Lựa chọn phương án bình sinh khí hydrogen

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

4.1. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BÌNH SINH KHÍ HYDROGEN

4.1.2. Lựa chọn phương án bình sinh khí hydrogen

Phương án bình sinh khí HHO bằng cách điện phân dung dịch NaOH . Sử dụng dòng điện 1 chiều 12 V, các điện cực là 9 tấm thép không gỉ (Hình 4.1)

Hình 4.1. Cấu tạo bình sinh khí hydrogen Đệm cao su

Bản cực âm

Đệm cao su

Đệm cao su Vải ni lông

Nguyên lý hoạt động: dung dịch NaOH từ bình chứa xuống bộ phận điện phân có chứa các tấm điện cực được nối với ắc quy 12V, nhờ dòng điện truyền vào các tấm điện phân dung dịch được điện phân. Lúc này hydro sẽ xuất hiện ở cực âm (electron đi vào trong nước ), và oxy sẽ xuất hiện ở cực dương. Theo ống dẫn khí đi vào bình nước an toàn rồi đến thiết bị cần tiêu thụ H2 (hình 4.2)

Phương pháp này dùng dòng điện để tách nước thành khí hydrogen và oxygen.Quá trình gồm hai phản ứng xảy ra ở hai điện cực. Hydrogen sinh ra ở điện cực âm và oxygen ở điện cực dương:

Phản ứng trên cathode: 2H O2 2eH22OH Phản ứng trên anode: 2 2 1 2 2

OHH O2O  e

________________________________________________________

Tổng quát: 2H O2 + điện năng 2H2O2

Dung dịch NaOH là chất điện phân tốt, do đó độ dẫn điện của nước tăng lên đáng kể. Chất điện phân tách thành cation và anion; các anion lao về phía cực dương và vô hiệu hóa sự tích tụ H + tích điện dương ở đó; tương tự, các cation lao về phía cực âm và vô hiệu hóa sự tích tụ của OH- tích điện âm ở đó. Điều này cho phép dòng điện liên tục.

Không thể điện phân trực tiếp nước nguyên chất bởi vì độ dẫn điện của nước rất nhỏ. Độ dẫn điện riêng của nước bằng 10-3cm-1Ω-1. Cho nên khi điện phân người ta phải cho thêm một số axit, kiềm, muối để làm tăng độ dẫn điện của dung dịch như: H2SO4, NaOH, KOH, Na2SO4. Dung dịch axit có độ dẫn điện lớn hơn dung dịch kiềm nhưng thực tế người ta không dùng vì tính ăn mòn mạnh. Dung dịch kiềm tuy độ dẫn điện riêng có thấp hơn một chút nhưng thiết bị chỉ cần vật liệu dễ kiếm như sắt thép thường. Bởi vậy người ta hay dùng kiềm.

 Quá trình catôt

Trong quá trình điện phân ở anôt oxy thoát ra còn ở catôt hydro thoát ra.

Có 2 cơ chế phóng điện tùy thuộc môi trường.

Trong môi trường axit hàm lượng H+ lớn nên H2 thoát ra là do H+ phóng điện, hydro nguyên tử tạo thành hấp phụ trên bề mặt catôt:

H+ + e + Me → (H – Me) Me: Kim loại catôt.

Vì ion hydro trong dung dịch bị hydrat hóa nên có thể viết giai đoạn phóng điện của nó ở dạng:

H O3 eMe(HMe)H O2

Giai đoạn sau của quá trình, hydro nguyên tử kết hợp thành phân tử:

2(HMe)H22Me

Ở điều kiện xác định, 2 giai đoạn của quá trình catôt: H+ phóng điện và H2

thoát ra có thể tiến hành đồng thời. Khi đó sẽ theo cơ cấu:

H O3 e(HMe)H2H O2 Me

Trong môi trường kiềm: Nồng độ H+ và phần điện mà nó chuyển rất nhỏ cũng như môi trường axit mà mật độ dòng điện rất cao, H+ không bị khử ở catôt mà do phân tử nước phân ly hay phóng điện thẳng để tạo thành H2:

2H O2 2eMeH22OHMe

Nếu trong dung dịch tồn tại các cation có điện thế dương hơn H2 chúng sẽ phóng điện tạo kết tủa: Các hợp chất của Sn, Pb, Zn, Fe, Cr, Mo và một số kim loại khác và như thế sẽ làm thay đổi điện thế H2 và các điều kiện tiến hành điện phân. Trong thực tế thường có một lượng sắt do ăn mòn thùng điện phân cho nên trên catôt tạo thành một lớp bột sắt.

Sự phụ thuộc của quá thế η trong phản ứng vào mật độ dòng điện ik ở mật độ dòng điện không quá nhỏ, được biểu diễn theo phương trình:

. .ln

. k

a R T i

 F

  (2.1)

Trong đó: a: Hằng số R: Hằng số khí T: Nhiệt độ, K F: Số Faraday α: Hệ số chuyển

Quá thế tỷ lệ với logarit của mật độ dòng điện: Khi tăng mật độ dòng điện, đầu tiên nó tăng nhanh, sau đó tăng chậm dần. Do đó trong khu vực mật độ dòng điện nhỏ, khi tăng mật độ dòng thì điện thế thùng điện phân sẽ tăng nhiều hơn trong khu vực mật độ dòng điện lớn.

Tăng nhiệt độ cũng giảm quá thế: Khi tăng nhiệt độ lên 10 thì quá thế giảm 2 -3mV.

Một phản ứng phụ xảy ra trên catôt đáng chú ý là phản ứng khử của oxy hòa tan:

O22H O2 4e 4OH

Phản ứng này tiến hành ở điện thế dương hơn phản ứng tạo thành hyđro nhưng tốc độ rất chậm, do độ hòa tan của oxy trong dung dịch kiềm nhỏ, nhất là ở nhiệt độ cao. Bởi vậy thùng điện phân làm việc với hiệu suất dòng điện catôt lớn 97 – 98%.

 Quá trình anôt

Oxy thoát ra trên anôt do sự phóng điện của OH- hay H2O. Trong môi trường axit ở mật độ bất kỳ cũng như trong môi trường kiềm mật độ cao thì OH- đến anôt bị hạn chế, sự phóng điện tạo thành oxy theo giả thiết sau:

2 2 1 2 2 H O e2O  H

Trong môi trường kiềm ở mật độ dòng điện vừa phải OH- đến phóng điện ở anôt:

4OH4e O2H O2

Quá trình oxy thoát ra trên anôt kèm theo sự oxy hóa bề mặt anôt. Bởi vậy khi điện phân lâu, nhiều anion đến anôt không phải là thành kim loại mà thành một màng oxyt trên bề mặt điện cực. Bản chất của lớp oxyt và độ gắn chặt giữa kim loại – oxyt ảnh hưởng đến quá thế nên điện thế anôt trong thùng điện phân công nghiệp làm việc lâu dương hơn trong thùng điện phân ở điều kiện thí nghiệm, sai lệch khoảng 0,15-0,18V.

Hyđro hòa tan trong dung dịch và bị oxy hóa một phần trên anôt:

H22OH2e2H O2

Nhưng quá trình này rất ít xảy ra, vì vậy hiệu suất dòng điện anôt gần 100%.

 Dung dịch

Để chọn nồng độ kiềm thích hợp cần phải biết độ dẫn điện riêng của dung dịch phụ thuộc nồng độ kiềm như thế nào. Ở 8000C gần với nhiệt độ của thùng điện phân công nghiệp độ dẫn điện cực đại ở nồng độ 22% trong dung dịch NaOH và 32% trong dung dịch KOH. Trong thực tế, người ta dùng NaOH 16 – 18% và KOH 25 – 29%.

Như vậy độ dẫn điện riêng của dung dịch không giảm bao nhiêu, nhưng đỡ tiêu hao kiềm, giảm độ ăn mòn mặc dù thép ăn mòn trong môi trường kiềm rất ít, nhưng khi tăng nồng độ kiềm thì nó tăng. Để chống ăn mòn thường người ta pha thêm 2g/l K2Cr2O7. Ở đây ta chỉ sử dụng NaOH vì KOH đắt hơn.

 Điện cực

Khi điện phân trong dung dịch kiềm với điện cực là kim loại thuộc nhóm sắt thì khoảng anôt chứa ít các bọt khí. Ngược lại ở catôt có rất nhiều các bọt nhỏ ở khắp chiều dày dung dịch và làm tăng điện trở dung dịch rất rõ rệt. Hiện tượng này không phải do trên catôt H2 thoát ra lớn gấp 2 lần oxy thoát ra trên anôt mà do khi điện phân, điện cực niken hoặc sắt có điện thế catôt xa điện thế điểm không tích điện hơn điện thế anôt. Bởi vậy độ thấm ướt catôt lớn hơn anôt.

Vì trên catôt phân tử bề mặt mạnh hơn, do đó các bọt khí tách ra khỏi bề mặt nhỏ hơn trên anôt.

Hình 4.2. Phương án bình sinh khí HHO bằng cách điện phân dung dịch NaOH