Сутегіні электрохимиялық жолмен алу әдістемесін интенсивтендіру жолдарын критикалық тұрғымен бағалаңыз

Сутегіні электрохимиялық жолмен өндіру процесіне көптеген параметрлер әсер етеді. Олардың бірі электродтардың материалы. Электролиз кезінде электрод потенциалы поляризация әсерінен жылжып кетеді. Осылайша катод потенциалы сутек аса кернеуі мөлшеріне электр теріс, ал анодтың потенциалы оттегі аса кернеуі мөлшеріне электр оң жылжиды. Осы аса кернеу мөлшерін Тафель теңдеу бойынша есептейді.

Мұндағы, а және b теориялық коэффициенттер, i– тоқ тығыздығы А/м².

А коэффициенті катодтың материалына байланысты, яғни бұл шама аз болған сайын электроиз процессі тиімдірек болады. B – температуралық коэффициент. Осы коэффициенттер әр түрлі материалдар үшін меншікті болады. Әдетте ең тиімді материал ретінде катодта алюминий немесе болатты қолданылады, ал анод ретінде100мкм қалындықпен никельмен қабатымен қапталған болатты электрод қолданысқа ие. Бұл электродтар коррозияға тұрақты және су ыдырау потенциалдарында инертті болады.

Аса кернеудің нәтижесінде электролиз басталатын кернеу теориялық ыдырау кернеуден жоғары болады. Ыдырау кернеуінен басқа кернеулердің барлығы кажетсіз және оларды азайтудың маңызы үлкен.

Электролиттің өткізгіштігін бірқалыпты ұстап тұру үшін оның араласып тұруын қадағалап тұру қажет, себебі катодтық және анодтық аймақтарды сәйкесінше катиондар мен аниондар жиналып, электролит біртексіз болып кетеді. Осы араластыруды іске асыру үшін ағынды ұяшықты электролизерлер қолданылады. Нәтижесінде электролит ұяшықтан ұяшыққа ағынмен өтіп, араласады.

Бастапқы реагент ретінде реакцияға су жұмсалады да, таза судың электролизердегі мөлшері азаяды. Бұл өз кезегінде қажетсіз қоспалардың концентрациясын арттырады. Мұны жою үшін жаңа суды қосып тұрады. Суға қойылатын талаптардың ішінде негізгісі – оның құрамында темір және хлор иондарының сәйкеіснше 6мг/л және 3 мг/л мөлшерден аспайтын және карбонаттардың 10мг/л аспайтын су . Себебі осы иондардың әсерінен тоқ бойынша шығым өсіп, электродтар беттері ластанады және коррозияға ұшырайды және электролиттің кедергісі өсіп және анодтық аса кернеу өседі. Сол үшін суды алдымен сорбенттерден өткізіп тазалайды. Сорбент ретінде әдетте ион алмасушы шайырларды қолданылады. Судың бір бөлігі бөлінетін газдармен бірге жоғалады.

Электролизерде электродтардың арасында газдардың араласуын болдырмау үшін диафрагма қойылады. Оған қойылатын талаптардың ішінде төмен кедергісі және жақсы жұғуы. Әдетте қалындығы 0,1-0,3 мм асбесттік диафрагмалар қолданысқа ие.

Келесі маңызды параметлердің бірі – электродты тоқ тығыздықтары. Тоқ тығыздығы электрохимиялық реакцияның жылдамдығын сипаттайтын шама. Суды электролитикалық ыдырату кезінде өндірістік тоқ тығыздықтары электролизер құрылысына байланысты кең ауқымды өзгереді. Ескі құрылысты электролизерлерде тоқ тығыздықтары 0,4-0,6 кА/м² құраған. Алайда бұл шек реакцияның тез жүруі нәтижесінде бөлінетін газдардың көп болуы әсерінен электрлит кедергісінін артуымен қойылады. Жана құрылысты электролизерлерде газды жылдам алу, электрод беттерін белсендіру және осының әсерінен газдардың аса кернеулерін төмендету әсерінен тоқ тығыздықтарын 2,5-3,7 кА/м² дейін жоғарлатуға мүмкіндік берді .

Маңызды параметрлердің бірі ол оптималды электролит құрамын таңдау. Таза судың электрөткізгіштігі төмен болуы тиіс – 10^-4 см/м. оның Құрамында темір және хлор иондарының сәйкеіснше 6мг/л және 3 мг/л мөлшерден аспайтын және карбонаттардың 10мг/л аспайтын су қажет. Оның электр өткізгіштігін арттыру үшін , сутегі және оттегі түзілу потенциалдарында электрохимиялық реакцияға қатыспайтын, электрөткізгіштігі жоғары қосылыс қажет болды. Осыған сай сілтілер өте тиімді болды – натрий және калий гидроксидтері. Олардың төмен бағасы да тиімді әсер етті.

Су электролизінің температурасын арттыру үшін және нәтижесінде жалпы ұяшықтағы кернеудің түсуін азайту мақсатында электролизді қысым астында жүргізеді. Осыйлайша газдардың өзіндік құны азаяды, себебі 10⁶Па қысымда алынған газдарды әрмен қарай компрессорда сығудың қажеті болмайды. Осылайша алынған электр шығымы , қалыпты қысымдағы электр шығымынан 0,11 кВт сағ/м3-қа аз болады.

Су электролизінің тиімділігін арттыру үшін, яғни ыдырау кернеуінен басқа кернеулерді және қажет емес құбылыстардан құтылу үшін біршама шаралар қолданылады, яғни интенсификация шараларын іске асыру қолданылады. Нәтижесінде экономикалық жағынан өзіндік құны төмен, сапасы халықаралық стандарттарға сай сутек және оттегі газдарды алынуы іске асырылуы мүмкін өндірістік қондырғылар құралады. Әр түрлі термоэлектрохимиялық циклдер арқылы интенсификация іске асады.