Создание и оптимизация Электролизеров: Изготовление, Обвязка и Важность

Что такое электролиз воды?

Электролиз — это химический процесс, в ходе которого разложение химических соединений происходит под воздействием электрического тока. Электролиз используется для разделения веществ, находящихся в растворе или плавящихся состояниях, на их химические компоненты, которые называются ионами.

Говоря простым языком, во время процесса электролиза молекулы разделяются на ионы. Например, серная кислота H2SO4 распадается на ионы H2 и SO4. То же самое произойдет с натрием хлоридом, также известным как хлорид натрия, который распадется на ионы натрия и хлора.

Приступая к электролизу воды, мы можем увидеть, как электрический ток проходит через водный раствор электролита (обычно щелочной раствор) и разлагает молекулу воды на два атома водорода H и один атом кислорода O. Элементы, находящиеся в ионизированном состоянии, движутся к электродам, также известным как поля тока. Ионы водорода двигаются к отрицательному (-) полюсу источника тока, в то время как ионы кислорода двигаются к положительному полюсу (+). Следовательно, молекула H2 состоит из двух атомов водорода, а молекула O2 состоит из двух атомов кислорода.

В процессе электролиза воды образуется водород и кислород в соотношении 2:1. Эти газы можно собирать по отдельности, если электролизер оборудован двумя выходными трубками, которые обязательно должны находиться над полюсами. В противном случае они могут смешиваться в одном выходном отверстии, образуя так называемый газ Брауна или гремучий газ, который обозначается как HHO.

Следует отметить, что газ Брауна является чрезвычайно взрывоопасным веществом. Тем не менее, его можно считать идеальным топливом, так как в нем содержатся как топливо (водород), так и окислитель (кислород), уже находящиеся в оптимальных пропорциях для горения. В результате использования газа Брауна нет необходимости в дополнительных устройствах для смешивания, как, например, в реактивных двигателях.

Электролиз воды может проводиться с использованием как постоянного, так и импульсного тока. Импульсный электролиз, согласно утверждениям, может увеличить КПД электролизера на 10-15%. Для этого применяется специальная электрическая схема, часто используемая в изготовлении сухих электролизеров и ячеек Стенли Мейера.

Формула распада воды

Во время электролиза, молекулы электролита подвергаются расщеплению на их составные элементы. Например, при электролизе серной кислоты (H2SO4), молекула этого соединения распадается на водород (H2), кислород (O2) и серный ангидрид (SO3). Однако, наиболее распространенным примером электролиза является электролиз воды. Вода, под действием электрического тока, разлагается на водород и кислород согласно следующей формуле:

На аноде (положительный электрод):
2H2O(l) → O2(g) + 4H+(aq) + 4e-

На катоде (отрицательный электрод):
4H2O(l) + 4e- → 2H2(g) + 4OH-(aq)

Следовательно, в результате электролиза одной молекулы воды образуется два атома водорода и один атом кислорода. Это является важным процессом с разнообразными применениями, включая производство водородного топлива, исследования в области аналитической химии и другие области науки и технологии. Газовая смесь, полученная при электролизе воды, называется газом Брауна, или гремучим газом, и обозначается как HHO. Важно отметить, что газ Брауна является взрывоопасным, и его применение требует особой осторожности. Его можно использовать в различных типах двигателей как основное топливо или как дополнительное топливное вещество, а также в газовой сварке и резке.

Основные типы электролизера

В электролизере происходит электролиз, то есть разделение электролита на его компоненты. Прежде чем перейти к устройству электролизера, давайте рассмотрим его основные типы.

Существует три основных типа электролизеров:

1. Сырой электролизер: В данном типе электролизера рабочее тело полностью погружено в емкость с водой.
2. Сухой электролизер: В таком электролизере рабочее тело служит и емкостью для электролита (воды).
3. Электролизер (ячейка) Стэнли Мейера: Это особый тип сырого электролизера.

Теперь давайте подробнее рассмотрим каждый из них:

Сырой электролизер

Сырой электролизер: Внутри такого электролизера находится блок из электропроводных пластин. Обычно для изготовления этих пластин используется нержавеющая сталь AISI-304 или AISI-316. Для проведения электролиза необходимо минимум две пластины, которые образуют одну ячейку. Для питания одной ячейки требуется напряжение 2 Вольта. Ниже приведена таблица, показывающая зависимость количества пластин от напряжения источника тока.

Напряжение источника тока	Количество ячеек	Количество пластин
12 В	6	7
36 В	18	19
110 В	55	56
220 В	110	111

В сыром электролизере, где блок пластин полностью погружен в воду, существуют значительные напряженные падения между пластинами, что приводит к значительным различиям в напряжении между первой и последней пластиной. В таких условиях даже небольшая искра может вызвать взрыв. Сырой электролизер, с другой стороны, остается относительно безопасным вариантом при использовании 12-вольтовой схемы. Необходимо отметить, что сырой электролизер является самым простым по конструкции типом электролизера, и практически любой человек может его сделать.

Сухой электролизер

По сравнению с первым типом сухой электролизер выглядит более совершенным. В нем нет отдельной емкости, предназначенной для хранения электролита. Блок пластин с изолирующими прокладками и боковыми стенками служит как рабочим телом, так и емкостью для электролиза. В сухом электролизере ячейки находятся на расстоянии друг от друга и соединены только шахматными отверстиями для циркуляции воды. Это значительно снижает потери электроэнергии устройства. Так как нет опасности разбить емкость или пролить электролит, сухой электролизер более удобен в транспортировке. Такая конструкция позволяет сухому электролизу использоваться как источник топлива, а также как идеальный электрохимический компрессор, способный создавать давление, которое его корпус может выдержать.

Электролизер Стэнли Мейера

Электролизер Стэнли Мейера, также известный как ячейка Мейера, — это особый тип сырого электролизера. Отличается от других типов электролизеров в значительной степени. В данном случае используется блок из двух трубок, одна из которых вставлена в другую, а не пластин. Эти блоки создаются на основе конкретных требований и количества.

При использовании блоков из двух трубок можно получить отдельные ячейки. Тем не менее, для работы с такими электролизерами требуются специальные знания и навыки в управлении напряжением и током. Кроме того, большинство исследователей до сих пор не знают уникальной схемы управления, разработанной Стэнли Мейером.

Классификация электролизеров

Для лучшего понимания разнообразия электролизеров, давайте разделим их на категории:

• Диафрагменные и мембранные;
• Моно- или биполярные;
• Ящичные или фильтр-прессные;
• С вертикальным или горизонтальным расположением электродов;
• С внешней или внутренней сепарацией газов;
• С ртутным катодом.

Если учесть мощность как ключевой фактор, это также поможет выбрать подходящую конструкцию, например, электролизеры с низкой нагрузкой имеют монополярные ящичные дизайны, а электролизеры с высокой нагрузкой — биполярные фильтр-прессные с многочисленными ячейками.

Электролиз под давлением и при нагревании

При электролизе воды молекулы воды (H2O) разлагаются на молекулы водорода (H2) и кислорода (O2). Одной из привлекательных особенностей этого процесса является то, что объем газов, создаваемых в результате электролиза, значительно больше начального объема воды. В частности, объем газов примерно в 1868 раз превысит объем исходной жидкости. Это означает, что в соответствии с его конструктивными параметрами электролизер способен создавать высокое давление в системе и выдерживать любое давление.

Давление	10	100	200
Экономия, кВт*ч/м3	0,11	0,21	0,23
Снижение напряжения, Вольт	0,075	0,142	0,156

Изготовление электролизера

Изготовление электролизера сырого типа

Изготовление сырого электролизера начинается с выбора банки для воды и крышки. Крышку следует оборудовать тремя отверстиями: двуми для закрепления пластин и одним для газоотводящего штуцера. После этого, путем вырезания, формируются две пластины, которые закрепляются с помощью изоляционных прокладок к крышке, аналогично и с штуцером. Все места соединений тщательно проклеиваются герметиком. Затем в банку наливается электролит (процесс изготовления электролита будет описан ниже), крышка надевается на банку, опять-таки с применением герметика, и подключаются клеммы для подачи питания. Таким образом, собирается сырой электролизер.

Изготовление электролизера сухого типа

Сначала производится вырезание 7 пластин для 12-вольтовой схемы, а также 2 боковых пластин, которые могут быть изготовлены из оргстекла или нержавеющей стали толщиной около 4 мм. Кроме того, нужно подготовить 8 резиновых прокладок шириной стенок 1 см. Эти компоненты будут использованы для сборки электролизера.

Сборка производится следующим образом: боковая пластина, резиновая прокладка, пластина, резиновая прокладка, и так далее, пока все пластины не будут собраны. Затем все это крепится болтами, и важно изолировать болты от корпуса. Сначала устанавливаются угловые болты и затягиваются аккуратно, чтобы избежать искривления конструкции. Затем устанавливаются серединные болты, затягиваются, и после этого устанавливаются оставшиеся болты. Болты затягиваются так, чтобы толщина сборки уменьшилась примерно на 10% от начальной толщины.

Далее, в боковую пластину вкручиваются 2 штуцера: один для вывода газа, а другой для циркуляции воды. Это позволяет легче управлять пеной, которая может образовываться во время электролиза. Пена попадает в бак циркуляции, где может быть устранена, а газ продолжает движение. Электролизер также может быть заполнен эпоксидной смолой, чтобы выдерживать более высокое давление, до 8-10 атмосфер.

Важно также учесть, что диаметр отверстий для циркуляции газа и жидкости должен быть подобран в зависимости от скорости выделения газа, чтобы предотвратить газозаполнение. Вот некоторые рекомендуемые размеры для отверстий:

• 1 л/мин – 4 мм
• 2 л/мин – 5 мм
• 3 л/мин – 6 мм
• 20 л/мин – 16 мм

Изготовление ячейки Мейера

Изготовление ячейки Стэнли Мейера состоит из двух трубок, вставленных друг в друга, в качестве рабочего тела. Процесс изготовления сырого электролизера похож на этот процесс. Количество таких ячеек зависит от необходимой мощности, но обычно создают от четырех до шести.

Электролизеру Стэнли Мейера нужна импульсная схема питания, чтобы он работал эффективно. Этот метод управляет подачей тока в ячейки с определенной частотой и амплитудой. Тем не менее, следует отметить, что до сих пор никто не смог точно воссоздать ячейку Стэнли Мейера, что делает ее загадочным устройством с неизвестными деталями конструкции.

Изготовление обвязки

Обвязка для электролизера состоит из нескольких компонентов, которые облегчают и оптимизируют работу устройства. Важно отметить, что эти элементы не являются строго обязательными, но они значительно улучшают функциональность и безопасность электролизера. Вот более подробно о каждом из элементов:

1. Бак циркуляции: Этот бак используется для циркуляции воды и осушения газа. Обычно для него подходит бак от тормозной жидкости. Важно, чтобы у него было три штуцера: один внизу для отвода воды, второй в середине для подачи газа из электролизера, и третий сверху для отвода газа. Бак должен быть расположен выше электролизера, чтобы обеспечить нормальную циркуляцию воды.
2. Накопительный бак: Этот бак необходим для накопления и хранения произведенного газа. Для его изготовления используется бак или баллон, который способен выдерживать высокое давление. В нем делаются три отверстия: одно для накачки газа, второе для отвода газа и третье для установки манометра. Манометр важен для контроля давления и предотвращения создания критического давления, при котором может произойти самовоспламенение газа Брауна. В отверстия для накачки и отвода газа устанавливаются электроклапаны для управления проходом газа.
3. Гидрозатвор (баблер, пузырьковая камера): Это устройство предотвращает обратное движение пламени. Для его изготовления нужна прозрачная герметичная емкость с крышкой, шлангом и штуцером. В емкость наливают воду, а в крышку вкручивают штуцер и устанавливают трубку так, чтобы она была погружена в воду. Газ поступает через трубку и поднимается в виде пузырьков на поверхность воды, где выводится через штуцер. Это устройство предотвращает возможное возвращение пламени обратно в электролизер.

Эти компоненты дополняют электролизер, делая его более безопасным и эффективным для производства и использования газа Брауна или других газов.

Схема питания электролизера

В импульсной схеме питания, ток подается электролизеру в виде коротких импульсов с заданной частотой и амплитудой.

Эта схема использует высоковольтную схему, вдохновленную подходами, разработанными Стэнли Мейером.

Возможно, предпочтительнее будет схема Дэйва Лоутона, которая также часто используется и считается более простой для изготовления. Плата управления Arduino может быть использована для управления этой схемой.

Схема Дэйва Лоутона включает в себя следующие компоненты:

1. Микросхема NE555 — 2 шт.
2. Транзистор BUZ-350 — 1 шт.
3. Диоды 1N4007 — 1 шт., 1N4148 — 4 шт.
4. Резисторы: 220 Ом — 1 шт., 820 Ом — 1 шт., 100 Ом — 6 шт.
5. Переменные резисторы: 10 кОм — 2 шт., 47 кОм — 2 шт.
6. Конденсаторы: 1 мкФ — 1 шт., 10 мкФ — 1 шт., 47 мкФ — 1 шт., 100 мкФ 16 В — 2 шт.
7. Конденсаторы: 10 нФ — 3 шт., 100 нФ — 1 шт., 220 нФ — 1 шт.

Для сборки этой схемы необходимо иметь отдельную текстолитовую плату, которую можно заказать в специализированных мастерских или изготовить самостоятельно.

Приготовление электролита

Электролит — это критически важная часть процесса электролиза. Если вы не приготовите качественный электролит, процесс электролиза может не начаться вообще, или начнется с очень низкой скоростью и с большим количеством примесей в выделившемся газе. При электролизе воды особенно важно, чтобы составные части электролита, а именно положительные (+) ионы, имели меньший электронный потенциал, чем водород.

Например:

1. Водород (H) — 0.0
2. Магний (Mg) -2
3. Натрий (Na) -2.71
4. Кальций (Ca) -2.87
5. Калий (K) -2.92

В основном для электролиза воды используют растворы щелочей, такие как NaOH (гидроксид натрия) или KOH (гидроксид калия) и т.д.

Также можно использовать растворы NaHCO3 (пищевая сода) или NaCl (поваренная соль), но их использование может привести к образованию большого количества осадка, что может негативно сказаться на работе электролизера. Поэтому рекомендуется использовать водные растворы щелочей для более эффективного процесса электролиза.

Вот рецепт подготовки электролита для электролиза воды:

Ингредиенты:

• 1,5 литра дистиллированной воды
• 250 грамм натриевой гидроксида (NaOH) или калиевой гидроксида (KOH)

Инструкции:

1. В большую емкость налейте 1,5 литра дистиллированной воды. Вы можете использовать обычную воду, но дистиллированная вода обеспечит более чистый и стабильный раствор.
2. Отмерьте 250 грамм натриевой гидроксида (NaOH) или калиевой гидроксида (KOH). Оба вида щелочи подходят для электролиза воды.
3. Постепенно добавляйте измеренную щелочь в воду, аккуратно перемешивая, пока она полностью растворится. Будьте осторожны, работая с щелочью, и наденьте защитные очки и перчатки.
4. После тщательного перемешивания вы получите 15% раствор натриевой или калиевой гидроксиды, который можно использовать в качестве электролита для процесса электролиза воды.

Этот электролит обеспечит хорошую проводимость в реакторе электролиза и позволит вам получить высококачественные результаты при разложении воды на водород и кислород.

Расчет мощности получившегося электролизера

Поскольку пластины круглой формы способны выдерживать большее давление, они необходимы для максимизации мощности электролизера. Электролиз работает лучше при высоком давлении.

Для генерации газа скоростью 1 литр в минуту (1 л/мин) требуется активная площадь пластин 0,1 квадратного метра. Этот электролизер имеет мощность 100 Ватт. Мощность составляет 1 киловатт, если активная площадь составляет 1 квадратный метр.

Для вычисления массы выделившегося вещества можно использовать формулу Фарадея:

где:

• m — масса выделившегося вещества
• k — электрохимический эквивалент вещества
• Q — количество заряда (здесь Q = It)
• I — сила тока источника питания
• t — время работы

Для водорода (H2) электрохимический эквивалент k(H2) равен 0,01044 мг/кл, а для кислорода (O2) k(O2) равен 0,0829 мг/кл.

С использованием этой формулы и известных значений электрохимических эквивалентов, силы тока и времени работы, можно определить, какое количество водорода и кислорода будет выделено в результате электролиза.

Сферы применения электролизеров

Электролизеры обладают широким спектром возможных применений благодаря своей универсальности. Один из наиболее популярных и эффективных видов электролизеров — это сухой проточный электролизер круглой формы. Он обладает несколькими преимуществами:

1. Циркуляция жидкости: Этот тип электролизера обеспечивает циркуляцию жидкости, что увеличивает эффективность процесса и позволяет получать больше газов.
2. Высокая прочность: Сухой электролизер выдерживает повышенное давление, что расширяет его область применения.
3. Компрессор: Электролизер также может служить идеальным компрессором, способным создавать давление, которое он может безопасно выдерживать.
4. Ракетное топливо: Электролизер способен производить экологически чистое ракетное топливо, основанное на смеси кислорода и водорода, что может быть использовано в ракетах и других средствах передвижения.
5. Возможности применения: Потенциальное применение электролизера ограничивается только творческим подходом и исследованиями. Его можно использовать для различных процессов и приборов, где требуется газовая смесь или высокое давление.

Электролизеры представляют собой многоцелевые устройства, способные решать разнообразные задачи в сфере энергетики, транспорта и других областях.