Electrólisis del agua para producir H2 y O2.
Los ánodos de titanio, las partes clave de los equipos electrolíticos de hidrógeno y oxígeno, tienen una calidad estable, son respetuosos con el medio ambiente y no tienen contaminación secundaria, tienen un bajo sobrepotencial, un buen efecto de ahorro de energía y pueden ahorrar un 15-20% de energía. Hay formas de placas, mallas, tubos y piezas con formas especiales.
1. Avances de la investigación sobre la producción de hidrógeno mediante electrólisis del agua La producción de hidrógeno mediante electrólisis del agua es un medio importante para lograr una preparación industrial y de bajo costo de H2, y puede producir productos con una pureza del 99% al 99,9%. Cada año, el consumo de electricidad de mi país para la producción de hidrógeno mediante electrólisis del agua alcanza más de (1,5×107) kW·h. Cuando la corriente pasa entre los electrodos, se produce hidrógeno en el cátodo, oxígeno en el ánodo y agua se electroliza [2]. La parte central del equipo de producción de hidrógeno por electrólisis de agua es la celda electrolítica, y el material del electrodo es la clave de la celda electrolítica. La calidad del rendimiento del electrodo determina en gran medida el voltaje de la celda y el consumo de energía de la electrólisis del agua, y afecta directamente el costo. La eficiencia de proporcionar electricidad para descomponer el agua y producir hidrógeno es generalmente del 75% al 85%. El proceso es sencillo y no contaminante, pero el consumo de energía es elevado, por lo que su aplicación está sujeta a ciertas restricciones. La electrólisis del agua se lleva a cabo en una celda electrolítica, que está llena de electrolito y dividida en una cámara anódica y una cámara catódica mediante un diafragma. Se colocan electrodos en cada cámara. Dado que el agua tiene una conductividad muy baja, se utiliza una solución acuosa (concentración de aproximadamente el 15%) con electrolito. Cuando la corriente pasa entre los electrodos a un cierto voltaje, se produce hidrógeno en el cátodo y oxígeno en el ánodo, logrando así la electrólisis del agua. En teoría, los metales de platino son los metales más ideales para los electrodos de electrólisis del agua, pero en la práctica, los electrodos de hierro niquelados se utilizan a menudo para reducir los costos de equipo y producción. Cuando se electroliza agua, la fórmula de reacción del electrodo es la siguiente [3]. En solución ácida, reacción catódica: 4H++4e=2H2∏=0V Reacción anódica: 2H2O =4H++O2+4e∏ =1.23V En solución alcalina, reacción catódica: 4H2O +4e=2H2+4OH∏=-0.828V Reacción anódica: 4OH-=2 H2O+O2+4e∏=0.401V Como se puede ver en la fórmula anterior, la reacción general de la electrólisis del agua es la siguiente, ya sea en solución ácida o alcalina. 2H2O=2H2+O2 El voltaje de descomposición teórico del agua no tiene nada que ver con el valor del pH, por lo que se pueden utilizar soluciones ácidas o alcalinas como electrolitos. Sin embargo, desde la perspectiva de la estructura de la celda electrolítica y la selección de materiales, el uso de soluciones ácidas es propenso a varios fallos. Por lo tanto, ahora se utilizan soluciones alcalinas en la industria.
(1) Tecnología tradicional de electrólisis alcalina La electrólisis del agua alcalina es actualmente un método común y maduro para preparar hidrógeno. Este método no requiere alto equipamiento, y la inversión se concentra principalmente en el equipamiento; el hidrógeno producido es de alta pureza, pero la eficiencia no es muy alta. El proceso también es relativamente respetuoso con el medio ambiente y libre de contaminación, pero consume mucha electricidad y, por tanto, está sujeto a ciertas limitaciones. La presión de la electrólisis del agua en la industria generalmente está entre 1,65 y 2,2 V. La vida útil del material del electrodo y el consumo de energía de la electrólisis del agua son factores clave en la evaluación de la calidad de los materiales de los electrodos de electrólisis del agua alcalina. Cuando la densidad de corriente no es grande, el principal factor que influye es el sobrepotencial; cuando aumenta la densidad de corriente, el sobrepotencial y la caída de tensión de resistencia se convierten en los principales factores del consumo de energía. En aplicaciones prácticas, los electrodos industriales deben tener las siguientes características [3]: (1) gran área superficial; (2) alta conductividad; (3) buena actividad electrocatalítica; (4) estabilidad mecánica y química a largo plazo; (5) precipitación de pequeñas burbujas; (6) alta selectividad; (7) fácil de obtener y de bajo costo; (8) seguridad. La electrólisis del agua a menudo requiere una densidad de corriente mayor (por encima de 4000 A/m2), por lo que los puntos 2 y 4 son más importantes. Debido a que una alta conductividad puede reducir la pérdida de energía causada por la polarización óhmica, la alta estabilidad garantiza una larga vida útil de los materiales de los electrodos. 1 y 3 son los requisitos para reducir el sobrepotencial de desprendimiento de hidrógeno y oxígeno, y también son indicadores importantes para evaluar el rendimiento del electrodo.
(2) Tecnología de electrólisis de agua SPE con electrolito de polímero sólido Dado que el electrolizador con líquido como electrolito tiene baja eficiencia, es incómodo de mover y a menudo requiere mantenimiento, la gente está buscando activamente nuevos electrolitos, lo que ha impulsado el desarrollo y la investigación de aplicaciones de polímero sólido. electrolito (SPE), también conocido como membrana de intercambio de protones (PEM). En la actualidad, el electrolizador utiliza una membrana sólida de ácido perfluorosulfónico Nafion como electrolito. El electrodo utiliza metales preciosos o sus óxidos con alto rendimiento catalítico, que se convierten en polvo con una gran superficie específica y se unen y presionan en ambos lados de la membrana Nafion usando teflón para formar una combinación estable de membrana y electrodo.
(3) Proceso de electrólisis con vapor a alta temperatura Otro método para producir hidrógeno mediante electrólisis de agua es la electrólisis con vapor a alta temperatura. Se trata de un método derivado de pilas de combustible de óxido sólido. La cámara de electrólisis generalmente utiliza ZrO2 estabilizado con Y2O3-como electrolito. Cuanto mayor sea la temperatura, menor será la resistencia. Sin embargo, desde la perspectiva de la resistencia al calor del material, el límite superior de temperatura es preferiblemente 1000 grados. Por lo general, se utiliza un cuerpo sinterizado mixto de níquel y cerámica como cátodo, y un óxido compuesto de calcio y titanio conductor como ánodo.
2. Desarrollo de la producción biológica de hidrógeno El tema del uso de microorganismos para producir hidrógeno se ha estudiado durante décadas. En la década de 1930, se informó por primera vez sobre la fermentación oscura bacteriana para producir hidrógeno. Posteriormente, en 1942, Gaffron y Rubin informaron que las algas verdes utilizaban energía luminosa para producir hidrógeno, y en 1949, Gest y Kamen descubrieron bacterias fototróficas productoras de hidrógeno. Spruit confirmó en 1958 que las algas pueden producir hidrógeno mediante fotólisis directa sin necesidad de fijar dióxido de carbono. La investigación de Healy (1970) demostró que cuando la intensidad de la luz es demasiado alta, el proceso de producción de hidrógeno de Chlamydomonas moewsuii se inhibirá debido a la producción de oxígeno. Durante la crisis energética de la década de 1970, se realizaron muchas investigaciones sobre la producción de biohidrógeno en todo el mundo. Thauer señaló en 1976 que la fermentación oscura era difícil de aplicar en la producción real porque sólo podía producir 4 moles de hidrógeno y 2 moles de ácido acético a partir de 1 mol de glucosa como máximo. Las bacterias fototróficas pueden convertir completamente sustratos como los ácidos orgánicos en hidrógeno, por lo que desde entonces la investigación sobre la producción de biohidrógeno se ha centrado básicamente en la fotofermentación. A principios de la década de 1980, el apoyo a la energía renovable en los programas de investigación y desarrollo (I+D) en todo el mundo disminuyó gradualmente. A principios de la década de 1990, los problemas medioambientales se estaban volviendo cada vez más graves y la atención de la gente se centró en las energías alternativas. Con el apoyo de la investigación y el desarrollo de la producción de biohidrógeno en Alemania, Japón y Estados Unidos, se ha estudiado ampliamente el campo de las algas que utilizan energía luminosa para producir hidrógeno a partir del agua. Sin embargo, la eficiencia general de conversión de energía solar en este proceso sigue siendo muy baja. Por otro lado, la fermentación oscura y las bacterias fototróficas pueden producir hidrógeno a partir de sustratos de bajo coste o residuos orgánicos. Dado que puede producir energía limpia y tratar residuos orgánicos, los gobiernos de Estados Unidos y Japón han apoyado varios programas de investigación a largo plazo. Se espera que la aplicación práctica de la tecnología de producción de biohidrógeno se realice a mediados del siglo XXI. Ha pasado más de medio siglo desde el descubrimiento de la producción microbiana de hidrógeno, pero la producción de biohidrógeno no se ha aplicado en la práctica. Quedan por resolver muchos problemas técnicos, como la detección de microorganismos, el diseño de reactores y la optimización de las condiciones operativas, y también se ha prestado atención al costo de esta tecnología. Desde el punto de vista económico, la tecnología de producción de biohidrógeno no puede competir con la tecnología tradicional de producción de hidrógeno químico en un futuro próximo. Sin embargo, desde la perspectiva de la protección del medio ambiente, las perspectivas para la producción de biohidrógeno serán muy amplias. La producción de biohidrógeno incluye: sistema de producción de biohidrógeno fotosintético (también conocido como sistema de producción de hidrógeno por biofotólisis directa); sistema de producción de biohidrógeno por fotólisis (también conocido como sistema de producción de hidrógeno por biofotólisis indirecta); bacterias fotosintéticas heterótrofas reacción de conversión de gas agua sistema de producción de hidrógeno; sistema de producción de biohidrógeno por fotofermentación; sistema de producción de biohidrógeno por fermentación anaeróbica (también conocido como sistema de producción de biohidrógeno por fermentación oscura); sistema híbrido de producción de biohidrógeno fotosíntesis-fermentación; sistema de producción de biohidrógeno hidrogenasa in vitro, etc. La energía del hidrógeno es una fuente de energía limpia y de alto poder calorífico. Utilizar recursos hídricos renovables en la naturaleza para producir hidrógeno es sin duda el método preferido por la humanidad en el futuro.
Después de más de medio siglo de investigación, aunque la tecnología de producción de hidrógeno por electrólisis del agua y de producción de biohidrógeno ha logrado grandes avances, todavía se encuentran básicamente en la etapa de desarrollo y aún no se han puesto en práctica. Varios factores restrictivos, como la baja eficiencia de conversión de energía solar, el alto consumo de energía de la producción de hidrógeno por electrólisis del agua, la inhibición del producto, las condiciones de funcionamiento, etc., hacen que la tasa de producción de hidrógeno de los sistemas de producción de hidrógeno existentes no sea lo suficientemente alta o no sea económica, y se necesitan muchos otros cuellos de botella. para ser superado aún más. Para reducir aún más los costos de producción y ampliar la eficiencia de la producción, nos prepararemos para futuras operaciones comerciales.
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