatea de 0,35...0,70 g/cm3, valoare înaltă a porozităţii de 80...97%, care se caracterizează prin lipsa canalelor optic deschise, care asigură un schimb intens de masă şi căldură cu mediul care trece prin material şi o permeabilitate la gaze ridicată. Alegerea grosimii acestor electrozi poroşi se efectuează în dependenţă de dimensiunea porilor, asigurând astfel funcţionarea acestora la curentul limită de difuzie, în medie aceasta trebuie să fie de 6...10 mm.
Utilizarea electrodului volumic poros, care are un caracter tridimensional, cu o suprafaţă specifică dezvoltată, care depăşeşte de 2…3 ori suprafaţa electrodului plat utilizat în aceste scopuri, permite majorarea productivităţii procesului de electroliză, astfel se majorează şi randamentul specific de obţinere a hidrogenului la o unitate de suprafaţă de gabarit a electrodului. Aceasta, la rândul său, permite elaborarea instalaţiilor de dimensiuni mici.
Materialele electrodice carbonice fibroase sunt produse pe scară industrială şi reprezintă produsul carbonizării materialelor fibroase prin încălzire în atmosferă neutră. Procesul obţinerii acestora include două etape: carbonizarea, realizată la temperaturi de 900...1500°C, şi grafitizarea - la temperaturi de 2600...2800°C. Ca rezultat se obţine scheletul carbonic ce conţine 99% de carbon şi repetă forma materialului iniţial - fire de pânză, care posedă o electroconductibilitate înaltă, valori mari ale suprafeţei specifice, porozitate înaltă şi asigură un schimb şi un transfer de masă intensiv în condiţii de flux al lichidului.
În aceste scopuri pot fi utilizate materiale electrodice carbonice fibroase de tipul ВНГ-50-2, ВИНН-250, НТМ-200, ВВП-66-95, КНМ, care posedă, conform datelor din îndrumare, următoarele caracteristici: raza monofibrei - 4,5...6,0 µm, suprafaţa de reacţie specifică - 1900...3000 cm2/g, electroconductibilitatea în stare liberă - 0,1...1,3 S/cm, iar în stare presată de 2 ori mai mare - de la 0,4 până la 2,6 S/cm, porozitatea lor este în limitele de 0,92...0,98. În calitate de materiale electrodice carbonice fibroase în formă de pânză pot fi utilizate cele de tipul ТВШ, ТГН cu mărimea monofibrei de 4,3...4,6 µm, adunate în funii cu diametrul de 0,04...0,06 mm. Suprafaţa reactivă specifică este de 2900...3100 cm2/g, electroconductibilitatea de 0,13...0,40 S/cm, iar porozitatea de 0,83...0,91.
Avantajele tehnice în urma realizării invenţiei
1. La amplasarea bipolară a electrozilor în electrolizor curentul electric continuu de la sursa externă de curent se aplică la doi electrozi marginali - catod şi anod, pe când electrozii interni nu sunt conectaţi la sursa externă de curent, iar suprafaţa lor se polarizează cu semn invers în raport cu contraelectrodul, iar procesele electrochimice anodice şi catodice au loc la curentul limită de difuzie conform unor mecanisme speciale. Partea poroasă a electrodului combinat - nichelul spumat, se polarizează catodic, pe suprafaţa căruia are loc degajarea hidrogenului, fiind limitată de grosimea acestui electrod. Totodată, de la partea exterioară a nichelului spumat în adâncimea porilor valoarea potenţialului negativ se micşorează şi pe măsura atingerii curentului limită de difuzie trece la valori pozitive ale potenţialelor, unde începe lucrul în domeniul anodic al electrodului carbonic fibros. Un rol important în procesul de distribuire a potenţialului la suprafaţa de contact dintre nichelul spumat şi materialul carbonic fibros îl joacă dezvoltarea procesului de electroliză internă, datorită diferenţei de potenţial destul de mari între materialele electrodice, care se află în contact şi constituie mai mult de 1 V. Ca rezultat, se asigură o polarizare catodică omogenă pe toată adâncimea electrodului volumic poros din nichel spumat, ceea ce creează condiţii mai bune pentru degajarea hidrogenului.
Prezenţa electrozilor combinaţi volumici poroşi penetrabili din nichel spumat şi material carbonic fibros asigură micşorarea cheltuielilor energetice la generarea electrochimică a hidrogenului atât datorită amplasării bipolare, cât şi datorită dezvoltării electrolizei interne la interfaţa dintre nichelul spumat şi materialul carbonic fibros. Este important faptul că condiţiile propuse pentru electroliză, în care este asigurată degajarea hidrogenului şi încetinirea procesului de degajare a oxigenului, exclud utilizarea diafragmei, ceea ce provoacă diminuarea rezistenţei ohmice a sistemului electrochimic. În consecinţă se diminuează tensiunea la electrozi şi, respectiv, consumul total al energiei electrice pentru electroliză.
2. Utilizarea electrodului din nichel spumat cu suprafaţa modificată cu acoperire obţinută prin depunere chimico-catalitică a aliajelor de nichel-reniu, nichel-wolfram, nichel-molibden pe suprafaţa poroasă a electrodului duce la diminuarea esenţială a supratensiunii pentru degajarea hidrogenului de la -0,6 V până la -0,15...-0,20 V, ceea ce facilitează majorarea eficacităţii procesului electrochimic de degajare a hidrogenului.
3. Pentru electrodul carbonic fibros este caracteristică supratensiunea înaltă de degajare a oxigenului, pe care la anumite valori ale densităţii curentului procesul anodic decurge în zona potenţialelor de pasivare a lui şi a potenţialului Flade, neatingând limitele acestui potenţial, care se caracterizează prin descărcarea oxigenului. Analogic, la electrozii din material carbonic fibros la valori mici ale densităţii curentului nu se atinge un potenţial pentru descărcarea oxigenului, ceea ce frânează degajarea lui la electroliză. Micşorarea densităţii curentului anodic se datorează faptului că suprafaţa specifică a materialului carbonic fibros este mare, are loc distribuirea curentului aplicat la acest tip de electrod cu o densitate mai mică a curentului decât la electrodul de nichel, ceea ce şi mai mult încetineşte degajarea oxigenului şi asigură preponderent degajarea hidrogenului.
4. Introducerea în compoziţia electrolitului a umectantului diminuează tensiunea superficială dintre bulele de hidrogen formate şi suprafaţa electrodului, ceea ce majorează eficacitatea procesului de rupere a acestora de la suprafaţa electrodică şi asigură îndepărtarea lor de la suprafaţă poroasă a electrodului şi distribuirea în volumul electrolitului.
5. Procesul de electroliză a apei în condiţii de flux majorează schimbul şi transferul de masă la suprafaţa catodului poros în timpul descărcării hidrogenului, ceea ce, la rândul său, micşorează polarizarea de concentraţie în regiunea stratului dublu electric la suprafaţa electrodului şi favorizează majorarea randamentului de curent al produsului - hidrogenului în stare gazoasă. În afară de aceasta, fluxul intensiv al soluţiei apoase de săruri majorează viteza de înlăturare a bulelor de hidrogen de la suprafaţa de descărcare a apei, diminuând astfel rezistenţa electrică în sistem şi supratensiunea de degajare a hidrogenului la electrozi. Înlocuirea soluţiei alcaline concentrate de hidroxid de sodiu cu soluţie apoasă de săruri (nitrat de potasiu şi bicromat de potasiu) duce la majorarea siguranţei tehnice şi ecologice.
Pentru prepararea electrolitului se utilizează apa, conductibilitatea electrică a căreia este de la 10-6 până la 2·10-6 Ohm-1·cm-1, care trebuie să conţină cel mult 7...10 mg/L de reziduu uscat. Utilizarea sărurilor inerte - a nitratului de potasiu şi bicromatului de potasiu, pe de o parte, asigură o conductibilitate electrică suficientă a electrolitului, iar pe de altă parte facilitează ajustarea pH-ului neutru, majorând astfel stabilitatea electrozilor în acest mediu, totodată creşte stabilitatea electrozilor la distrugere în timpul electrolizei.
Procesul de reducere a hidrogenului la electrod este legat de disocierea moleculei de apă: 2H2O↔2H+ + 2OH- şi descărcarea ionilor de hidrogen, care are loc printr-un şir de reacţii concurente: H+ + e- → Hads, care în continuare prin reacţia de recombinare formează molecule de hidrogen: Hads. + Hads.→H2, sau prin desorbţia electrochimică conform reacţiei lui Heyrovsky H3O+ + Hads. + e- → H2 + H2O.
Teoretic, la degajarea a 1 m3 de hidrogen trebuie să se consume 805 de grame de apă, dar din cauza antrenării vaporilor de apă consumul acesteia poate creşte cu 5...10%. În aceste condiţii, consumul de energie electrică, practic, depinde numai de pierderile provocate de rezistenţa electrică din sistem.
Astfel, invenţia revendicată asigură micşorarea cheltuielilor energetice şi majorarea productivităţii procesului de obţinere electrolitică a hidrogenului şi a siguranţei tehnice şi ecologice.
Exemplu de realizare a invenţiei
Pentru confecţionarea electrodului combinat volumic poros penetrabil s-a utilizat electrodul din nichel spumat cu grosimea de 6 mm, cu suprafaţa modificată cu o acoperire din aliaj de nichel-reniu. Acoperirea a fost obţinută prin depunere chimico-catalitică a aliajului de nichel pe suprafaţa poroasă a electrodului, din soluţia cu următorul conţinut, g/L: sulfat de nichel - 15, pirofosfat de potasiu - 100, dimetilaminoboran - 3, benzotiazol - 0,001 şi perrenat de potasiu - 5. Procesul de depunere s-a efectuat la pH=10,5, temperatura de 75°C, în flux de soluţie prin porii electrodului la raportul suprafeţei specifice a acestuia la volumul soluţiei de 0,8…1,2 dm2/L, la balansarea verticală lentă şi uniformă în soluţia de lucru. Leşierea selectivă a borului din compoziţia stratului format a fost efectuată la temperatura de 140°C timp de 3 min în soluţia cu următorul conţinut, g/L: hidroxid de sodiu (NaOH) - 300 şi fosfat de sodiu (Na3PO4) - 15.
În calitate de electrod volumic poros penetrabil din material carbonic fibros care se îmbină cu electrodul din nichel spumat cu acoperire din aliaj de nichel-reniu, a fost utilizat materialul carbonic fibros de tipul KHM cu coeficientul de porozitate de 0,95...0,97 şi grosimea stratului de 5...6 mm cu dimensiunile de gabarit de 1 dm2, asigurându-se raportul dintre suprafaţa volumică specifică a spumei metalice la suprafaţa volumică specifică a electrodului din material carbonic fibros de 1:2.
Pentru obţinerea electrolitică a hidrogenului electrozii combinaţi volumici poroşi penetrabili au fost amplasaţi în electrolizor între electrozii de bază, care se conectează la sursa de curent continuu conform schemei bipolare de electroliză. În calitate de electrolit s-a utilizat soluţia apoasă cu următorul conţinut, g/L: nitrat de potasiu - 100, bicromat de potasiu - 2 şi laurilsulfat de sodiu - 0,001. Procesul de electroliză s-a efectuat la pH=7, viteza specifică a fluxului de electrolit de 0,5…0,7 m3/m2·oră şi densitatea de gabarit a curentului catodic de 4 A/dm2.
Consumul specific de energie electrică (W) pentru procesul de obţinere a hidrogenului a fost calculat după tensiunea la electrozi (V) şi cantitatea de electricitate (U), necesară pentru degajarea 1 m3 de hidrogen, conform formulei: W=V·U. Productivitatea procesului a fost evaluată după viteza de degajare a cantităţii specifice de hidrogen (1 m3/oră), obţinută în condiţii normale (20ºC şi 760 mm a coloanei de mercur), raportată la 1dm2 de suprafaţă de gabarit a catodului.
Rezultatele obţinute conform invenţiei revendicate au fost comparate cu rezultatele obţinute conform condiţiilor celei mai apropiate soluţii.
Rezultatele experimentale sunt prezentate în tabel.
Tabel
Condiţiile de efectuare a procesului Parametrii procesului Rezultatele experimentale Viteza fluxului, m3/m2·oră Densitatea de gabarit a curentului catodic, A/dm2 Productivitatea procesului, cm3/dm2·oră Consumul specific de energie (W), kW·oră Conform invenţiei Electrod combinat Electrolit - soluţie apoasă de săruri 0,5 50 12,5 4,2 0,6 100 14,2 4,1 0,7 75 13,7 3,9 Conform celei mai apropiate soluţii Electrod carbonic fibros Electrolit - soluţie de hidroxid de sodiu 0,5 50 11,2 4,8
Rezultatele obţinute demonstrează că productivitatea procesului de electroliză la obţinerea hidrogenului conform condiţiilor prezentei invenţii cu utilizarea electrodului combinat volumic poros penetrabil este mai mare decât conform celei mai apropiate soluţii, iar cheltuielile energetice s-au micşorat cu 10...20% în comparaţie cu cea mai apropiată soluţie, ceea ce atestă eficacitatea invenţiei propuse.
1. Томилина А. Прикладная электрохимия. Москва, Химия, 1984, с. 135-140
2. MD 3488 F1 2008.01.31
Claims (5)
1. Procedeu de confecţionare a electrodului combinat volumic poros penetrabil, care constă în aceea că se îmbină etanş un electrod volumic poros penetrabil comprimat din material carbonic fibros cu un electrod volumic poros penetrabil din nichel spumat cu suprafaţa modificată cu o acoperire din aliaje de nichel-reniu sau nichel-wolfram, sau nichel-molibden.
2. Procedeu, conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că se utilizează un electrod volumic poros penetrabil din nichel spumat cu suprafaţa modificată cu o acoperire obţinută prin depunere chimico-catalitică a aliajelor de nichel pe suprafaţa poroasă a electrodului, din soluţiile ce conţin, g/L: sulfat de nichel NiSO4·7H2O - 10...15, pirofosfat de potasiu K4P2O7 - 80...100, dimetilaminoboran (CH3)2HNBH3 - 1...3, benzotiazol - 0,0005...0,001 şi, după caz, perrenat de potasiu KReO4 - 3...5 sau wolframat de potasiu K2WO4 - 5...7, sau molibdat de potasiu K2MoO4 - 5...7, totodată depunerea se efectuează la pH=10,0…10,5, temperatura de 70…80°C, în flux de soluţie prin porii electrodului la raportul suprafeţei specifice a acestuia la volumul soluţiei de 0,8…1,2 dm2/L, la balansarea verticală lentă şi uniformă în soluţia de lucru cu leşierea ulterioară a borului.
3. Procedeu, conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că grosimea electrodului volumic poros penetrabil din nichel spumat cu suprafaţa modificată constituie 6…8 mm, iar raportul suprafeţei volumice specifice a acestuia la suprafaţa volumică specifică a electrodului volumic poros penetrabil din material carbonic fibros este de 1:(2…3).
4. Procedeu de obţinere electrolitică a hidrogenului, care include electroliza soluţiei apoase de electrolit în flux prin electrozii combinaţi volumici poroşi penetrabili, obţinuţi prin procedeul definit în revendicarea 1, care se amplasează în electrolizor între electrozii de bază, care se conectează la sursa de curent continuu conform schemei bipolare de electroliză, unde în calitate de electrolit se utilizează o soluţie apoasă ce conţine nitrat de potasiu, bicromat de potasiu şi umectant, în următorul raport al componentelor, g/L:
nitrat de potasiu, KNO3 100…120 bicromat de potasiu, K2Cr2O7 2…3 umectant 0,001…0,005
totodată procesul de electroliză se efectuează la pH=6…8, la viteza specifică a fluxului de electrolit de 0,5…0,7 m3/m2·oră şi densitatea de gabarit a curentului catodic de 4…5 A/dm2.
5. Procedeu conform revendicării 4, caracterizat prin aceea că în calitate de umectant pentru îmbunătăţirea ruperii bulelor de hidrogen de la electrod se utilizează laurilsulfat de sodiu sau 2-etilhexanol-sulfat de sodiu - compuşi din clasa substanţelor superficial active cu formula ROSO3Na, unde R - radical cu 8…18 atomi de carbon.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| MDA20110085A MD4207C1 (ro) | 2011-10-10 | 2011-10-10 | Procedeu de confecţionare a electrodului combinat volumic poros penetrabil şi procedeu de obţinere electrolitică a hidrogenului |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| MDA20110085A MD4207C1 (ro) | 2011-10-10 | 2011-10-10 | Procedeu de confecţionare a electrodului combinat volumic poros penetrabil şi procedeu de obţinere electrolitică a hidrogenului |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| MD4207B1 MD4207B1 (ro) | 2013-02-28 |
| MD4207C1 true MD4207C1 (ro) | 2013-09-30 |
Family
ID=46148934
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| MDA20110085A MD4207C1 (ro) | 2011-10-10 | 2011-10-10 | Procedeu de confecţionare a electrodului combinat volumic poros penetrabil şi procedeu de obţinere electrolitică a hidrogenului |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| MD (1) | MD4207C1 (ro) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TR2021018361A2 (tr) * | 2021-11-24 | 2021-12-21 | Karadeniz Teknik Ueniversitesi Teknoloji Transfer Arastirma Ve Uygulama Merkeze Mueduerluegue | Akımsız Ni-B Kaplama Yöntemi ile Geliştirilen Genişletilmiş Grafit Esaslı Yeni Tür Esnek Elektrotlar ve Üretilmesi |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0633284A (ja) * | 1992-07-14 | 1994-02-08 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 水電解セル |
| JPH1171691A (ja) * | 1997-08-29 | 1999-03-16 | Toyota Motor Corp | 水電解用陽極 |
| JP2000178778A (ja) * | 1998-12-21 | 2000-06-27 | Oji Paper Co Ltd | 過酸化水素の製造方法 |
| MD3151F1 (ro) * | 2005-12-05 | 2006-09-29 | Universitatea De Stat Din Moldova | Electrod si procedeu de obtinere a acestuia pentru electroliza solutiei apoase alcaline |
| MD3488F1 (ro) * | 2007-01-17 | 2008-01-31 | Universitatea De Stat Din Moldova | Procedeu de obtinere electrolitica a hidrogenului |
| MD3753F1 (ro) * | 2007-01-17 | 2008-11-28 | Universitatea De Stat Din Moldova | Electrod pentru obtinerea electrolitica a hidrogenului si procedeu de confectionare a acestuia |
| MD244Z (ro) * | 2009-09-04 | 2011-02-28 | Государственный Университет Молд0 | Electrod pentru obţinerea electrolitică a hidrogenului şi procedeu de confecţionare a acestuia |
| MD375Z (ro) * | 2010-05-24 | 2011-12-31 | Государственный Университет Молд0 | Procedeu de obţinere electrolitică a hidrogenului |
-
2011
- 2011-10-10 MD MDA20110085A patent/MD4207C1/ro not_active IP Right Cessation
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0633284A (ja) * | 1992-07-14 | 1994-02-08 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 水電解セル |
| JPH1171691A (ja) * | 1997-08-29 | 1999-03-16 | Toyota Motor Corp | 水電解用陽極 |
| JP2000178778A (ja) * | 1998-12-21 | 2000-06-27 | Oji Paper Co Ltd | 過酸化水素の製造方法 |
| MD3151F1 (ro) * | 2005-12-05 | 2006-09-29 | Universitatea De Stat Din Moldova | Electrod si procedeu de obtinere a acestuia pentru electroliza solutiei apoase alcaline |
| MD3488F1 (ro) * | 2007-01-17 | 2008-01-31 | Universitatea De Stat Din Moldova | Procedeu de obtinere electrolitica a hidrogenului |
| MD3753F1 (ro) * | 2007-01-17 | 2008-11-28 | Universitatea De Stat Din Moldova | Electrod pentru obtinerea electrolitica a hidrogenului si procedeu de confectionare a acestuia |
| MD244Z (ro) * | 2009-09-04 | 2011-02-28 | Государственный Университет Молд0 | Electrod pentru obţinerea electrolitică a hidrogenului şi procedeu de confecţionare a acestuia |
| MD375Z (ro) * | 2010-05-24 | 2011-12-31 | Государственный Университет Молд0 | Procedeu de obţinere electrolitică a hidrogenului |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Томилина А. Прикладная электрохимия. Москва, Химия, 1984, с. 135-140 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| MD4207B1 (ro) | 2013-02-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6956144B2 (ja) | 水電解用複合電極一体型分離板及び水電解スタック | |
| US2273795A (en) | Electrolytic process | |
| Cai et al. | Fabrication of three-dimensional nanoporous nickel films with tunable nanoporosity and their excellent electrocatalytic activities for hydrogen evolution reaction | |
| JPH11124698A (ja) | ガス拡散電極を使用する電解槽 | |
| CN107385489B (zh) | 一种用于碳酸盐电解的三维纳米花状Ni-Fe复合氢氧化物析氧阳极 | |
| CN103014746B (zh) | 一种电解法制备液体高铁酸盐装置及其工艺 | |
| TW201139745A (en) | Oxygen gas diffusion cathode, electrolytic bath equipped with same, process for production of chlorine gas, and process for production of sodium hydroxide | |
| CN104419945A (zh) | 一种电解氨制备氢气的方法及装置 | |
| Wang et al. | Electrochemical synthesis of ferrate (VI) by regular anodic replacement | |
| JPH08283978A (ja) | ガス拡散電極の製造方法 | |
| Baibars et al. | NiFeOxHy/Ni3Fe interface design via electropassivation for superior catalysis of HER | |
| CN102605383A (zh) | 一种氢循环电解方法和装置及其在氧化铝生产的应用 | |
| MD3488F1 (ro) | Procedeu de obtinere electrolitica a hidrogenului | |
| JP3628756B2 (ja) | ガス拡散電極 | |
| MD4207C1 (ro) | Procedeu de confecţionare a electrodului combinat volumic poros penetrabil şi procedeu de obţinere electrolitică a hidrogenului | |
| Song et al. | Electrodeposition of manganese metal and co-production of electrolytic manganese dioxide using single-membrane double-chamber electrolysis | |
| CN206052186U (zh) | 穿孔铜箔生箔机 | |
| Tang et al. | Energy-saving electrolysis of sodium carbonate with a silver nanoparticles/carbon oxygen reduction cathode | |
| EP3699324B1 (en) | Electro-deposition method for producing metallic silver | |
| CN105624727B (zh) | 同一电解槽中同时生产电解金属锰和电解二氧化锰的方法 | |
| JPS62125859A (ja) | 触媒製造法 | |
| MD244Z (ro) | Electrod pentru obţinerea electrolitică a hidrogenului şi procedeu de confecţionare a acestuia | |
| CN106929875B (zh) | 一种基于碳片镀铁制备高铁酸盐的方法 | |
| CN113249737B (zh) | 一种用金属制氢的电池 | |
| CN106283098B (zh) | 一种循环连续电解铝酸钠溶液制备氧化铝的方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FG4A | Patent for invention issued | ||
| KA4A | Patent for invention lapsed due to non-payment of fees (with right of restoration) | ||
| MM4A | Patent for invention definitely lapsed due to non-payment of fees |