б) Електроліз розчину хлориду натрію з ртутним катодом

На ртутному катоді водень виділяється з великою перенапругою; потенціал розрядження іону Н⁺ на ртутному катоді складає 1,7-1,85 В. Натрій на катоді виділяється з великим ефектом деполяризації, тобто потенціал розрядження іонів Nа⁺ на ртуті набагато нижчий за стандартний і дорівнює 1,23 В. Явище деполяризації ртутного катоду забезпечується тим, що розрядження Nа⁺ відбувається з утворенням хімічної сполуки – амальгами натрію, котра безперервно відводиться з поверхні катоду, розчиняючись у надлишку ртуті:

К^-) Na⁺ + nHg + e^- ® NaHg_n

На перфорованому графітовому (або оксидно-рутенієвому) аноді виділяється хлор:

А⁺) 2С1^- ® С1₂ + 2е^-

Амальгаму натрію, яка містить 0,1-0,3% Nа, виводять з електролізера і розкладають нагрітою водою в іншому реакторі.

Електролізер працює таким чином. Ретельно очищений концентрований розчин NаС1 подають в нахилений подовжений електролізер, по дну якого самопливом, протитечією розсолу, рухається ртуть, яка є катодом.

Над ртуттю розташований горизонтальний оксидно-рутенієвий анод, який занурений у розсіл. Електроліт, який містить приблизно 270 г/л NаС1, виводиться з електролізеру разом з хлор-газом, від якого відокремлюється в сепараторах і продувних колонах. Хлор подають на осушення, а знехлорений розсіл після очищення від ртуті, донасичення кам'яною сіллю і реагентного очищення від домішок, знову повертається в електролізер. Амальгама натрію з електролізера перетікає в нахилений реактор (розкладач), де відбувається розклад амальгами. Амальгама рухається протитечійно дистильованій воді, яка подається у кількості, що забезпечує отримання 45%-го розчину NаОН. На дні розкладача розміщені гребінцеві графітові плити, які утворюють з амальгамою короткозамкнений гальванічний елемент NaHg_n½NaOH½C. Розчин NаОН в сепараторах відокремлюють від Н₂ і передають споживачеві.

Метод електролізу з ртутним катодом потребує ретельного очищення вихідного циркулюючого розсолу, оскільки домішки Mg, Fe, Ca та інших металів знижують перенапругу виділення водню на ртутному катоді, що може призвести до порушення катодного процесу і до вибухів. Для придушення розрядження Н⁺ використовують високу густину струму.

Електроліз з ртутним катодом дає чисті розчини NаОН, але має той недолік, що використовується отруйна речовина – ртуть. Тому в останній час викликає зацікавленість використання електролізу водного розчину NаС1 з катіонообмінною мембраною, яка поділяє анодний і катодний простори. Метод складний за апаратурним оформленням, але він безпечний. Його можна вважати маловідходним технологічним процесом.

Водневі технології.

Сучасна економіка потребує нових, альтернативних бензину і мазуту енергоносіїв, і найбільш вірогідно, це буде водень.

Основною метою розвитку водневих технологій є зниження залежності від існуючих енергоносіїв – нафти й газу.

Головними перевагами водню є екологічна безпека і висока енергетична віддача. При горіння водню утворюється тільки вода, а теплота його згоряння складає 143 кДж/г, тобто приблизно у 5 разів вища, ніж у вуглеводнів.

Основна умова переходу до водневої енергетики – створення надійних і економічно вигідних паливних елементів на основі водню. В такому елементі хімічна енергія, яка вивільняється в реакції водню з киснем, перетворюється безпосередньо в електричну. Коефіцієнт корисної дії паливного елементу може сягати 90%. Це дає величезну перевагу в порівнянні з будь-якою тепловою машиною, де процес перетворення енергії палива в електричну містить кілька проміжних стадій: спочатку утворення теплоти в результаті згоряння, потім перехід теплової енергії у механічну енергію турбіни або двигуна і, нарешті, вироблення електрики за допомогою генератору.

Хімічні реакції на паливних елементах відбуваються на спеціальних пористих електродах, активованих паладієм або іншими металами платинової групи, де хімічна енергія водню та кисню ефективно перетворюється в електричну енергію. Водень окисляється на аноді, а кисень відновлюється на катоді. Каталізатор на аноді прискорює перетворення водневих молекул на водневі іони - протони (Н⁺) і електрони. Протони через мембрану мігрують до катоду, де каталізатор катоду сприяє утворенню води з протонів, електронів та кисню. Потік електронів крізь зовнішній ланцюг утворює електричний струм для споживача. Напруга, яка генерується окремим паливним елементом, не перевищує 1,1 В. Для отримання великої напруги паливні елементи з’єднують послідовно в батареї.

Принцип роботи паливного елементу відкритий ще у 1839 році англійським дослідником Вільямом Гроувом.Активна розробкапристроїв, що дозволяють прямо перетворювати хімічну енергію палива на електрику, почалася у середині ХХ сторіччя. Спочатку паливні елементи знайшли використання у космічних проектах і в авіації.

Розроблені також високотемпературні паливні елементи двох типів: в одному електроліт складається з розплаву карбонатів лужних металів (літію, калію, натрію), а в іншому використовується твердий електроліт на основі оксидів цирконію та ітрію.

Для транспортних засобів та портативних джерел струму найбільш перспективні паливні елементи з твердополімерним електролітом. У такому пристрої електроди поділені полімерною мембраною, котра пропускає тільки протони і не дає пройти електронам.

У перших паливних елементах використовувався лужний електроліт. Така конструкція потребує ретельного очищення водню й кисню, оскільки домішки, особливо вуглекислий газ, реагують з лугом. Пізніше з’явились менш примхливі пристрої з електролітом на основі фосфорної кислоти і графітовими електродами; окисником у таких паливних елементах є кисень повітря. Лужні паливні елементи водень кисень	а) Електроліт складається з рідкого лугу – водного розчину гідроксиду калію. Можуть працювати тільки з чистим воднем і чистим киснем. Саме лужні паливні елементи використовуються у космічних кораблях. ККД – до 70%.
Паливні елементи на протонообмінній мембрані     водень кисень (повітря)	б) Електроліт – тверда полімерна мембрана, яка пропускає іони водню (протони) з аноду на катод. Робоча температура близько 100°С. Мають високу питому потужність на одиницю маси і об’єму. Особливо зручні для використання у транспорті. ККД – 40-60 %.
Паливні елементи на фосфорній кислоті     водень кисень (повітря)	в) Електролітом є паперова матриця, насичена фосфорною кислотою, котра проводить протон. Робоча температура – близько 200°С.Використовують в стаціо-нарних електрогенераторних установках.ККД - близько 40%.
Паливні елементи на розплаві карбонатів водень кисень, СО2 (природний газ)	г) Як електроліт використовують розплавлену суміш карбонатів літію й калію (або літію й натрію) в порах керамічної матриці. Робоча температура – близько 650°С. Дозволяють отримувати потужність до 2 МВт.
Паливні елементи на твердих оксидах   водень кисень (повітря)	д) Використовується твердий керамічний електроліт на основі оксидів цирконію та ітрію. Робоча температура – вище 10000С. Не потребують ретельного очищення палива. ККД – близько 60%. Придатні для крупних стаціонарних електрогенера-торних установок і електростанцій.

Рис. 34. Типи паливних елементів.

Поки що паливні елементи не знаходять широкого використання внаслідок дуже високої ціни: вартість1 кВт×год. складає кілька тисяч доларів. Інша проблема – короткий термін служби паливних елементів. Тому в усьому світі ведеться робота над створенням дешевих пристроїв, які працюють на водні. Зразки автомобілів на водневій тязі випускають багато крупних автомобільних компаній – “Даймлер­Крайслер”, “Форд”, “Мазда”, “Тойота”, “БМВ”, “Рено”, ВАЗ.

В даний час отримання водню не являє особливої проблеми – його одержують з природного газу методом каталітичної конверсії з водяною парою, електролізом води, в останній час з’явився інтерес до технологій отримання водню з біомаси, що залишається після переробки сільськогосподарської сировини.

Основною проблемою водневих технологій є необхідність збереження водню. Зберігають його в балонах під високим тиском (450 ат і більше), при низьких температурах у судинах-кріостатах у вигляді рідини.

Але найбільшу перспективу мають способи зберігання водню за допомогою твердих носіїв, наприклад, у вигляді гідридів металів. Молекула водню так мала, що вона легко “вписується” в порожнини кристалічної решітки металів. Деякі метали усмоктують водень, як губка воду. Наприклад, 1 об’єм металевого паладію може поглинути до 800 об’ємів водню. При цьому водень з металом утворює хімічну сполуку – гідрид. Для вивільнення водню з гідриду металу його треба підігріти.

Головним недоліком металогідридів є їхня велика маса. Але для усмоктування і зберігання водню можна використовувати й інші, більш легкі речовини – наприклад, вуглецеві нанотрубки і скляні мікросфери.

До проблем водневої енергетики слід віднести проблеми безпеки, рішення яких потребує додаткових витрат.

В Європі своєрідним полігоном по освоєнню водневої енергетики стане Ісландія, де для виробництва водню можна використовувати дешеву енергію геотермальних джерел і гідроелектростанцій. Країні виділено 60 млн. євро, щоб вона у найближчі 15–20 років перейшла в основному на водневе паливо. Форсують розвиток водневої енергетики і у США: до 2020 року мають надію перевести американську автомобільну промисловість на водень. На ці цілі у найближчий час буде виділено близько 5 млрд. дол.

Поиск по сайту: