الکترولیز آب برای تولید H2 و O2
آندهای تیتانیوم، بخشهای کلیدی تجهیزات هیدروژن و اکسیژن الکترولیتی، کیفیت پایداری دارند، سازگار با محیطزیست هستند و آلودگی ثانویه ندارند، مازاد پتانسیل کم، اثر صرفهجویی در انرژی خوب دارند و میتوانند 15-20 درصد انرژی را ذخیره کنند. بشقاب، مش، شکل لوله و قطعات خاص شکل وجود دارد.
1. پیشرفت تحقیق در مورد تولید هیدروژن از طریق الکترولیز آب تولید هیدروژن با الکترولیز آب وسیله مهمی برای دستیابی به تهیه صنعتی و کم هزینه H2 است و می تواند محصولاتی با خلوص 99% تا 99.9% تولید کند. هر سال، مصرف برق کشور من برای تولید هیدروژن با الکترولیز آب به بیش از (1.5×107) کیلووات ساعت می رسد. هنگامی که جریان بین الکترودها عبور می کند، هیدروژن در کاتد تولید می شود، اکسیژن در آند تولید می شود و آب الکترولیز می شود [2]. بخش اصلی تجهیزات تولید هیدروژن الکترولیز آب، سلول الکترولیتی است و مواد الکترود کلید سلول الکترولیتی است. کیفیت عملکرد الکترود تا حد زیادی ولتاژ سلول و مصرف انرژی الکترولیز آب را تعیین می کند و به طور مستقیم بر هزینه تأثیر می گذارد. راندمان تأمین برق برای تجزیه آب برای تولید هیدروژن معمولاً 75 تا 85 درصد است. این فرآیند ساده و بدون آلودگی است، اما مصرف برق زیاد است، بنابراین کاربرد آن مشمول محدودیتهای خاصی است. الکترولیز آب در یک سلول الکترولیتی انجام می شود که با الکترولیت پر شده و توسط یک دیافراگم به یک محفظه آند و یک محفظه کاتد تقسیم می شود. الکترودها در هر محفظه قرار می گیرند. از آنجایی که آب رسانایی بسیار کمی دارد، از محلول آبی (غلظت حدود 15 درصد) با الکترولیت استفاده می شود. هنگامی که جریان بین الکترودها با ولتاژ مشخصی عبور می کند، هیدروژن در کاتد و اکسیژن در آند تولید می شود و در نتیجه الکترولیز آب حاصل می شود. از نظر تئوری، فلزات پلاتین ایده آل ترین فلزات برای الکترودهای الکترولیز آب هستند، اما در عمل، اغلب از الکترودهای آهن با روکش نیکل برای کاهش هزینه های تجهیزات و تولید استفاده می شود. هنگامی که آب الکترولیز می شود، فرمول واکنش الکترود به شرح زیر است [3]. در محلول اسیدی، واکنش کاتدی: 4H++4e{18}}H2∏=0V واکنش آند: 2H2O =4}H++}}}2+4e∏ =1.23V در محلول قلیایی، واکنش کاتدی: 4H2O +4e=2H2+4OH∏=-0}.۸۲۸V واکنش آند: 4OH-=2 H2O+O2+4e∏=0.401V همانطور که از فرمول بالا مشخص است، واکنش کلی الکترولیز آب به صورت زیر است، چه در محلول اسیدی و چه در محلول قلیایی. 2H2O{44}}H2+O2 ولتاژ تجزیه نظری آب ربطی به مقدار pH ندارد، بنابراین محلولهای اسیدی یا قلیایی میتوانند به عنوان الکترولیت استفاده شوند. با این حال، از منظر ساختار سلول الکترولیتی و انتخاب مواد، استفاده از محلول های اسیدی مستعد خطاهای مختلف است. بنابراین محلول های قلیایی در حال حاضر در صنعت استفاده می شوند.
(1) فناوری الکترولیز قلیایی سنتی الکترولیز آب قلیایی در حال حاضر یک روش معمول و بالغ برای تهیه هیدروژن است. این روش به تجهیزات بالایی نیاز ندارد و سرمایه گذاری عمدتاً در تجهیزات متمرکز است. هیدروژن تولید شده از خلوص بالایی برخوردار است، اما راندمان آن چندان بالا نیست. این فرآیند همچنین نسبتاً سازگار با محیط زیست و بدون آلودگی است، اما برق زیادی مصرف می کند و بنابراین مشمول محدودیت های خاصی است. فشار الکترولیز آب در صنعت به طور کلی بین 1.65 و 2.2 ولت است. عمر مفید مواد الکترود و مصرف انرژی الکترولیز آب از عوامل کلیدی در ارزیابی کیفیت مواد الکترود الکترولیز آب قلیایی هستند. هنگامی که چگالی جریان زیاد نباشد، عامل اصلی تأثیرگذار، مازاد پتانسیل است. هنگامی که چگالی جریان افزایش می یابد، افت ولتاژ بیش از حد پتانسیل و مقاومت به عوامل اصلی مصرف انرژی تبدیل می شود. در کاربردهای عملی، الکترودهای صنعتی باید ویژگی های زیر را داشته باشند [3]: (1) مساحت سطح بالا. (2) رسانایی بالا؛ (3) فعالیت الکتروکاتالیستی خوب؛ (4) پایداری مکانیکی و شیمیایی طولانی مدت؛ (5) بارش حباب کوچک؛ (6) گزینش پذیری بالا؛ (7) به دست آوردن آسان و کم هزینه. (8) ایمنی الکترولیز آب اغلب به چگالی جریان بیشتری نیاز دارد (بیش از 4000 A/m2)، بنابراین نقاط 2 و 4 اهمیت بیشتری دارند. از آنجایی که رسانایی بالا می تواند اتلاف انرژی ناشی از قطبش اهمی را کاهش دهد، پایداری بالا عمر طولانی مواد الکترود را تضمین می کند. 1 و 3 الزامات کاهش مازاد پتانسیل تکامل هیدروژن و اکسیژن هستند و همچنین شاخص های مهمی برای ارزیابی عملکرد الکترود هستند.
(2) الکترولیت پلیمر جامد فناوری الکترولیز آب SPE از آنجایی که الکترولیز با مایع به عنوان الکترولیت دارای راندمان پایینی است، حرکت آن راحت نیست و اغلب نیاز به تعمیر و نگهداری دارد، مردم به طور فعال به دنبال الکترولیت های جدید هستند که باعث توسعه و تحقیقات کاربردی پلیمر جامد شده است. الکترولیت (SPE)، همچنین به عنوان غشای تبادل پروتون (PEM) شناخته می شود. در حال حاضر، الکترولیز از غشای جامد Nafion perfluorosulfonic acid به عنوان الکترولیت استفاده می کند. در این الکترود از فلزات گرانبها یا اکسیدهای آنها با عملکرد کاتالیزوری بالا استفاده می شود که به صورت پودر با سطح ویژه بزرگ ساخته می شوند و با استفاده از تفلون در دو طرف غشاء Nafion چسبانده و فشرده می شوند تا ترکیبی پایدار از غشا و الکترود ایجاد شود.
(3) فرآیند الکترولیز بخار با دمای بالا روش دیگر تولید هیدروژن با الکترولیز آب، الکترولیز بخار با دمای بالا است. این روشی است که از سلول های سوختی اکسید جامد به دست می آید. محفظه الکترولیز معمولاً از ZrO2 تثبیت شده Y2O3-به عنوان الکترولیت استفاده می کند. هر چه دما بیشتر باشد، مقاومت کمتر است. با این حال، از منظر مقاومت حرارتی مواد، حد دمای بالایی ترجیحا 1000 درجه است. معمولاً از یک بدنه مخلوط نیکل و سرامیک به عنوان کاتد استفاده می شود و از اکسید کامپوزیت تیتانیوم کلسیم رسانا به عنوان آند استفاده می شود.
2. توسعه تولید بیولوژیکی هیدروژن موضوع استفاده از میکروارگانیسم ها برای تولید هیدروژن برای دهه ها مورد مطالعه قرار گرفته است. در دهه 1930، اولین گزارش تخمیر تاریک باکتریایی برای تولید هیدروژن گزارش شد. متعاقباً، در سال 1942، گافرون و روبین گزارش دادند که جلبک های سبز از انرژی نور برای تولید هیدروژن استفاده می کنند و در سال 1949، گست و کامن باکتری های تولید کننده هیدروژن فوتوتروف را کشف کردند. اسپرویت در سال 1958 تایید کرد که جلبک ها می توانند هیدروژن را از طریق فتولیز مستقیم بدون نیاز به تثبیت دی اکسید کربن تولید کنند. تحقیقات هیلی (1970) نشان داد که وقتی شدت نور خیلی زیاد باشد، فرآیند تولید هیدروژن Chlamydomonas moewsuii به دلیل تولید اکسیژن مهار می شود. در طول بحران انرژی در دهه 1970، تحقیقات زیادی در مورد تولید بیوهیدروژن در سراسر جهان انجام شد. Thauer در سال 1976 اشاره کرد که تخمیر تاریک در تولید واقعی به سختی اعمال می شود زیرا حداکثر می تواند 4 مول هیدروژن و 2 مول اسید استیک از 1 مول گلوکز تولید کند. باکتری های فوتوتروف می توانند به طور کامل سوبستراهایی مانند اسیدهای آلی را به هیدروژن تبدیل کنند، بنابراین از آن زمان، تحقیقات در مورد تولید بیوهیدروژن اساساً بر روی تخمیر نوری متمرکز شده است. در اوایل دهه 1980، حمایت از انرژی های تجدیدپذیر در برنامه های تحقیق و توسعه (R&D) در سراسر جهان به تدریج کاهش یافت. در اوایل دهه 1990، مشکلات زیست محیطی به طور فزاینده ای جدی شد و توجه مردم به انرژی های جایگزین متمرکز شد. با حمایت تحقیق و توسعه تولید بیوهیدروژن در آلمان، ژاپن و ایالات متحده، زمینه جلبک ها با استفاده از انرژی نور برای تولید هیدروژن از آب به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است. با این حال، بازده کلی تبدیل انرژی خورشیدی در این فرآیند هنوز بسیار پایین است. از سوی دیگر، تخمیر تاریک و باکتری های فوتوتروف می توانند هیدروژن را از بسترهای ارزان قیمت یا زباله های آلی تولید کنند. از آنجایی که هم می تواند انرژی پاک تولید کند و هم زباله های آلی را تصفیه کند، دولت های ایالات متحده و ژاپن از چندین برنامه تحقیقاتی بلندمدت حمایت کرده اند. انتظار می رود که کاربرد عملی فناوری تولید بیوهیدروژن در اواسط قرن بیست و یکم محقق شود. بیش از نیم قرن از کشف تولید هیدروژن میکروبی می گذرد، اما تولید بیوهیدروژن در عمل اعمال نشده است. بسیاری از مشکلات فنی مانند غربالگری میکروارگانیسمها، طراحی راکتورها و بهینهسازی شرایط عملیاتی هنوز حل نشده است و هزینه این فناوری نیز مورد توجه قرار گرفته است. از نظر اقتصادی، فناوری تولید بیوهیدروژن نمی تواند با فناوری تولید هیدروژن شیمیایی سنتی در آینده نزدیک رقابت کند. با این حال، از منظر حفاظت از محیط زیست، چشم انداز تولید بیوهیدروژن بسیار گسترده خواهد بود. تولید بیوهیدروژن شامل: سیستم تولید بیوهیدروژن فتوسنتزی (همچنین به عنوان سیستم تولید هیدروژن بیوفوتولیز مستقیم شناخته می شود). سیستم تولید بیوهیدروژن فوتولیز (همچنین به عنوان سیستم تولید هیدروژن بیوفوتولیز غیر مستقیم نیز شناخته می شود). فتوسنتز باکتری هتروتروف واکنش تبدیل گاز آب سیستم تولید هیدروژن; سیستم تولید بیوهیدروژن با تخمیر نوری؛ سیستم تولید بیوهیدروژن تخمیر بی هوازی (همچنین به عنوان سیستم تولید بیوهیدروژن تخمیر تاریک نیز شناخته می شود). سیستم تولید بیوهیدروژن هیبرید فتوسنتز-تخمیر؛ سیستم تولید بیوهیدروژن هیدروژناز در شرایط آزمایشگاهی و غیره. انرژی هیدروژن یک منبع انرژی پاک و با ارزش حرارتی بالا است. استفاده از منابع آب تجدیدپذیر در طبیعت برای تولید هیدروژن بدون شک روش ارجح برای بشر در آینده است.
پس از بیش از نیم قرن تحقیق، اگرچه تولید هیدروژن با الکترولیز آب و فناوری تولید بیو هیدروژن پیشرفت زیادی داشته است، اما هنوز اساساً در مرحله توسعه هستند و هنوز مورد استفاده عملی قرار نگرفته اند. عوامل محدودکننده مختلفی مانند راندمان تبدیل انرژی خورشیدی پایین، مصرف انرژی بالای تولید هیدروژن الکترولیز آب، مهار محصول، شرایط عملیاتی و غیره باعث میشوند که نرخ تولید هیدروژن در سیستمهای تولید هیدروژن موجود به اندازه کافی بالا نباشد یا مقرون به صرفه نباشد و بسیاری از تنگناهای دیگر نیاز داشته باشند. بیشتر شکسته شود. به منظور کاهش بیشتر هزینه های تولید و افزایش بهره وری تولید، ما برای عملیات تجاری آینده آماده خواهیم شد.
شرکت: Baoji Dynamic Trading Co., Ltd
کشور: چین
اضافه کردن: جاده بائوتی، جینتای، شهر بائوجی، شانشی، چین
Cel٪ 3a٪ 7b٪ 7b0٪ 7d٪ 7d (WHATSAPP)
جیمیل:alisa@jmyunti.com
وب سایت: www.jm-titanium.com
