Томский политехнический университет «утверждаю» icon

Томский политехнический университет «утверждаю»



НазваниеТомский политехнический университет «утверждаю»
Дата конвертации16.06.2013
Размер92.83 Kb.
ТипМетодические указания
скачать >>>


ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

_____________________________________________________________________


«УТВЕРЖДАЮ»

Декан ХТФ

______В.М. Погребенков

«____» __________2008г.


К А Ф Е Д Р А О Б Щ Е Й Х И М И Ч Е С К О Й Т Е Х Н О Л О Г И И


Электролиз воды


Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Основные направления технологии неорганических веществ и электрохимических производств для студентов специальности «Технология неорганических веществ»»


Томск 2008

УДК 66.02.(076.1)


Электролиз воды


Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Основные направления технологии неорганических веществ и электрохимических производств для студентов специальности «Технология неорганических веществ»»   Томск: Изд. ТПУ, 2008 – 8 с.


Составитель к.т.н., доц. каф. ОХТ О. И. Налесник


Рецензент к.х.н., доц. каф. ОХТ Ю. Н. Обливанцев


Методические указания рассмотрены и рекомендованы методическим семинаром кафедры общей химической технологии “____”_________ 2007г.


Зав. каф. ОХТ, д.т.н., проф В.В. Коробочкин

1 – Н-образная ячейка; 6

3.3 Порядок выполнения работы 6

6.Литература 7

1. Введение


Современная химическая промышленность и металлургия в больших масштабах используют водород и кислород.

Основное количество водорода используется для синтеза аммиака, метанола и хлористого водорода. Другие области применения:

– производство капрона, нейлона, высших жирных кислот;

– гидрирование тяжёлых нефтяных фракций позволяет увеличить выход бензина и других топлив из нефти;

– гидрогенизация жиров, производство красителей, некоторых медикаментов;

– создание восстановительной атмосферы в некоторых термических и сварочных процессах.

Кислород широко используется для интенсификации обжиговых процессов вместо воздуха, в доменных процессах и бессемеровских конверторах, в обжиге сульфидных руд цветных металлов и др.

Для большинства из этих производств не требуется водород и кислород высокой чистоты. Кислород в промышленности получают из воздуха методом сжижения его и ректификации. Кроме того, часть кислорода получается электролизом воды при получении электролитического чистого водорода. Самым масштабным химическим методом получения водорода является конверсионный из метана и паров воды.

СН4 + Н2О → СО + 3Н2 (1)

Получающийся водород загрязнён органическими и неорганическими газообразными соединениями и требует дополнительной очистки перед использованием.

В ряде же случаев требуется водород высокой чистоты. Получение такого водорода возможно только методом электролиза.


^ 2. Теория процесса электролиза воды


Впервые вода была разложена электролизом на водород и кислород в 1802 г. Никольсеном и Карлейлем (Англия). До этого времени её считали простым веществом, как сера, углерод и др.


2.1. Электродные процессы


В кислой среде процесс выделения водорода на катоде происходит по схеме

Н3О+ + (Мe) + е → Н-Ме + Н2О, (2)

Н3О+ + Н-Ме + е → Н2 + Ме + Н2О (3)

Суммарная реакция на катоде

3О+ + 2е → Н2 + 2Н2О, (4)

В упрощенном виде 2Н+ + 2е → Н2 (5)

Данный механизм основан на взаимодействии активного атомарного водорода с металлом и внедрением его в кристаллическую структуру металла вследствие химической и физической сорбции.

В нейтральной или щелочной среде катодный процесс идёт по схеме:

Н2О + (Ме) + е → Н-Ме + ОН-, (6)

Н2О + Н-Ме + е → Н2 + Ме + ОН- (7)

Суммарная катодная реакция

2О + 2е → Н2 + 2ОН- (8)

Анодная реакция выделения кислорода в кислой и нейтральной средах запишется в упрощённом виде:

Н2О → 1/2О2 + 2Н++ 2е (9)

а в щелочной 2ОН- → 1/2О2 + Н2О+ 2е (10)

Суммарные реакции электролиза воды в кислой и щелочной средах запишутся в виде:

Н2О Н2 + 1/2О (11)

В производственных процессах электролиз воды ведётся в щелочных электролитах, отличающихся низкой коррозионной активностью к стали, основному конструкционному материалу.

Других процессов на электродах не происходит, и потому выход по току водорода и кислорода должен быть равен 100%. Тем не менее имеет место отклонение его в меньшую сторону из-за утечек тока по каналам подвода электролита в каждую ячейку и по каналам отвода газообразных продуктов в виде газожидкостной эмульсии.


2.2 Рабочее напряжение электролиза


Минимальное напряжение разложения воды может быть найдено по энергии Гиббса реакции разложения воды

, В (12)

где , Дж;

z = 2 – число электронов в реакции разложения;

F = 96498 – число Фарадея, кл.

Отсюда , В.

Такой же результат, получается по разности электродных потенциалов как в кислой, так и в щелочной средах



, В

На рисунке 1 приведена диаграмма, поясняющая составляющие напряжения электролиза



Рис. 1. Анодная и катодная поляризационные кривые процесса электролиза воды.


Рабочее напряжение электролиза воды в 2,5 – 3 раза больше величины теоретического напряжения, т. к. при электролизе необходимо преодолеть следующие препятствия: минимальные перенапряжения выделения кислорода () и водорода () на металлах, электродные поляризации (ΔЕ+) (ΔЕ-) (см. схему на рис.1). Без учёта падения напряжения вследствие омического сопротивления электролита рабочее напряжение в каждой ячейке электролизёра () запишется как

, (13)

а с учётом его (14)

Если у электролизёра с биполярными электродами N ячеек, то рабочее напряжение электролизёра

. (15)


2.3. Особенности устройства электролизёра


Известно несколько конструкций водородного электролизёра. Наибольшее применение нашла фильтрпрессная конструкция с биполярными электродами, состоящая из множества ячеек (от 40 до 100 шт.). Каждая ячейка имеет катод и анод, при этом катодное пространство в 2 раза больше анодного, т. к. объём выделяющийся при электролизе водорода в 2 раза больше объёма кислорода.

При этом катодное и анодное пространства электролизёра разделены пористой перегородкой – диафрагмой. Она препятствует смешению катодного электролита, насыщенного водородом, с анодным электролитом, насыщенным кислородом. Конструкция электролизёра должна обеспечить раздельное выведение катодного и анодного продуктов и отделение их от электролитов. Электролиты после полного их обезгаживания смешиваются и вновь поступают в нижнюю часть анодных и катодных камер.

В большинстве конструкций электролизёров применяется естественная циркуляция электролита, вызванная подъёмом газонаполненного электролита и введением обезгаженного.

Материал электродов должен обеспечивать минимальное перенапряжение выделения газов. При этом идеальный материал – платина непригодна по экономическим соображениям. Для щелочной среды наиболее целесообразным материалом катода является низкоуглеродистая сталь, а материалом анода - никелированная сталь.

^ 3. Экспериментальная часть


3.1. Цель работы




Изучение влияния плотности тока на напряжение электролиза и на выход водорода по току. Определение экспериментального напряжения разложения воды


3.2. Схема установки


^




1 – Н-образная ячейка;


2 – пористая мембрана;

3 – катод;

4 – анод;

5 – гальваностатический источник тока;

6 – бюретка;

7 – трёхходовой кран;

8 – резиновая груша.


Рис. 2. Схема лабораторного электролиза воды

^

3.3 Порядок выполнения работы



Перед работой с помощью груши в бюретку с делениями набирается электролит. С помощью крана 7 уровень электролита устанавливается на нулевую отметку. Количество выделяющегося водорода регистрируется по делениям бюретки.

Для эксперимента рекомендуется в порядке увеличения следующие плотности тока: 50,100, 150, 200, 250 А/м2. Рабочий ток рассчитывается после измерения площади катода.

При каждой плотности тока фиксировать время наполнения бюретки (полного или частичного) и напряжение электролиза.

Результаты эксперимента заносят в таблицу.

Таблица 1

Результаты изучения электролиза воды



i, А/м2

I, А

U, B

τЭ, час.

Объём выдел. Н2

Теорет. объём Н2

Вт.

























Объём газа, выделенный при эксперименте, определяется по показаниям бюретки. Теоретический объём водорода, который должен выделиться при электролизе, рассчитывается по закону Фарадея.

, (16)

где: - ток и время электролиза, час;

- электрохимический эквивалент водорода, л/А·ч.

, л/А·ч.

Выход по току рассчитать по формуле

, % (17)

По полученным данным строится зависимости напряжения электролиза и выхода продукта по току (Вт) от плотности тока.


^ 4. Оформление отчета


  1. Механизм электролиза: процессы на электродах и уравнение Нернста для щелочной и кислой среды.

  2. Поляризационные кривые для кислой среды, используемой при эксперименте.

  3. Изображается схема установки с пояснениями обозначений

  4. Ход эксперимента.

  5. Результаты испытания излагаются в соответствии с ходом эксперимента, измеряемые и расчетные величины заносят в табл. 1.

7. Выводы должны соответствовать целям эксперимента

  1. Литература





  1. Якименко Л. М. и др. Электролиз воды - М.: Химия, 1975.

  2. Прикладная электрохимия /Под ред. Томилова А.П.- 3-е изд. - М: Химия, 1984.



Электролиз воды


Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Основные направления технологии неорганических веществ и электрохимических производств для студентов специальности «Технология неорганических веществ»» – Томск: Изд. ТПУ. 2008 – 8 с.


Составитель к.т.н., доц. каф. ОХТ О. И. Налесник


Рецензент к.х.н., доц. каф. ОХТ Ю. Н. Обливанцев


Подписано к печати 13.03.08.

Формат 60х84/16. Бумага офсетная.

Печать RISO. Усл. печ. л. . Уч. - изд. л.

Тираж экз. Заказ Цена свободная.

Издательство ТПУ. 634050, Томск, пр. Ленина 30.





Нажми чтобы узнать.

Похожие:

Томский политехнический университет «утверждаю» iconТомский политехнический университет утверждаю

Томский политехнический университет «утверждаю» icon«томский политехнический университет» О. В. Ротарь введение в специальность
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «томский политехнический университет»
Томский политехнический университет «утверждаю» icon«национальный исследовательский томский политехнический университет» «утверждаю»

Томский политехнический университет «утверждаю» icon«национальный исследовательский томский политехнический университет» «утверждаю»

Томский политехнический университет «утверждаю» icon«национальный исследовательский томский политехнический университет» Организационное поведение и управление персоналом
О-641 пособие / автор сост.: Н. Ю. Шрайбер.; Томский политехнический университет – Томск: Институт инженерного предпринимательства...
Томский политехнический университет «утверждаю» iconОт             20      г. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
Томский политехнический университет в лице проректора-директора Института неразрушающего контроля Клименова Василия Александровича...
Томский политехнический университет «утверждаю» iconОт             20      г. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
Томский политехнический университет в лице проректора-директора Института природных ресурсов Дмитриева Андрея Юрьевича и  
Томский политехнический университет «утверждаю» iconОт             20      г. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
Томский политехнический университет в лице проректора-директора Института неразрушающего контроля Клименова Василия Александровича...
Томский политехнический университет «утверждаю» iconОт             20      г. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
Томский политехнический университет в лице проректора-директора Института неразрушающего контроля Клименова Василия Александровича...
Томский политехнический университет «утверждаю» iconК трудовому договору №       от             20      г. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
Томский политехнический университет в лице проректора-директора Института кибернетики Замятина Александра Владимировича и  
Томский политехнический университет «утверждаю» iconК трудовому договору №       от             20      г. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
Томский политехнический университет в лице проректора-директора Физико-технического института Долматова Олега Юрьевича и    
Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©rushkolnik.ru 2000-2015
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Документы