Электролизер: аппараты для домашнего использования, вид, сборка и установка устройства

Что такое электролизер

Электролизер – это специальная установка, применяемая для выделения из раствора или расплава его составляющих.

Основными характеристиками электролизера являются:

• Рабочее напряжение для одного электрода колеблется в интервале от 1,8 до 2,0 В;
• Сила тока – для нормального протекания процесса электролиза на электроды подают ток с значением данной характеристики от 5 до 10 А;
• Количество электродов – минимальное количество электродов – 2, максимальное ограничивается размерами самой установки и ее предназначением;
• Габариты электродов – в качестве электродов используют не угольные стержни, а металлические пластины, размер которых определяется предназначением установки, вольт-амперной характеристикой подаваемого на пластины тока;
• Расстояние между разноименно заряженными поверхностями электродов – минимальное расстояние между пластинами-электродами должно быть не менее 1,5 мм;
• Материал электрода – в современных электролизерах в качестве материала для анода и катода используют листовую нержавеющую сталь с добавкой никеля.

Также еще одной важной характеристикой электролизной установки является использование катализаторов.

Применяются такие установки для следующих целей:

• Получение гремучего газа, состоящего из смеси водорода и кислорода (газ Брауна);
• Выделение чистого алюминия, магния, цинка из расплавов их солей;
• Очистка воды от растворенных в ней солей и примесей;
• Нанесение на поверхность металлических деталей тонкого препятствующего коррозии слоя никеля, цинка;
• Обеззараживание пищевых продуктов;
• Очистка сточных вод от растворенных в них солей тяжелых металлов и других вредных веществ.

Важно! Платина-электрод из обычного железа применяется в электролизных установках реже, чем из нержавейки, так как оно быстрее окисляется и приходит в негодность.

Краткая теоретическая часть

Водород, он же hydrogen, – первый элемент таблицы Менделеева – представляет собой легчайшее газообразное вещество, обладающее высокой химической активностью. При окислении (то бишь, горении) выделяет огромное количество теплоты, образуя обычную воду. Охарактеризуем свойства элемента, оформив их в виде тезисов:

1. Горение водорода – процесс экологически чистый, никаких вредных веществ не выделяется.
2. Благодаря химической активности газ в свободном виде на Земле не встречается. Зато в составе воды его запасы неиссякаемы.
3. Элемент добывается в промышленном производстве химическим способом, например, в процессе газификации (пиролиза) каменного угля. Зачастую является побочным продуктом.
4. Другой способ получения газообразного водорода – электролиз воды в присутствии катализаторов – платины и прочих дорогих сплавов.
5. Простая смесь газов hydrogen + oxygen (кислород) взрывается от малейшей искры, моментально высвобождая большое количество энергии.

Для справки. Ученые, впервые разделившие молекулу воды на hydrogen и oxygen, назвали смесь гремучим газом из-за склонности к взрыву. Впоследствии она получила название газа Брауна (по фамилии изобретателя) и стала обозначаться гипотетической формулой ННО.

Раньше водородом наполняли баллоны дирижаблей, которые нередко взрывались

Из вышесказанного напрашивается следующий вывод: 2 атома водорода легко соединяются с 1 атомом кислорода, а вот расстаются весьма неохотно. Химическая реакция окисления протекает с прямым выделением тепловой энергии в соответствии с формулой:

2H2 + O2 → 2H2O + Q (энергия)

Здесь кроется важный момент, который пригодится нам в дальнейшем разборе полетов: hydrogen вступает в реакцию самопроизвольно от возгорания, а теплота выделяется напрямую. Чтобы разделить молекулу воды, энергию придется затратить:

2H2O → 2H2 + O2 — Q

Это формула электролитической реакции, характеризующая процесс расщепления воды путем подведения электричества. Как это реализовать на практике и сделать генератор водорода своими руками, рассмотрим далее.

Применение электролизеров

Постоянный рост цен на энергоносители позволил по-новому подойти к электролитическим процессам. Разработаны различные типы установок для получения:

• алюминия;
• хлора;
• водорода для плазменных аппаратов резки и сварки.

Также устройства работают в составе агрегатов, производящих очистку, обеззараживание питьевой воды и воды для бассейнов, как добавка к топливу для авто, позволяющая полностью использовать потенциал углеводородов. Водород горит значительно раньше бензина. Бензин воспламеняется уже не от искры, а от пламени, что повышает усилие, давящее на поршень двигателя машины.

Некоторые умельцы используют электролиз воды в домашних условиях для обогрева помещений. Но здесь стоит отметить, что себестоимость полученного горючего водорода значительно превосходит по цене тот же природный газ. К тому же температура горения водорода довольно высокая и не всякий металл способен выдержать длительное воздействие без разрушения. А использование термостойких материалов экономически не оправдано.

Модели промышленных электролизеров

 
 

 
 

У углеродных анодов (а графит — это аллотоп углерода) — есть существенный недостаток — при проведении реакции они выбрасывают в атмосферу углекислый газ, тем самым загрязняя ее. В настоящее время особенно актуальна технология инертного анода, сейчас данную технологию тестирует известный производитель алюминия. Суть ее в том, что для используется не вступающий в реакции безуглеродный анод, и как побочный продукт в атмосферу выделяется не углекислый газ, а чистый кислород.

Данная технология существенно повышает экологичность производства, но пока она находится на этапе тестирования.

Несмотря на большое разнообразие электролитов, электродов, электролизеров, имеются общие проблемы технического электролиза. К ним следует отнести перенос зарядов, тепла, массы, распределение электрических полей. Для ускорения процесса переноса целесообразно увеличивать скорости всех потоков и применять принудительную конвекцию. Электродные процессы могут контролироваться путем измерения предельных токов.

Основные типы электролизных установок:

• Установки для получения и рафинирования алюминия;
• Электролизные установки ферросправного производства;
• Электролизеры никель-кобальтового производства;
• Установки для электролиза магния;

• Установки электролиза (рафинирования) меди;
• Установки для нанесения гальванических покрытий;
• Электролизные установки получения хлора;

• Электролизеры для обеззараживания воды.
• Электролизеры, производящие водород для атомных станций ... и т.п.

Побочным продуктов многих окислительно-восстановительных реакций является кислород.

При электролизе регулируют силу тока, его частоту и напряжение, даже полярность, эти параметры управляют скоростью и направленностью процессов. Реакция электролиза всегда проводится при постоянном токе, так как здесь очень важно постояноство полюсов. В очень редких случаях, когда полярность не значима используется переменный ток (например, при электролизе газов).

Современные алюминиевые электролизеры по конструкции катодного устройства подразделяют на

• Электролизеры с днищем и без днища,
• С набивной и блочной подиной;
• по способу токоподвода: с односторонней и двусторонней схемой ошиновки;
• по способу улавливания газов: на электролизеры открытого типа, с колокольным газоотсосом и укрытого типа.

К неудовлетворительным свойствам всех существующих конструкций алюминиевых электролизеров следует отнести недостаточно высокий коэффициент использования электроэнергии, непродолжительный срок их службы и недостаточную эффективность улавливания отходящих газов. Дальнейшее совершенствование конструкции электролизеров должно идти по пути увеличения его единичной мощности, механизации и автоматизации всех операций обслуживания, полного улавливания всех отходящих газов с последующей регенерацией их ценных компонентов.

Промышленные электролизные установки имеют множество типов конструкции, основные это мембранные и диафрагменные. Также выделяют сухие, мокрые и проточные электролизные установки. В общем виде установка — это закрытая система, содержащая электроды, помещенные в состав электролита, к которой подводится электрический ток с определенными характеристиками. Электролизные ячейки могут быть объединены в батарею. Существуют также биполярные электролизеры — где каждый электрод, за исключением крайних работает с одной стороны как анод, с другой стороны как катод.

Данное оборудование работает при различном давлении, в зависимости от типа реакции. Для получения некоторых веществ — например, при получении газов требуется регулировка давления или особые условия. Также нужно следить за давлением газов, которые являются побочным продуктом электролитических реакций. Электролизные установки, которые используются для получения водородв и кислорода на электростанциях работают под избыточным давлением до 10 кгс/см2 (1 МПа).
Установки также отличаются своей производительностью.

В некоторых их них используются прямоходные электрические механизмы. Например, они применяются для перемещения электродов, регулирования уровня электролита, перемещения резервуаров, ванн с электролитом и т.п. Один из примеров такой конструкции приведен на чертеже.

Все электролизные установки должны быть заземлены. Для работы большого промышленного электролизера нужен выпрямительный агрегат или преобразовательная подстанция для преобразования переменного тока в постоянный. Стационарное местное освещение в цехах (корпусах, залах) электролиза обычно не требуется. Исключение — основные производственные помещения электролизных установок получения хлора.

Модель с двумя фильтрами

Электродами служат небольшие квадратные листы, вырезанные из оцинкованной стали или, лучше, из нержавейки марки 03Х16Н15М3 (AISI 316L). Обычная сталь будет очень быстро «съедена» электрохимической коррозией.

Прорезав ножом отверстие в стенке контейнера, нужно установить на нем два фильтра грубой очистки – подойдут «грязевики» (второе название – косой фильтр) или фильтры от стиральных машин.

Далее контейнер при помощи болтов фиксируют на металлическом основании, после чего к нему присоединяют обратный клапан.

Следом устанавливаются плата толщиной 2,3 мм и барботажная трубка.

Завершается создание электролизера установкой форсунки с затвором, расположенным со стороны платы.

Устройство с двумя клапанами

Процесс изготовления 2-клапанной модели электролизера не отличается особой сложностью. Как и в предыдущем варианте, сборку следует начинать с подготовки основания. Выполняется оно из стальной листовой заготовки, которую нужно подрезать в соответствии с размерами контейнера.

К основанию прочно крепится плата (применяем винты М6), после чего можно устанавливать трубку для барботажа диаметром не менее 33 мм. Подобрав к устройству затвор, можно приступать к монтажу клапанов.

Пластиковый контейнер

Первый устанавливается на основании трубы, для чего в этом месте необходимо закрепить штуцер. Соединение уплотняется зажимным кольцом, после чего устанавливается еще одна пластина – она понадобится для фиксации затвора.

Второй клапан следует монтировать на трубе с отступом от края в 20 мм.

Модели на три клапана

Эта модификация отличается не только количеством клапанов, но также и тем, что основание для нее должно быть особенно прочным. Применяется все та же нержавеющая сталь, но большей толщины.

Место для установки клапана №1 нужно выбирать на входной трубе (она подсоединяется прямо к контейнеру). После этого следует закрепить верхнюю пластину и вторую трубку барботажного типа. Клапан №2 устанавливают на конце этой трубки.

Штуцер при установке второго клапана нужно крепить с достаточной жесткостью. Также потребуется зажимное кольцо.

Готовый вариант водородной горелки

Следующий этап – изготовление и установка затвора, после чего к трубе прикручивают клапан №3. При помощи шпилек он должен соединяться с форсункой, при этом посредством прокладок из резины должна быть обеспечена изоляция.

Вода в чистом виде (дистиллированная) является диэлектриком и чтобы электролизер работал с достаточной производительностью, ее следует превратить в раствор.

Наилучшие показатели демонстрируют не солевые, а щелочные растворы. Для их приготовления в воду можно добавить пищевую или каустическую соду. Также подойдут некоторые средства бытовой химии, например, «Мистер Мускул» или «Крот».

Модель с оргстеклом

Сборку электролизера с применением заготовок из органического стекла назвать простой задачей нельзя – данный материал достаточно сложен в обработке.

Трудности могут подстерегать и на этапе поиска контейнера подходящего размера.

В углах платы высверливают по одному отверстию, после чего приступают к монтажу пластин. Шаг между ними должен составлять 15 мм.

На следующем этапе переходят к установке затвора. Как и в других модификациях, следует применять прокладки из резины. Только нужно учесть, что в данной конструкции их толщина должна составлять не более 2-х мм.

Устройство с верхним расположением контейнера

Электроды выполняются из нержавеющего листа размером 50×50 см, который нужно разрезать болгаркой на 16 равных квадратов. Один угол каждой пластины подрезается, а в противоположном выполняется отверстие под болт М6.

Один за другим электроды одеваются на болт, а изоляторы для них нарезаются из резиновой или силиконовой трубки. Как вариант, можно воспользоваться трубкой от водяного уровня.

Контейнер фиксируется при помощи штуцеров и только после этого устанавливаются барботажная трубка и электроды с клеммами.

Модель с нижним расположением контейнера

В этом варианте сборку прибора начинают с нержавеющего основания, размеры которого должны соответствовать размерам контейнера. Далее устанавливают плату и трубку. Монтаж фильтров в данной модификации не требуется.

Затем к нижней плате нужно прикрепить 6-миллиметровыми винтами затвор.

Установка форсунки осуществляется посредством штуцера. Если все же принято решение установить фильтры, то для их крепления следует использовать пластиковые зажимы на резиновых прокладках.

Готовое устройство

Толщина изоляторов между пластинами-электродами должна составлять 1 мм. При таком зазоре сила тока будет достаточной для качественного электролиза, в то же время пузырьки газа смогут легко оторваться от электродов.

К полюсам источника питания пластины подключаются поочередно, например, первая пластина – к «плюсу», вторая – к «минусу» и т.д.

Сухие

Такие электролизеры состоят из пластинчатых электродов, разделенных между собой герметичными резиновыми прокладками. Часто «ячейки» установки дополнительно помещают в герметичный корпус.

Вырабатывающиеся в результате электролиза водород и кислород отводятся по специальным патрубкам, находящимся в торце корпуса или крайних пластин установки.

Проточные

С упрощенным устройством приборов этого вида можно ознакомиться на рисунке. Как видим, конструкция включает в себя ванну с электродами «A», полностью залитую раствором и бак «D».

 Конструкция проточного электролизера

Принцип работы устройства следующий:

• входе электрохимического процесса газ вместе с электролитом выдавливается в емкость «D» через трубу «В»;
• в баке «D» происходит отделение от электролитного раствора газа, который выводится через выходной клапан «С»;
• электролит возвращается в гидролизную ванну через трубу «Е».

Мембранные

Основная особенность устройств этого типа – использование твердого электролита (мембраны) на полимерной основе. С конструкцией приборов этого вида можно ознакомиться на рисунке.

Электролизер мембранного типа

Основная особенность таких устройств заключается в двойном назначении мембраны, она не только переносит протоны и ионы, а и на физическом уровне разделяет как электроды, так и продукты электрохимического процесса.

Диафрагменные

В тех случаях, когда не допустима диффузия продуктов электролиза между электродными камерами, используют пористую диафрагму (что и дало название таким приборам). Материалом для нее может служить керамика, асбест или стекло. В некоторых случаях для создания такой диафрагмы можно использовать полимерные волокна или стеклянную вату. На рисунке показан простейший вариант диафрагменного прибора для электрохимических процессов.

Конструкция диафрагменного электролизера

Пояснение:

1. Выход для кислорода.
2. U-образная колба.
3. Выход для водорода.
4. Анод.
5. Катод.
6. Диафрагма.

Щелочные

В отличие от других моделей электролизеров, в таких в качестве электролита применяют раствор щелочи – каустическую соду (гидроксид натрия), являющийся не только дополнительным источником водорода и кислорода, но и катализатором для электролиза.

Схема щелочного электролизера

Такие установки, в отличие от аналогов других видов, позволяют применять более дешевые электроды из обычного железа.

Электролизер для автомобиля своими руками

В интернете можно найти много схем HHO систем, которые, если верить авторам, позволяют экономить от 30% до 50% топлива. Такие заявления слишком оптимистичны и, как правило, не подтверждаются никакими доказательствами. Упрощенная схема такой системы продемонстрирована на рисунке.

Упрощенная схема электролизера для автомобиля

По идее, такое устройство должно снизить расход топлива за счет его полного выгорания. Для этого в воздушный фильтр топливной системы подается смесь Брауна. Это водород с кислородом, полученные из электролизера, запитанного от внутренней сети автомобиля, что повышает расход топлива. Замкнутый круг.

Безусловно, может быть задействована схема шим регулятора силы тока, использован более эффективный импульсный блок питания или другие хитрости, позволяющие снизить расход энергии. Иногда в интернете попадаются предложения приобрести низкоамперный БП для электролизера, что вообще является нонсенсом, поскольку производительность процесса напрямую зависит от силы тока.

Это как система Кузнецова, активатор воды которой утерян, а патент отсутствует и т.д. В приведенных видео, где рассказывают о неоспоримых преимуществах таких систем, практически нет аргументированных доводов. Это не значит, что идея не имеет прав на существование, но заявленная экономия «слегка» преувеличена.

Электролизер своими руками

Электролизер для получения водорода своими руками сделать вполне возможно. Перед началом изготовления прибора необходима схема электролизера. Их встречается на просторах интернета большое количество, и подобрать необходимую не составит труда. На основании выбранной схемы разрабатываются чертежи электролизера своими руками.

Затем необходимо подобрать материалы для изготовления элементов. Наилучшим вариантом для изготовления пластин является нержавеющая сталь марки 03Х16Н15М3. маркировка по иностранным стандартам AISI 316 L. Она устойчива к коррозии от воздействия воды и щелочей.

Необходимо изготовить детали в количестве 16 штук. Их можно разместить на стальном квадрате 500×500 мм. Разметив, их можно вырезать ножницами по металлу, если позволит толщина металла, или болгаркой.

На каждом элементе необходимо отрезать один угол, а с противоположной стороны просверлить отверстие, диаметр которого должен совпадать с диаметром соединительного болта.

Сборка пакета пластин производится в следующей последовательности: положительная — отрицательная — положительная — отрицательная и так далее. Эта последовательность обеспечивает высокую плотность тока.

Изолирование пластин между собой производится не проводящей электричество поливинилхлоридной или силиконовой трубкой. Она разрезается вдоль, а ее толщина составляет 1 мм. Затем из нее нарезаются квадратики и сверлятся отверстия. Зазора в один миллиметр вполне достаточно для интенсивного производства газа.

Собранную конструкцию помещают в пластиковый контейнер необходимого объема с герметично закрывающейся крышкой. Если длинные винты не дают ровно установиться их следует отпилить, а гайки надежно затянуть. В крышке сверлятся отверстия, в которых закрепляются штуцера. Для обеспечения герметичности используется силиконовый герметик.

Перед подключением источника питания требуется провести расчет подаваемого напряжения. Его значение пропорционально площади и количеству пластин. Во время пробного запуска при недостаточной мощности заметно движение жидкости. В дальнейшем для перехода в рабочие режимы следует постепенно повышать мощность.

При отсутствии источника постоянного тока можно самостоятельно сделать схему мощного выпрямителя. Для этого понадобятся:

1. резисторы, кОм — 2,7, 3, 10, 15, 30;
2. диоды — Д232, Д226Б, Д814Б;
3. транзисторы — МП26Б, П308;
4. конденсатор, мкФ — 0,5;
5. тиристор — КУ202Н;
6. резистор переменный, кОм — 3…22;
7. амперметр.

В заключение стоит отметить, что электролиз в домашних условиях — это доступный способ получать для дома и автомобиля водородный топливный ингредиент. Подключение самодельной установки не вызывает трудностей. Работать она может от постоянного тока и от переменного, но через выпрямитель.