Электролизер что это такое: устройство и принцип работы статьи Машзавод Труд г. Новосибирск

устройство и принцип работы статьи Машзавод Труд г. Новосибирск

Промышленный электролизер – это технологическое оборудование, которое используется при добыче полезных ископаемых и производственных предприятиях для получения некоторых видов газов (хлора, водорода), для производства алюминия и магния. Отдельные виды оборудования могут применяться для обессоливания, обеззараживания и дезинфекции сточных вод.

Конструктивные особенности устройства

Рассмотрим подробнее устройство и принцип работы устройства. Устройство имеет токопроводящий корпус, электроды из разных материалов (медный, цинковый и т. д.) – катод и анод, а также патрубки для ввода внутрь электролита и вывода вещества, которое получают электролитическим методом.

Конструкция оборудования может быть изменения для выполнения специализированных задач. Например, для выделения магния и хлора применяется емкость со стенками, облицованными огнеупорными кирпичами или иными подобными материалами.

При подключении установки к электрическому току электроды, которые опущены в токопроводящую жидкость – электролит – начинают электрохимическую реакцию. Между анодом и катодом протекает ионный ток, а в процессе реакции положительные частицы направляются к катоду, а отрицательные – к аноду. Таким образом электролит разлагается, например, на водород кислород, металлы и хлор.

Если электролизная установка используется для получения газа, образующиеся в процессе реакции пузырьки поднимаются и собираются в емкость с помощью специальных патрубков.

Используется несколько видов электролизеров:

• Сухие;
• Проточные – в них организован постоянный поток электролитической жидкости;
• Мембранные – в этих устройства применяется твердый электролит на полимерной основе;
• Диафрагменные – применяются в случаях, когда нельзя допускать диффузию продуктов электролиза между камерами.

Характеристики электролизеров могут варьироваться в зависимости от области применения и задач, которые решаются с их помощью на производстве.

Где применяются электролизеры?

Основные сферы применения оборудования:

• Получение цветных металлов из растворов;
• Выделение золота из цианистых растворов;
• Разложение воды на кислород и водород;
• Получение хлора из раствора.

Также применяется проточный для нефти электролизер, который используется в комплексах для добычи полезных ископаемых для обеспечения технологического процесса.

Основными преимуществами оборудования является цена, простота обслуживания и высокая производительность, а также большой коэффициент полезного действия.

Как подобрать устройство?

При выборе оборудования для использования в промышленности необходимо обращать внимание на мощность и производительность электролизных установок. Обычно эти параметры указываются в маркировке оборудования. На рынке в России представлены различные модели, среди которых можно подобрать нужный вариант под любое производство.

Электролизер. Виды и типы. Устройство и работа. Применение

Электролизер – это специальное устройство, которое предназначено для разделения компонентов соединения или раствора с помощью электрического тока. Данные приборы широко используются в промышленности, к примеру, для получения активных металлических компонентов из руды, очищения металлов, нанесения на изделия металлических покрытий. Для быта они используются редко, но также встречаются. В частности для домашнего использования предлагаются устройства, которые позволяют определить загрязненность воды или получить так называемую «живую» воду.

Основа работы устройства принцип электролиза, первооткрывателем которого считается известный зарубежный ученый Фарадей. Однако первый электролизер воды за 30 лет до Фарадея создал русский ученый по фамилии Петров. Он на практике доказал, что вода может обогащаться в катодном или анодном состоянии. Несмотря на эту несправедливость, его труды не пропали даром и послужили развитию технологий. На данный момент изобретены и с успехом используются многочисленные виды устройств, которые работают по принципу электролиза.

Электролизер работает благодаря внешнему источнику питания, который подает электрический ток. Упрощенно агрегат выполнен в виде корпуса, в который вмонтировано два или несколько электродов. Внутри корпуса находится электролит. При подаче электрического тока происходит разложение раствора на требуемые составляющие. Положительно заряженные ионы одного вещества направляются к отрицательно заряженному электроду и наоборот.

Основной характеристикой подобных агрегатов является производительность. То есть это количество раствора или вещества, которое установка может перерабатывать за определенный период времени. Данный параметр указывается в наименовании модели. Однако на него также могут влиять и иные показатели: сила тока, напряжение, вид электролита и так далее.

Виды и типы

По конструкции анода и расположению токопровода электролизер может быть трех видов, это агрегаты с:

1. Прессованными обожженными анодами.
2. Непрерывным самообжигающимся анодом, а также боковым токопроводом.
3. Непрерывным самообжигающимся анодом, а также верхним токопроводом.

Электролизер, используемый для растворов, по конструктивным особенностям можно условно разделить на:

• Сухие.
• Проточные.
• Мембранные.
• Диафрагменные.

Устройство

Конструкции агрегатов могут быть различными, но все они работают на принципе электролиза.

Устройство в большинстве случаев состоит из следующих элементов:

• Электропроводящий корпус.
• Катод.
• Анод.
• Патрубки, предназначенные для ввода электролита, а также вывода веществ, полученных в ходе реакции.

Электроды выполняются герметичными. Обычно они представлены в виде цилиндров, которые сообщаются с внешней средой с помощью патрубков. Электроды изготавливаются из специальных токопроводящих материалов. На катоде осаждается металл или к нему направляют ионы отделенного газа (при расщеплении воды).

В цветной промышленности часто применяют специализированные агрегаты для электролиза. Это более сложные установки, которые имеют свои особенности. Так электролизер для выделения магния и хлора требует ванну, выполненную из стенок торцевого и продольного вида. Она обкладывается с помощью огнеупорных кирпичей и иных материалов, а также делится с помощью перегородки на отделение для электролиза и ячейку, в которой собираются конечные продукты.

Конструктивные особенности каждого вида подобного оборудования позволяют решать лишь конкретные задачи, которые связаны с обеспечением качества выделяющихся веществ, скоростью происходящей реакции, энергоемкостью установки и так далее.

Принцип действия

В электролизных устройствах электрический ток проводят лишь ионные соединения. Поэтому при опускании электродов в электролит и включении электрического тока, в нем начинает течь ионный ток. Положительные частицы в виде катионов направляются к катоду, к примеру, это водород и различные металлы. Анионы, то есть отрицательно заряженные ионы текут к аноду (кислород, хлор).

При подходе к аноду анионы лишаются своего заряда и становятся нейтральными частицами. В результате они оседают на электроде. У катода происходят похожие реакции: катионы забирают у электрода электроны, что приводит к их нейтрализации. В результате катионы оседают на электроде. К примеру, при расщеплении воды образуется водород, которые поднимается наверх в виде пузырьков. Чтобы собрать этот газ над катодом сооружаются специальные патрубки. Через них водород поступает в необходимую емкость, после чего его можно будет использовать по назначению.

Принцип действия в конструкциях разных устройств в целом схож, но в ряде случаев могут быть и свои особенности. Так в мембранных агрегатах используется твердый электролит в виде мембраны, которая имеет полимерную основу. Главная особенность подобных приборов кроется в двойном назначении мембраны. Эта прослойка может переносить протоны и ионы, в том числе разделять электроды и конечные продукты электролиза.

Диафрагменные устройства применяются в случаях, когда нельзя допустить диффузию конечных продуктов электролизного процесса. С этой целью применяют пористую диафрагму, которая выполнена из стекла, асбеста или керамики. В ряде случаев в качестве подобной диафрагмы могут применяться полимерные волокна либо стеклянная вата.

Применение

Электролизер

 широко применяется в различных отраслях промышленности. Но, несмотря на простую конструкцию, оно имеет различные варианты исполнения и функции. Данное оборудование применяется для:

• Добычи цветных металлов (магний, алюминий).
• Получения химических элементов (разложение воды на кислород и водород, получение хлора).
• Очистки сточных вод (обессоливание, обеззараживание, дезинфекция от ионов металлов).
• Обработки различных продуктов (деминерализация молока, посол мяса, электроактивация пищевых жидкостей, извлечение нитратов и нитритов из овощных продуктов, извлечения белка из водорослей, грибов и рыбных отходов).

В медицине установки используются в интенсивной терапии для детоксикации организма человека, то есть для создания растворов гипохлорита натрия высокой чистоты. Для этого используется устройство проточного вида с электродами из титана.

Электролизные и электродиализные установки нашли широкое применение для решения экологических проблем и опреснения воды. Но эти агрегаты в виду их недостатков используются редко: это сложность конструкции и их эксплуатации, необходимость трехфазного тока и требования периодической замены электродов из-за их растворения.

Подобные установки находят применение и в быту, к примеру, для получения «живой» воды, а также ее очистки. В будущем возможно создание миниатюрных установок, которые будут использоваться в автомобилях для безопасного получения водорода из воды. Водород станет источником энергии, а машину можно будет заправлять обычной водой.

Похожие темы:

• Опреснители. Виды и устройство. Работа. Достоинства и недостатки
• Фильтры для очистки воздуха. Виды и особенности.Устройство и работа

Электролизер | Ключевой фактор в производстве зеленого водорода

#наука #НИОКР

Электролизер представляет собой устройство, производящее водород посредством химического процесса (электролиза), способного разделить молекулы водорода и кислорода, из которых состоит вода, с помощью электричества.

Водород, произведенный таким устойчивым способом, то есть без выброса углекислого газа в атмосферу, может стать основой для обезуглероженной экономики.

Электролизеры являются ключевыми устройствами для производства зеленого водорода.

На первый взгляд электролиз может показаться школьным лабораторным экспериментом с мензурками, несколькими проводами и парой батареек, и мы не ошибемся. Но воздействие этого процесса, который позволяет расщеплять молекулы с помощью электричества, в данном случае молекулы воды, является ключом к получению зеленого водорода.

ПРОИЗВОДСТВО ВОДОРОДА

Водород — самый распространенный элемент во Вселенной и поэтому может стать идеальным топливом. Но это не единственная причина: при сгорании водорода углекислый газ не образуется; вместо этого образуется водяной пар. Таким образом, его использование резко сократит выбросы, ответственные за парниковый эффект и глобальное потепление.

Сложность заключается в том, что для получения водорода необходима электрическая энергия, а если эта энергия поступает из ископаемого топлива, то образуются выбросы. Напротив, производство так называемого зеленого водорода основано на использовании возобновляемых источников энергии для питания процесса электролиза 9.0010, с помощью которого из воды получают водород. Машина, отвечающая за этот процесс, называется электролизером.

Применение зеленого водорода.

СМОТРЕТЬ ИНФОГРАФИКУ: Применение зеленого водорода [PDF] Внешняя ссылка, открывается в новом окне.

ЧТО ТАКОЕ ЭЛЕКТРОЛИЗЕР И КАК ОН РАБОТАЕТ: ЭЛЕКТРОЛИЗ

Электролизер — это устройство, способное расщеплять молекулы воды на составляющие их атомы кислорода и водорода. Связи между двумя элементами очень стабильны, и для этого расщепления в процессе, называемом электролизом, необходима электрическая энергия [PDF] Внешняя ссылка, открывается в новом окне.

Эффективные электролизеры будут ключом к проникновению водорода в промышленность и внедрение водородных топливных элементов.

Один из крупнейших в мире электролизеров расположен в Фукусиме, Япония, на месте известной ядерной катастрофы. символизирует смену парадигмы в производстве энергии , поскольку он питается от солнечных батарей. Совсем недавно, в январе 2021 года, японский электролизер намного превзошел электролизер в Беканкуре, Канада, который состоит из устройства с полимерной мембраной производительностью 8,2 тонны в день.

Как работает электролизер

Впервые электролиз был открыт в 1800 году. После изобретения электрической батареи Алессандро Вольта в том же году другие химики пытались соединить свои полюса в емкости с водой. Они обнаружили, что ток протекает через воду и что водород и кислород разделяются на электродах.

Электролизер состоит из пакета токопроводящих электродов, разделенных мембраной, на которую подается высокое напряжение и ток. Это вызывает электрический ток в воде, который заставляет ее разлагаться на компоненты: водород и кислород. Полная система также включает насосы, силовую электронику, газосепаратор и другие вспомогательные компоненты, такие как резервуары для хранения.

Кислород, образующийся параллельно, выбрасывается в атмосферу или может храниться для последующего использования в качестве медицинского или промышленного газа в некоторых случаях. Водород хранится в виде сжатого газа или сжиженного газа для использования в промышленности или в водородных топливных элементах,

которые могут питать транспортные средства, такие как поезда, корабли и даже самолеты.

ТИПЫ ЭЛЕКТРОЛИЗАТОРОВ

В настоящее время существуют различные типы электролизеров в зависимости от их размера и функции. Наиболее часто используются:

Щелочной электролизер

В них используется раствор жидкого электролита, такого как гидроксид калия или гидроксид натрия, и вода. Водород производится в ячейке, состоящей из анода, катода и мембраны. Ячейки обычно собираются последовательно для одновременного производства большего количества водорода и кислорода. Когда ток подается на блок электролизеров, ионы гидроксида перемещаются через электролит от катода к аноду каждого элемента, образуя пузырьки газообразного водорода на катодной стороне электролизера и газообразного кислорода на аноде. Они используются уже более 100 лет и не требуют благородных металлов в качестве катализатора; однако они представляют собой громоздкое оборудование, получающее водород средней чистоты и не очень гибкое в эксплуатации.

Электролизер с протонообменной мембраной (ПЭМ)

Электролизер с протонообменной мембраной и твердым полимерным электролитом. Когда к батарее подается ток, вода расщепляется на водород и кислород, и протоны водорода проходят через мембрану, образуя газообразный водород на стороне катода. Они наиболее популярны, поскольку производят водород высокой чистоты и легко охлаждаются. Они лучше всего подходят для изменчивости возобновляемых источников энергии, компактны и производят водород высокой чистоты. С другой стороны, они несколько дороже, поскольку в качестве катализаторов используют драгоценные металлы.

Твердооксидный электролизер (SOEC)

SOEC работают при более высокой температуре (от 500 до 850 ºC) и потенциально могут быть намного более эффективными, чем PEM и щелочные электролизеры. Этот процесс называется высокотемпературным электролизом (ВТЭ) или паровым электролизом, и в качестве электролита используется твердый керамический материал. Электроны из внешней цепи соединяются с водой на катоде, образуя газообразный водород и отрицательно заряженные ионы. Затем кислород проходит через скользящую керамическую мембрану и вступает в реакцию на аноде, образуя газообразный кислород и генерируя электроны для внешней цепи. Технологически они менее развиты, чем вышеперечисленные.

Существуют и другие типы электролизеров, которые еще не столь эффективны или рентабельны, как описанные выше, но имеют большой потенциал для развития.

Одним из примеров является фотоэлектролиз, при котором использует только солнечный свет для разделения молекул воды без использования электричества. Однако для этого устройства требуются полупроводники, которые еще недостаточно развиты.

Что такое электролизер и для чего он используется?

Электролизеры

Электролизер представляет собой устройство, использующее электричество для расщепления воды или других компонентов на составные элементы посредством электролиза. Электролиз — это химическая реакция, при которой электрический ток проходит через вещество, вызывая его разложение на основные компоненты.

В случае электролиза воды электролизер использует электрический ток для расщепления молекул воды на водород и кислород. Газообразный водород может храниться как в сжатом, так и в сжиженном виде. Образовавшийся кислород выбрасывается обратно в воздух или улавливается и хранится для использования в других промышленных процессах.

Компоненты электролизера

Базовая форма электролизера состоит из электролитической ячейки с двумя электродами – катодом (отрицательный заряд) и анодом (положительный заряд) – и мембраной. Электролизерная система содержит блоки электролизеров, насосы, вентиляцию, резервуары для хранения, источник питания, сепаратор и другие рабочие компоненты.

Электролиз происходит в пакетах элементов при пропускании электрического тока через электролиты. Анод притягивает отрицательно заряженные ионы гидроксида (OH-), выделяя газообразный кислород (O2). Катод притягивает положительно заряженные ионы водорода (H+) и выделяет газообразный водород (h3).

Для чего используются электролизеры?

Электролизеры в основном используются для производства газообразного водорода. Водород необходим для промышленных процессов, включая производство аммиака для удобрений и топлива для топливных элементов, таких как автобусы, грузовики и поезда. Их можно использовать для хранения энергии путем преобразования избыточной электроэнергии из возобновляемых источников энергии, таких как энергия ветра, солнца и воды, в газообразный водород. Затем газ можно сжимать, хранить и использовать по мере необходимости.

Варьируясь по размеру и функциям, электролизеры можно масштабировать для удовлетворения различных потребностей на входе и выходе. Их площадь может варьироваться от небольших промышленных электролизных установок, установленных в транспортных контейнерах для производства на месте, до крупномасштабных централизованных установок по производству водорода, способных доставлять водород грузовиками или подключаться к трубопроводам для смешивания природного газа.

Электролизеры также являются технологией, дополняющей топливные элементы. Работая подобно батарее, топливные элементы производят электричество и тепло. В отличие от батареи, топливный элемент может производить бесконечное количество электроэнергии, если топливо, например водород, подается непрерывно. Топливные элементы, использующие водород, генерируют электричество с нулевым уровнем выбросов в момент использования для своих целей, что означает, что ископаемое топливо не требуется, и не создаются вредные выбросы.

Различные виды электролизеров

Существует три основных типа технологии электролиза воды: протонообменная мембрана (ПЭМ), щелочной и твердооксидный. Каждый электролизер работает немного по-разному в зависимости от используемого материала электролита.

Электролизеры с протонообменной мембраной (ПЭМ)

Электролизеры с протонообменной мембраной содержат протонообменную мембрану, в которой используется твердый полимерный электролит. Когда во время электролиза воды к его ячейкам подается электрический ток, вода расщепляется на водород и кислород. Протоны водорода проходят через мембрану, образуя h3 на катодной стороне.

Щелочные электролизеры

Щелочные электролизеры содержат воду и жидкий раствор электролита, такой как гидроксид калия (КОН) или гидроксид натрия (NaOH). Когда ток подается на щелочную ячейку, ионы гидроксида (ОН-) перемещаются через растворы электролита от катода к аноду каждой ячейки. На катоде образуются пузырьки газообразного водорода, а на аноде – газообразный кислород.

Твердооксидные электролизеры

Твердооксидные электролизеры или твердооксидные электролизеры (СОЭ) представляют собой твердооксидные топливные элементы, работающие в регенеративном режиме. В SOEC используется твердый оксидный или керамический электролит. Когда подается ток и на его катод подается вода, вода превращается в газообразный водород и ионы оксида. В то время как газообразный водород улавливается для очистки, ионы оксида перемещаются к аноду и высвобождают электроны во внешнюю цепь, превращаясь в газообразный кислород.

Электролизеры и производство зеленого водорода

Зеленый водород — это возобновляемый водород, полученный с использованием технологии электролиза воды и электричества, полученного из возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия или ветер. Он набирает беспрецедентный импульс во всем мире, и Accelera считает, что это ключевой компонент в ускорении перехода к экологически чистой энергии. Коммерциализация электролизеров может сделать зеленый водород более доступным и позволить энергетическим системам по всему миру претерпеть фундаментальные преобразования для снижения выбросов и уменьшения их негативного воздействия на окружающую среду.