Elektrolisis air untuk menghasilkan H2 dan O2
Anod titanium, bahagian utama peralatan hidrogen dan oksigen elektrolitik, mempunyai kualiti yang stabil, mesra alam dan tidak mempunyai pencemaran sekunder, potensi terlebih rendah, kesan penjimatan tenaga yang baik, dan boleh menjimatkan 15-20% tenaga. Terdapat plat, mesh, bentuk tiub, dan bahagian berbentuk khas.
1. Kemajuan penyelidikan mengenai pengeluaran hidrogen melalui elektrolisis air Pengeluaran hidrogen melalui elektrolisis air adalah cara penting untuk mencapai penyediaan H2 industri dan kos rendah, dan boleh menghasilkan produk dengan ketulenan 99% hingga 99.9%. Setiap tahun, penggunaan elektrik negara saya untuk pengeluaran hidrogen melalui elektrolisis air mencapai lebih daripada (1.5×107) kW·h. Apabila arus mengalir di antara elektrod, hidrogen dihasilkan di katod, oksigen dihasilkan di anod, dan air dielektrolisis [2]. Bahagian teras peralatan pengeluaran hidrogen elektrolisis air ialah sel elektrolitik, dan bahan elektrod adalah kunci kepada sel elektrolitik. Kualiti prestasi elektrod sebahagian besarnya menentukan voltan sel dan penggunaan tenaga elektrolisis air, dan secara langsung mempengaruhi kos. Kecekapan menyediakan tenaga elektrik untuk mengurai air untuk menghasilkan hidrogen secara amnya adalah 75% hingga 85%. Prosesnya mudah dan bebas pencemaran, tetapi penggunaan kuasa adalah besar, jadi penggunaannya tertakluk kepada sekatan tertentu. Elektrolisis air dijalankan dalam sel elektrolitik, yang diisi dengan elektrolit dan dibahagikan kepada ruang anod dan ruang katod oleh diafragma. Elektrod diletakkan di dalam setiap ruang. Oleh kerana air mempunyai kekonduksian yang sangat rendah, larutan akueus (kepekatan kira-kira 15%) dengan elektrolit digunakan. Apabila arus melalui antara elektrod pada voltan tertentu, hidrogen dihasilkan di katod dan oksigen dihasilkan di anod, dengan itu mencapai elektrolisis air. Secara teorinya, logam platinum adalah logam yang paling ideal untuk elektrod elektrolisis air, tetapi dalam praktiknya, elektrod besi bersalut nikel sering digunakan untuk mengurangkan kos peralatan dan pengeluaran. Apabila air dielektrolisis, formula tindak balas elektrod adalah seperti berikut [3]. Dalam larutan berasid, tindak balas katod: 4H++4e=2H2∏=0V Tindak balas anod: 2H2O =4H++O2+4e∏ =1.23V Dalam larutan beralkali, tindak balas katod: 4H2O +4e=2H2+4OH∏=-0.828V Tindak balas anod: 4OH-=2 H2O+O2+4e∏=0.401V Seperti yang dapat dilihat daripada formula di atas, tindak balas keseluruhan elektrolisis air adalah seperti berikut, sama ada dalam larutan berasid atau beralkali. 2H2O=2H2+O2 Voltan penguraian teori air tidak ada kaitan dengan nilai pH, jadi larutan berasid atau beralkali boleh digunakan sebagai elektrolit. Walau bagaimanapun, dari perspektif struktur sel elektrolitik dan pemilihan bahan, penggunaan larutan berasid terdedah kepada pelbagai kerosakan. Oleh itu, penyelesaian alkali kini digunakan dalam industri.
(1) Teknologi elektrolisis beralkali tradisional Elektrolisis air beralkali kini merupakan kaedah biasa dan matang untuk menyediakan hidrogen. Kaedah ini tidak memerlukan peralatan yang tinggi, dan pelaburan terutamanya tertumpu pada peralatan; hidrogen yang dihasilkan mempunyai ketulenan yang tinggi, tetapi kecekapannya tidak begitu tinggi. Proses ini juga agak mesra alam dan bebas pencemaran, tetapi ia menggunakan banyak elektrik dan oleh itu tertakluk kepada batasan tertentu. Tekanan elektrolisis air dalam industri secara amnya adalah antara 1.65 dan 2.2 V. Hayat perkhidmatan bahan elektrod dan penggunaan tenaga elektrolisis air adalah faktor utama dalam menilai kualiti bahan elektrolisis air beralkali. Apabila ketumpatan semasa tidak besar, faktor yang mempengaruhi utama ialah potensi berlebihan; apabila ketumpatan arus meningkat, penurunan voltan lebihan potensi dan rintangan menjadi faktor utama penggunaan tenaga. Dalam aplikasi praktikal, elektrod industri harus mempunyai ciri-ciri berikut [3]: (1) luas permukaan yang tinggi; (2) kekonduksian tinggi; (3) aktiviti elektrokatalitik yang baik; (4) kestabilan mekanikal dan kimia jangka panjang; (5) pemendakan gelembung kecil; (6) selektiviti tinggi; (7) mudah diperoleh dan kos rendah; (8) keselamatan. Elektrolisis air selalunya memerlukan ketumpatan arus yang lebih besar (melebihi 4000 A/m2), jadi titik 2 dan 4 adalah lebih penting. Kerana kekonduksian yang tinggi boleh mengurangkan kehilangan tenaga yang disebabkan oleh polarisasi ohmik, kestabilan yang tinggi memastikan hayat bahan elektrod yang panjang. 1 dan 3 ialah keperluan untuk mengurangkan kelebihan potensi evolusi hidrogen dan oksigen, dan juga merupakan petunjuk penting untuk menilai prestasi elektrod.
(2) Pepejal polimer elektrolit SPE teknologi elektrolisis air Memandangkan elektrolisis dengan cecair sebagai elektrolit mempunyai kecekapan yang rendah, menyusahkan untuk bergerak, dan sering memerlukan penyelenggaraan, orang ramai secara aktif mencari elektrolit baru, yang telah mendorong pembangunan dan penyelidikan aplikasi polimer pepejal elektrolit (SPE), juga dikenali sebagai membran pertukaran proton (PEM). Pada masa ini, elektrolisis menggunakan membran asid perfluorosulfonik pepejal Nafion sebagai elektrolit. Elektrod menggunakan logam berharga atau oksidanya dengan prestasi pemangkin yang tinggi, yang dijadikan bentuk serbuk dengan luas permukaan khusus yang besar, dan diikat dan ditekan pada kedua-dua belah membran Nafion menggunakan Teflon untuk membentuk gabungan membran dan elektrod yang stabil.
(3) Proses elektrolisis wap suhu tinggi Kaedah lain untuk menghasilkan hidrogen melalui elektrolisis air ialah elektrolisis stim suhu tinggi. Ini adalah kaedah yang diperoleh daripada sel bahan api oksida pepejal. Bilik elektrolisis biasanya menggunakan Y2O3-ZrO2 yang distabilkan sebagai elektrolit. Semakin tinggi suhu, semakin rendah rintangan. Walau bagaimanapun, dari perspektif rintangan haba bahan, had suhu atas adalah sebaik-baiknya 1000 darjah . Biasanya, badan tersinter campuran nikel dan seramik digunakan sebagai katod, dan oksida komposit kalsium titanium konduktif digunakan sebagai anod.
2. Perkembangan penghasilan hidrogen biologi Topik penggunaan mikroorganisma untuk menghasilkan hidrogen telah dikaji selama beberapa dekad. Pada tahun 1930-an, laporan pertama penapaian gelap bakteria untuk menghasilkan hidrogen telah dilaporkan. Selepas itu, pada tahun 1942, Gaffron dan Rubin melaporkan bahawa alga hijau menggunakan tenaga cahaya untuk menghasilkan hidrogen, dan pada tahun 1949, Gest dan Kamen menemui bakteria penghasil hidrogen fototropik. Spruit mengesahkan pada tahun 1958 bahawa alga boleh menghasilkan hidrogen melalui fotolisis langsung tanpa memerlukan penetapan karbon dioksida. Penyelidikan Healy (1970) menunjukkan bahawa apabila keamatan cahaya terlalu tinggi, proses penghasilan hidrogen Chlamydomonas moewsuii akan terhalang kerana penghasilan oksigen. Semasa krisis tenaga pada tahun 1970-an, banyak penyelidikan telah dilakukan mengenai pengeluaran biohidrogen di seluruh dunia. Thauer menegaskan pada tahun 1976 bahawa penapaian gelap sukar digunakan dalam pengeluaran sebenar kerana ia hanya boleh menghasilkan 4 mol hidrogen dan 2 mol asid asetik daripada 1 mol glukosa paling banyak. Bakteria fototropik boleh menukar sepenuhnya substrat seperti asid organik kepada hidrogen, jadi sejak itu, penyelidikan mengenai pengeluaran biohidrogen pada asasnya tertumpu kepada fotofermentasi. Pada awal 1980-an, sokongan untuk tenaga boleh diperbaharui dalam program penyelidikan dan pembangunan (R&D) di seluruh dunia secara beransur-ansur berkurangan. Menjelang awal 1990-an, masalah alam sekitar menjadi semakin serius, dan perhatian orang ramai tertumpu kepada tenaga alternatif. Dengan sokongan R&D pengeluaran biohidrogen di Jerman, Jepun, dan Amerika Syarikat, bidang alga menggunakan tenaga cahaya untuk menghasilkan hidrogen daripada air telah dikaji secara meluas. Walau bagaimanapun, kecekapan penukaran tenaga suria keseluruhan dalam proses ini masih sangat rendah. Sebaliknya, penapaian gelap dan bakteria fototropik boleh menghasilkan hidrogen daripada substrat kos rendah atau sisa organik. Memandangkan ia boleh menghasilkan tenaga bersih dan merawat sisa organik, kerajaan AS dan Jepun telah menyokong beberapa program penyelidikan jangka panjang. Dijangkakan bahawa aplikasi praktikal teknologi pengeluaran biohidrogen akan direalisasikan pada pertengahan abad ke-21. Telah lebih setengah abad sejak penemuan pengeluaran hidrogen mikrob, tetapi pengeluaran biohidrogen tidak digunakan dalam amalan. Banyak masalah teknikal, seperti penyaringan mikroorganisma, reka bentuk reaktor, dan pengoptimuman keadaan operasi, masih perlu diselesaikan, dan kos teknologi ini juga telah mendapat perhatian. Dari segi ekonomi, teknologi pengeluaran biohidrogen tidak dapat bersaing dengan teknologi pengeluaran hidrogen kimia tradisional dalam masa terdekat. Walau bagaimanapun, dari perspektif perlindungan alam sekitar, prospek untuk pengeluaran biohidrogen adalah sangat luas. Pengeluaran biohidrogen termasuk: sistem pengeluaran biohidrogen fotosintetik (juga dikenali sebagai sistem pengeluaran hidrogen biofotolisis langsung); sistem pengeluaran biohidrogen fotolisis (juga dikenali sebagai sistem pengeluaran hidrogen biofotolisis tidak langsung); bakteria heterotrofik fotosintetik reaksi penukaran gas air sistem pengeluaran hidrogen; sistem pengeluaran biohidrogen fotofermentasi; sistem pengeluaran biohidrogen penapaian anaerobik (juga dikenali sebagai sistem pengeluaran biohidrogen penapaian gelap); sistem pengeluaran biohidrogen hibrid fotosintesis-penapaian; sistem pengeluaran biohidrogenase hidrogenase in vitro, dsb. Tenaga hidrogen ialah sumber tenaga yang bersih dan bernilai kalori tinggi. Menggunakan sumber air yang boleh diperbaharui dalam alam semula jadi untuk menghasilkan hidrogen sudah pasti kaedah pilihan untuk manusia pada masa hadapan.
Selepas lebih daripada setengah abad penyelidikan, walaupun pengeluaran hidrogen elektrolisis air dan teknologi pengeluaran bio-hidrogen telah mencapai kemajuan yang besar, ia pada dasarnya masih dalam peringkat pembangunan dan belum lagi digunakan secara praktikal. Pelbagai faktor sekatan seperti kecekapan penukaran tenaga suria yang rendah, penggunaan tenaga yang tinggi bagi pengeluaran hidrogen elektrolisis air, perencatan produk, keadaan operasi, dan lain-lain menjadikan kadar pengeluaran hidrogen sistem pengeluaran hidrogen sedia ada tidak cukup tinggi atau tidak menjimatkan, dan banyak kesesakan lain memerlukan untuk dipecahkan lagi. Untuk mengurangkan lagi kos pengeluaran dan mengembangkan kecekapan pengeluaran, kami akan bersedia untuk operasi komersial masa hadapan.
Syarikat: Baoji Dynamic Trading Co., Ltd
Negara:China
Tambah: Jalan Baoti, Jintai, bandar Baoji, Shaanxi, China
Cel:+86 18391894207(WHATSAPP)
Gmail:alisa@jmyunti.com
laman web: www.jm-titanium.com
