H2 ve O2 üretmek için suyun elektrolizi
Elektrolitik hidrojen ve oksijen ekipmanının temel parçaları olan titanyum anotlar istikrarlı bir kaliteye sahiptir, çevre dostudur ve ikincil kirliliğe sahip değildir, aşırı potansiyel düşüktür, iyi enerji tasarrufu etkisi vardır ve %15-20 enerji tasarrufu sağlayabilir. Plaka, ağ, tüp şekilleri ve özel şekilli parçalar bulunmaktadır.
1. Suyun elektrolizi yoluyla hidrojen üretimine ilişkin araştırma ilerlemesi Suyun elektrolizi yoluyla hidrojen üretimi, H2'nin endüstriyel ve düşük maliyetli hazırlanmasını sağlamanın önemli bir yoludur ve %99 ila %99,9 saflığa sahip ürünler üretebilir. Ülkemin suyun elektrolizi yoluyla hidrojen üretimine yönelik elektrik tüketimi her yıl (1,5×107) kW·saat'in üzerine çıkmaktadır. Elektrotlar arasından akım geçtiğinde katotta hidrojen, anotta oksijen üretilir ve su elektrolize edilir [2]. Su elektroliz hidrojen üretim ekipmanının çekirdek kısmı elektrolitik hücredir ve elektrot malzemesi elektrolitik hücrenin anahtarıdır. Elektrot performansının kalitesi büyük ölçüde hücre voltajını ve su elektrolizinin enerji tüketimini belirler ve maliyeti doğrudan etkiler. Hidrojen üretmek üzere suyu ayrıştırmak için elektrik sağlamanın verimliliği genellikle %75 ila %85 arasındadır. İşlem basit ve kirlilik içermez, ancak güç tüketimi yüksektir, dolayısıyla uygulaması belirli kısıtlamalara tabidir. Suyun elektrolizi, elektrolitle doldurulmuş ve bir diyaframla anot bölmesi ve katot bölmesine bölünmüş bir elektrolitik hücrede gerçekleştirilir. Her odaya elektrotlar yerleştirilir. Suyun iletkenliği çok düşük olduğundan elektrolitli sulu bir çözelti (yaklaşık %15 konsantrasyon) kullanılır. Belirli bir voltajda elektrotlar arasından akım geçtiğinde katotta hidrojen, anotta oksijen üretilerek suyun elektrolizi sağlanır. Teorik olarak platin metalleri su elektroliz elektrotları için en ideal metallerdir, ancak pratikte ekipman ve üretim maliyetlerini azaltmak için genellikle nikel kaplı demir elektrotlar kullanılır. Su elektrolize edildiğinde elektrot reaksiyon formülü aşağıdaki gibidir [3]. Asidik çözeltide katot reaksiyonu: 4H++4e=2H2∏=0V Anot reaksiyonu: 2H2O =4H++O2+4e∏ =1.23V Alkali çözeltide katot reaksiyonu: 4H2O +4e=2H2+4OH∏=-0.828V Anot reaksiyonu: 4OH-=2 H2O+O2+4e∏=0.401V Yukarıdaki formülden de görülebileceği gibi, asidik veya alkali çözeltide su elektrolizinin genel reaksiyonu aşağıdaki gibidir. 2H2O=2H2+O2 Suyun teorik ayrışma voltajının pH değeriyle hiçbir ilgisi yoktur, bu nedenle elektrolit olarak asidik veya alkalin çözeltiler kullanılabilir. Ancak elektrolitik hücre yapısı ve malzeme seçimi açısından asidik çözeltilerin kullanımı çeşitli hatalara açıktır. Bu nedenle endüstride artık alkali çözeltiler kullanılmaktadır.
(1) Geleneksel alkalin elektroliz teknolojisi Alkali su elektrolizi şu anda hidrojen hazırlamak için yaygın ve olgun bir yöntemdir. Bu yöntem yüksek ekipman gerektirmez ve yatırım esas olarak ekipmana yoğunlaşır; üretilen hidrojen yüksek saflıkta olmasına rağmen verimliliği çok yüksek değildir. Süreç aynı zamanda nispeten çevre dostudur ve kirlilik içermez, ancak çok fazla elektrik tüketir ve bu nedenle belirli sınırlamalara tabidir. Endüstride su elektrolizinin basıncı genellikle 1,65 ile 2,2 V arasındadır. Elektrot malzemesinin hizmet ömrü ve su elektrolizinin enerji tüketimi, alkali su elektroliz elektrot malzemelerinin kalitesinin değerlendirilmesinde temel faktörlerdir. Akım yoğunluğu büyük olmadığında ana etkileyen faktör aşırı potansiyeldir; akım yoğunluğu arttığında aşırı potansiyel ve direnç voltaj düşüşü enerji tüketiminin ana faktörleri haline gelir. Pratik uygulamalarda endüstriyel elektrotlar aşağıdaki özelliklere sahip olmalıdır [3]: (1) yüksek yüzey alanı; (2) yüksek iletkenlik; (3) iyi elektrokatalitik aktivite; (4) uzun vadeli mekanik ve kimyasal stabilite; (5) küçük kabarcık çökelmesi; (6) yüksek seçicilik; (7) elde edilmesi kolay ve düşük maliyetli; (8) güvenlik. Su elektrolizi genellikle daha büyük bir akım yoğunluğu gerektirir (4000 A/m2'nin üzerinde), dolayısıyla 2. ve 4. noktalar daha önemlidir. Yüksek iletkenlik, ohmik polarizasyonun neden olduğu enerji kaybını azaltabildiğinden, yüksek stabilite, elektrot malzemelerinin uzun ömürlü olmasını sağlar. Şekil 1 ve 3, hidrojen ve oksijen oluşumunun aşırı potansiyelini azaltmaya yönelik gereksinimlerdir ve aynı zamanda elektrot performansının değerlendirilmesi için önemli göstergelerdir.
(2) Katı polimer elektrolit SPE su elektroliz teknolojisi Elektrolit olarak sıvı içeren elektrolizör düşük verimliliğe sahip olduğundan, taşınması zahmetli olduğundan ve çoğu zaman bakım gerektirdiğinden, insanlar aktif olarak yeni elektrolitler arıyorlar ve bu da katı polimerin geliştirilmesini ve uygulama araştırmasını teşvik ediyor Proton değişim membranı (PEM) olarak da bilinen elektrolit (SPE). Şu anda elektrolizör, elektrolit olarak katı Nafion perflorosülfonik asit membranını kullanıyor. Elektrot, yüksek katalitik performansa sahip değerli metalleri veya bunların oksitlerini kullanır; bunlar, geniş spesifik yüzey alanına sahip toz formuna dönüştürülür ve kararlı bir membran ve elektrot kombinasyonu oluşturmak için Teflon kullanılarak Nafion membranının her iki tarafına bağlanır ve preslenir.
(3) Yüksek sıcaklıkta buhar elektroliz işlemi Su elektrolizi yoluyla hidrojen üretmenin bir başka yöntemi, yüksek sıcaklıkta buhar elektrolizidir. Bu katı oksit yakıt hücrelerinden elde edilen bir yöntemdir. Elektroliz odasında genellikle elektrolit olarak Y2O3-stabilize edilmiş ZrO2 kullanılır. Sıcaklık ne kadar yüksek olursa direnç o kadar düşük olur. Ancak malzemenin ısıya dayanıklılığı açısından bakıldığında üst sıcaklık sınırı tercihen 1000 derecedir. Genellikle katot olarak nikel ve seramikten oluşan karışık sinterlenmiş bir gövde kullanılır ve anot olarak iletken bir kalsiyum titanyum kompozit oksit kullanılır.
2. Biyolojik hidrojen üretiminin geliştirilmesi Mikroorganizmaların hidrojen üretmek için kullanılması konusu onlarca yıldır araştırılmaktadır. 1930'larda, hidrojen üretmek için bakteriyel koyu fermantasyonun ilk raporu rapor edildi. Daha sonra 1942'de Gaffron ve Rubin yeşil alglerin hidrojen üretmek için ışık enerjisini kullandığını bildirdiler ve 1949'da Gest ve Kamen fototrofik hidrojen üreten bakterileri keşfettiler. Spruit, 1958'de alglerin, karbondioksitin sabitlenmesine gerek kalmadan doğrudan fotoliz yoluyla hidrojen üretebildiğini doğruladı. Healy (1970)'in araştırması, ışık yoğunluğu çok yüksek olduğunda, Chlamydomonas moewsuii'nin hidrojen üretim sürecinin oksijen üretimi nedeniyle engelleneceğini göstermiştir. 1970'li yıllardaki enerji krizi sırasında dünya çapında biyohidrojen üretimi üzerine birçok araştırma yapıldı. Thauer, 1976'da koyu fermantasyonun gerçek üretimde uygulanmasının zor olduğunu, çünkü en fazla 1 mol glikozdan yalnızca 4 mol hidrojen ve 2 mol asetik asit üretebildiğini belirtti. Fototrofik bakteriler, organik asitler gibi substratları tamamen hidrojene dönüştürebiliyor, bu nedenle o zamandan beri biyohidrojen üretimine yönelik araştırmalar temel olarak fotofermantasyona odaklandı. 1980'li yılların başında dünya çapında araştırma ve geliştirme programlarında (Ar-Ge) yenilenebilir enerjiye verilen destek giderek azaldı. 1990'lı yılların başlarında çevre sorunları giderek ciddileşmeye başladı ve insanların dikkati alternatif enerjiye odaklandı. Almanya, Japonya ve Amerika Birleşik Devletleri'ndeki biyohidrojen üretimi Ar-Ge'sinin desteğiyle, sudan hidrojen üretmek için ışık enerjisini kullanan algler alanı geniş çapta araştırılıyor. Ancak bu süreçte genel güneş enerjisi dönüşüm verimliliği hala çok düşüktür. Öte yandan, karanlık fermantasyon ve fototrofik bakteriler, düşük maliyetli substratlardan veya organik atıklardan hidrojen üretebilir. Hem temiz enerji üretebildiği hem de organik atıkları arıtabildiği için ABD ve Japon hükümetleri birçok uzun vadeli araştırma programını destekledi. Biyohidrojen üretim teknolojisinin pratik uygulamasının 21. yüzyılın ortalarında gerçekleşmesi beklenmektedir. Mikrobiyal hidrojen üretiminin keşfedilmesinden bu yana yarım yüzyıldan fazla zaman geçmesine rağmen biyohidrojen üretimi pratikte uygulanmamıştır. Mikroorganizmaların taranması, reaktörlerin tasarımı ve çalışma koşullarının optimizasyonu gibi pek çok teknik problemin çözülmesi gerekiyor ve bu teknolojinin maliyeti de dikkat çekiyor. Ekonomik açıdan bakıldığında, biyohidrojen üretim teknolojisi yakın gelecekte geleneksel kimyasal hidrojen üretim teknolojisiyle rekabet edebilecek durumda değildir. Ancak çevre koruma açısından bakıldığında biyohidrojen üretimine yönelik beklentiler çok geniş olacaktır. Biyohidrojen üretimi şunları içerir: fotosentetik biyohidrojen üretim sistemi (doğrudan biyofotoliz hidrojen üretim sistemi olarak da bilinir); fotoliz biyohidrojen üretim sistemi (dolaylı biyofotoliz hidrojen üretim sistemi olarak da bilinir); fotosentetik heterotrofik bakteri su gazı dönüşüm reaksiyonu hidrojen üretim sistemi; fotofermantasyon biyohidrojen üretim sistemi; anaerobik fermantasyon biyohidrojen üretim sistemi (koyu fermantasyon biyohidrojen üretim sistemi olarak da bilinir); fotosentez-fermantasyon hibrit biyohidrojen üretim sistemi; in vitro hidrojenaz biyohidrojen üretim sistemi vb. Hidrojen enerjisi temiz ve kalorifik değeri yüksek bir enerji kaynağıdır. Hidrojen üretmek için doğadaki yenilenebilir su kaynaklarını kullanmak şüphesiz gelecekte insanoğlunun tercih edeceği yöntem olacaktır.
Yarım asırdan fazla süren araştırmalardan sonra, su elektrolizi, hidrojen üretimi ve biyo-hidrojen üretim teknolojisi büyük ilerleme kaydetmiş olmasına rağmen, bunlar temelde hala geliştirme aşamasındadır ve henüz pratik kullanıma sunulmamıştır. Düşük güneş enerjisi dönüşüm verimliliği, su elektrolizi hidrojen üretiminin yüksek enerji tüketimi, ürün engellemesi, çalışma koşulları vb. gibi çeşitli kısıtlayıcı faktörler, mevcut hidrojen üretim sistemlerinin hidrojen üretim oranının yeterince yüksek olmamasına veya ekonomik olmamasına neden olur ve diğer birçok darboğazın ihtiyaç duymasına neden olur. daha da kırılmak üzere. Üretim maliyetlerini daha da azaltmak ve üretim verimliliğini artırmak amacıyla gelecekteki ticari operasyonlara hazırlanacağız.
Şirket: Baoji Dynamic Trading Co., Ltd
Ülke:Çin
Ekle:Baoti yolu,Jintai,Baoji şehri,Shaanxi,Çin
Cel:+86 18391894207(WHATSAPP)
Gmail:alisa@jmyunti.com
Web sitesi: www.jm-titanium.com
