Ионизаторы. Принцип работы — h3h3O
Содержание:
- Что такое электролизер (ионизатор или активатор)? Что такое живая и мертвая вода?
- Принцип работы ионизаторов воды
- Какие процессы происходят в электролизере?
- Что такое гипохлорит и хлорат?
- Какие вещества, выделяемые в электролизерах, имеют терапевтический эффект
- Отличие генератора водородной воды от ионизаторов
Что такое электролизер (ионизатор или активатор)? Что такое живая и мертвая вода?
Часто электролизеры еще называют ионизаторами или же активаторами воды. Но правильнее все-таки их называть электролизерами, так как это название отражает суть происходящих в приборах процессов. В ионизаторах вода разделяется на две — щелочную воду с pH больше 8 и кислотную воду с pH меньше 6. Щелочную воду в России называют “живой”, а кислотную — “мертвой” водой.
Принцип работы ионизаторов воды
Ионизатор представляет собой прибор, в котором 2 или более электродов, погружены в раствор солей в воде.
Если есть 2 электрода: Анод — положительно заряженный электрод А(+) и Катод — отрицательно заряженный электрод К(-), схема электролизера выглядит так:
Чтобы сделать процессы более интенсивными, в более дорогих электролизерах используют несколько пластин электродов. Тогда схема электролизера выглядит так:
Какие процессы происходят в электролизере?
Как подсказывает название, в электролизере происходит процесс электролиза. Электролиз — это разложение вещества на составляющие при помощи электрического тока. Ток через химически чистую (дистиллированную или еще более чистую, деионизированную воду идет очень слабо, поэтому электролиз чистой воды затруднителен. Попробуйте залить в бытовой ионизатор дистиллированную воду, он работать не будет.
Электролиз обычной питьевой воды, например, взятой из-под крана, возможен именно благодаря присутствию воде разных солей, например, кальция, натрия, магния и др. Для работы электролизеров важно, чтобы солей было достаточно, для чего воду дополнительно минерализуют.
Фактически речь идет об электролизе водного раствора солей.
Самые распространенные соли в питьевой воде: гидрокарбонаты, сульфаты кальция, магния, хлорид натрия (он же — поваренная соль).
Растворяясь в воде, соли распадаются (диссоциируют) на ионы — частицы, имеющие электрический заряд. Кроме того, сами молекулы воды тоже, частично, диссоциируют на H+ и OH—
В питьевой воде “плавают”:
— положительно заряженные Ca2+, Mg2+, Na+, K+ , H+
— отрицательно заряженные HCO3—, SO42-, Cl—, OH—.
На этикетках бутылированной воды в России всегда указывается список ионов. Под действием электрического поля ионы начинают двигаться к электроду с противоположным зарядом, где с ними происходят химические реакции.
Сразу оговоримся, что электроды должны быть инертными, то есть при электролизе они служат лишь передатчиками электронов.
Материал таких электродов не участвует в электродных процессах (это может быть, например, Pt (платина), Ir (иридий), то есть сами электроды в реакции не участвуют. Иначе сначала будет реагировать и разрушаться (растворяться) сам электрод: Ме (металл) —> Me+ + е—, прежде чем начнутся другие реакции. Понятно, что электроды из платины или иридия очень дороги, поэтому их делают с покрытием из платины и качество этого покрытия принципиально важно.
Т.к. все металлы, ионы которых имеются в нашей питьевой воде — Ca, Mg, Na, K — стоят в ряду напряжений металлов левее алюминия включительно, то на катоде металл не восстанавливается, а восстанавливается водород из воды. Это происходит так:
На катоде (-) 2 молекулы воды соединяются с электронами и образуется газ водород и ионы OH— — т.е щелочная среда.
K(-) 2H2O + 2e‾ → H2 + 2OH—
На аноде (+) происходит несколько реакций:
1) Так как к нас присутствует анион кислородсодержащей кислоты, (SO42-), то происходит окисление атомов кислорода из воды до молекул кислорода и еще образуются ионы водорода H+:
2H2O — 4e → O2 + 4H+, выделяется газ кислород и образуется кислотная среда — ионы водорода H+
2) В нашем случае есть также анион бескислородной кислоты ( Cl—).
Происходит его окисление до простого вещества:
образуется газообразный хлор
2Cl— — 2e → Cl2
Итак, на отрицательном электроде выделяется газ водород и щелочная среда, на положительном — газы кислород, хлор и кислотная среда. Нужно учитывать, что хлор — ядовитый газ.
Но важно, что продукты реакций будут смешиваться и реагировать между собой.
При этом смешении образуется гипохлорит по реакции:
Cl2+2OH— → Cl—+ClO-H2O
А затем, при комнатной температуре в кислом растворе образуется хлорат (соединение хлорноватистой кислоты) по реакции:
2HClO+ClO— → ClO3—+2H+2Cl—
Что такое гипохлорит и хлорат?
Чтобы уменьшить степень смешения воды между электродами с образованием гипохлорита и хлората, делаются специальные перегородки из бумаги/пергамента которые уменьшают, но, к сожалению, не предотвращают образование хлората и гипохлорита.
Гипохлорит OCl— — обладает антисептическим и дезинфицирующим действием. Используется в качестве бытового и промышленного отбеливателя и дезинфектанта, средства очистки и обеззараживания воды, окислителя для некоторых процессов промышленного химического производства. Как бактерицидное и стерилизующее средство применяется в медицине, пищевой промышленности и сельском хозяйстве. Имеет характерный резкий запах хлора.
Щелочной раствор на катоде также активно контактирует с воздухом, точнее — с диоксидом углерода CO2, в результате чего в нем появляются карбонаты K2CO3 и бикарбонаты калия KHCO3 и натрия Na2CO3, NaHCO3 (пищевая сода) — растворимые, и карбонаты магния MgCO3 и кальция CaCO3 (нерастворимые).
То есть, на выходе мы получаем сложную смесь различных веществ.
Генераторы водородной воды без протонообменной мембраны — это по сути простейшие электролизеры (ионизаторы) с 2 электродами без перегородки из бумаги или пергамента.
Какие вещества, выделяемые в электролизерах, имеют терапевтический эффект
Мы видим, что среди веществ, выделяющихся на катоде, есть молекулярный водород h3.
То, что водород действует как терапевтический антиоксидант, селективно восстанавливая цитотоксичные радикалы кислорода, открыл профессор Охта только в 2007 году. Подтвердили и широко изучают эти эффекты только с 2010-х годов.
На сегодняшний день однозначно научно доказано, что из всех веществ, производимых в ионизаторах полезен только водород, а не щелочность или что-то еще.
Ионизаторы (электролизеры) существуют на рынке уже десятки лет. Они появились в Японии в начале 20 века, а широко рекламируются с 1950-70х годов.
Они появились в Японии в начале 20 века, а широко рекламируются с 1950-70х годов. Тогда не знали, что полезен именно водород, думали, что важна щелочность, или, что пользу ионизированной воде дает лактат кальция, который добавляли в воду для большей минерализации, или что пользу приносит понижение ОВП само по себе — впоследствии оказалось, что понижение ОВП полезно, если вызвано растворением водорода.
Было еще много разных теорий, например о структурированной воде, но они не подтвердились.
Ионизаторы не проектировались для производства воды с высоким содержанием растворенного водорода. Ионизаторы делались как приборы для производства щелочной, а не водородной воды. Их электроды конструировались, так, чтобы наиболее эффективно вырабатывалась щелочная вода, а не насыщенная водородом.
Поэтому электролизеры могут давать и очень маленькое, нетерапевтическое, количество растворенного водорода в воде, ведь важно, чтобы водород не только выделился, но и растворился.
Но зато мы обязательно получим кислотный раствор, щелочной раствор, а если в воде изначально были ионы хлора, например, из растворенной соли, то и газ хлор и хлораты, растворенные в воде.
Приборы, которые специально создавались для насыщения воды водородом, без примесей посторонних веществ, но зато с максимальной концентрацией водорода в воде, и которые могут работать с дистиллированной водой — это генераторы водородной воды с протонообменной мембраной.
Такие генераторы могут работать также и с дистиллированной водой, и водой очищенной способом обратного осмоса, наличие в воде солей необязательно.
Принцип работы генератора водородной воды с протонообменной мембраной можно посмотреть здесь: «Для чего нужна SPE/PEM мембрана».
Отличие генератора водородной воды от ионизаторов
Электролизные установки типа СЭУ
Электролизные установки типа СЭУ
Электролизеры типа СЭУ-20, СЭУ-40 и СЭУ-10х2
Условные обозначения: С — стационарная; Э — электролизная; У — установка; М — модернизированная; 4, 20, 40 и 10 — производительность по водороду, м3/ч.
Электролизеры предназначены для получения водорода и кислорода методом электролитического разложения воды, используются для следующих целей:
- охлаждение генераторов тепловых и атомных электростанций;
- гидрогенизация жиров;
- создание защитной атмосферы при производстве твердых сплавов, трансформаторного листа, микропроцессоров, стекла (в том числе автомобильного), витаминов, радиотехнических приборов, электроламп, чистых газов.
Электролизер представляет собой горизонтальный, работающий под давлением аппарат, собранный из одинаковых электродов и диафрагменных рам, разделенных между собой паронитовыми прокладками.
Определенное количество элементов собирается в пакет и зажимается между концевыми плитами, стягиваемыми приспособлениями.
Электрический ток подводится к концевым плитам, работающим как монополярные электроды. Все электроды разделены между собой диафрагмами, закрепленными на диафрагменных рамах.
Диафрагмы разделяют получаемые водород и кислород. В полях электродов, диафрагменных рам и прокладок имеются отверстия, образующие при сборке каналы для отвода получаемых газов и возврата унесенного с газами электролита.
Техническая характеристика
| Наименование | СЭУ-20 | СЭУ-40 | СЭУ-10х2 |
| Сила тока, подводимая к электролизеру, А | 1000 | 1000 | 1000 |
| Напряжение на электролизере, В | 100 | 200 | 50 |
| Рабочее давление, кгс/см2 | 10 | 10 | 10 |
| Рабочая температура, °С | 85±5 | 85±5 | 85±5 |
| Чистота газов, %: | |||
| водорода | 99,7 | 99,7 | 99,7 |
| кислорода | 99,5 | 99,5 | 99,5 |
| Производительность, м3/ч: | |||
| водорода | 20,5 | 41 | 10 |
| кислорода | 10,25 | 20,5 | 5 |
| Габаритные размеры, мм | |||
| длина | 2400 | 4100 | 1650 |
| ширина | 1060 | 1060 | 1000 |
| высота | 1780 | 1780 | 1646 |
| Масса электролизера, кг | 4720 | 7435 | 3590 |
| Масса электролизера с комплектующим технологическим оборудованием, кг | 23390 | 27335 | 45191* |
* Масса двух электролизеров с комплектующим технологическим оборудованием.
Номенклатурный перечень часто заказываемых деталей для ремонта электролизеров типа СЭУ.
Компания «Электролизные технологии» осуществляет поставку запасных частей и материалов к электролизерам водорода типа CЭУ-10; CЭУ-20; CЭУ-40 в следующей номенклатуре:
| № | Наименование | Ед. изм. |
| 1. | Биполяр | шт. |
| 2. | Рама диафрагменная | шт. |
| 3. | Штифт полипропиленовый | шт. |
| 4. | Прокладка рамная | шт. |
| 5. | Асботкань АТ-16 | м² |
| 6. | Пленка фторопластовая | кг. |
| 7. | Пружина тарельчатая | шт. |
| 8. | Полукольцо-изолятор | шт. |
| 9. | Втулка изоляционная | шт. |
| 10. | Шайба изоляционная | шт. |
Срок поставки 10-15 дней
Так же осуществляется поставка сосудов для электролизных установок типа CЭУ-10; CЭУ-20; CЭУ-40 и запорной арматуры для этих установок.
| 1 | Колонка разделительная |
| 2 | Регулятор- промыватель газа |
| 3 | Бак уравнительный |
| 4 | Гидрозатвор |
| 5 | Холодильник |
| 6 | Сепаратор |
| 7 | Сборник конденсата |
| 8 | Подогреватель паровой |
| 9 | Осушитель для водорода |
| 10 | Ресивер водорода V=20-100 м³ |
Что такое электролизер и для чего он используется?
Электролизер представляет собой устройство, использующее электричество для расщепления воды или других компонентов на составные элементы посредством электролиза.
Электролиз — это химическая реакция, при которой электрический ток проходит через вещество, вызывая его разложение на основные компоненты.
В случае электролиза воды электролизер использует электрический ток для расщепления молекул воды на водород и кислород. Газообразный водород может храниться как в сжатом, так и в сжиженном виде. Образовавшийся кислород выбрасывается обратно в воздух или улавливается и хранится для использования в других промышленных процессах.
Компоненты электролизера
Базовая форма электролизера состоит из электролитической ячейки с двумя электродами – катодом (отрицательный заряд) и анодом (положительный заряд) – и мембраной. Электролизерная система включает в себя батареи электролизеров, насосы, вентиляционные отверстия, резервуары для хранения, источник питания, сепаратор и другие рабочие компоненты.
Электролиз происходит в пакетах элементов при пропускании электрического тока через электролиты. Анод притягивает отрицательно заряженные ионы гидроксида (OH-), выделяя газообразный кислород (O2).
Катод притягивает положительно заряженные ионы водорода (H+) и выделяет газообразный водород (h3).
Для чего используются электролизеры?
Электролизеры в основном используются для производства газообразного водорода. Водород необходим для промышленных процессов, включая производство аммиака для удобрений и топлива для топливных элементов, таких как автобусы, грузовики и поезда. Их можно использовать для хранения энергии путем преобразования избыточной электроэнергии из возобновляемых источников энергии, таких как энергия ветра, солнца и воды, в газообразный водород. Затем газ можно сжимать, хранить и использовать по мере необходимости.
Электролизеры различаются по размеру и функциям и могут масштабироваться для удовлетворения различных потребностей на входе и выходе. Их площадь может варьироваться от небольших промышленных электролизных установок, установленных в транспортных контейнерах для производства на месте, до крупномасштабных централизованных установок по производству водорода, способных доставлять водород грузовиками или подключаться к трубопроводам для смешивания природного газа.
Электролизеры также являются технологией, дополняющей топливные элементы. Работая подобно батарее, топливные элементы производят электричество и тепло. В отличие от батареи, топливный элемент может производить бесконечное количество электроэнергии, если топливо, например водород, подается непрерывно. Топливные элементы, использующие водород, генерируют электричество с нулевым уровнем выбросов в момент использования для своих целей, что означает, что ископаемое топливо не требуется, и не создаются вредные выбросы.
Различные виды электролизеров
Существует три основных типа технологии электролиза воды: протонообменная мембрана (ПЭМ), щелочной и твердооксидный. Каждый электролизер работает немного по-разному в зависимости от используемого материала электролита.
Электролизеры с протонообменной мембраной (ПЭМ)
Электролизеры с протонообменной мембраной содержат протонообменную мембрану, в которой используется твердый полимерный электролит. Когда во время электролиза воды к его ячейкам подается электрический ток, вода расщепляется на водород и кислород.
Протоны водорода проходят через мембрану, образуя h3 на катодной стороне.
Щелочные электролизеры
Щелочные электролизеры содержат воду и жидкий раствор электролита, такой как гидроксид калия (КОН) или гидроксид натрия (NaOH). Когда ток подается на щелочную ячейку, ионы гидроксида (ОН-) перемещаются через растворы электролита от катода к аноду каждой ячейки. На катоде образуются пузырьки газообразного водорода, а на аноде – газообразный кислород.
Твердооксидные электролизеры
Твердооксидные электролизеры или твердооксидные электролизеры (СОЭ) представляют собой твердооксидные топливные элементы, работающие в регенеративном режиме. В SOEC используется твердый оксидный или керамический электролит. Когда подается ток и на его катод подается вода, вода превращается в газообразный водород и ионы оксида. В то время как газообразный водород улавливается для очистки, ионы оксида перемещаются к аноду и высвобождают электроны во внешнюю цепь, превращаясь в газообразный кислород.
Электролизеры и производство зеленого водорода
Зеленый водород — это возобновляемый водород, полученный с использованием технологии электролиза воды и электричества, полученного из возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия или ветер. Он набирает беспрецедентный импульс во всем мире, и Accelera считает, что это ключевой компонент в ускорении перехода к экологически чистой энергии. Коммерциализация электролизеров может сделать зеленый водород более доступным и позволить энергетическим системам по всему миру претерпеть фундаментальные преобразования для снижения выбросов и уменьшения их негативного воздействия на окружающую среду.
Артикул
|
08 марта 2023 г.
Cummins запускает Accelera, чтобы ускорить переход к будущему с нулевым уровнем выбросов
Артикул
|
09 декабря 2022 г.
Поезда на водородных топливных элементах продолжают движение по Австрии
Что такое водородный электролизер?
Водородный электролизер — это электрохимическое устройство, потребляющее электроэнергию для расщепления воды на водород и кислород.
Водородные электролизеры используются для производства водорода и считаются частью системы распределения производства и хранения экологически чистой энергии в сочетании с возобновляемым источником энергии, водородным резервуаром и системами топливных элементов, такими как электромобили на топливных элементах (7:04).
Три основных типа водородных электролизеров — щелочные, полимерно-электролитная мембрана (ПЭМ) и твердооксидные — сосредоточены на различиях в электролитных материалах. Водородный электролизер PEM разлагает воду с помощью полупроницаемой мембраны, которая позволяет транспортировать протоны и блокирует поток электронов. Из-за этой характеристики этот тип водородного электролизера также известен как электролизер с протонообменной мембраной.
Как показано ниже, вода поступает в электролизер на аноде. Когда электричество постоянного тока (DC) подается между двумя электродами, отрицательно заряженный кислород в молекуле воды отдает свои электроны и приводит к образованию протонов, электронов и кислорода на аноде.
Протоны проходят через мембрану к катоду, где протоны соединяются с электронами и производят водород.
Электролизер водорода PEM с подробными химическими реакциями на аноде и катоде во время электролиза воды для получения водорода.
Электролизеры PEM ценятся из-за их более высокой энергоэффективности, более широкой рабочей температуры и более легкого обслуживания по сравнению с другими типами водородных электролизеров.
Создание программных моделей электролизеров водорода позволяет моделировать различные уровни точности производства водорода. Simscape Electrical™ и Simscape Fluids™ помогают создавать модели водородных электролизеров, чтобы вы могли:
- Оценивать электротермические характеристики блока электролизеров с помощью модели водородного электролизера, подробно описывающей электрохимическую реакцию
- Проектирование, моделирование и оптимизация производительности системы производства водорода с использованием модели водородного электролизера с функциональными подробностями для определения размеров компонентов и баланса установки
- Разработка и точная настройка системы управления электролизером с использованием модели водородного электролизера, подходящей для аппаратных испытаний
- Выполнение технико-экономических исследований систем производства водорода с использованием возобновляемых источников энергии и моделей водородных электролизеров
Simscape™ и Simscape Electrical предоставляют библиотеки моделей для моделирования водородных электролизеров.
Вы можете использовать эти модели для анализа водородного электролизера как электрической нагрузки в более крупной электрической системе. С Simulink ® , вы можете использовать модели электролизеров для поддержки разработки элементов управления системой электролизеров, таких как управление с обратной связью и проектирование логики управления. Используя Embedded Coder ® и HDL Coder™, можно легко автоматически генерировать читаемый, эффективный код C/C++ или HDL для контроллера, проверять схему управления с помощью аппаратного тестирования в цикле и развертывать код во встроенных системах. процессоры или цели FPGA/SoC.
Чтобы построить модель водородного электролизера, вы можете начать с модели электролизера Simscape Electrical. Эта модель обеспечивает количество произведенного водорода и потребленной воды на основе предоставленной электроэнергии и температуры воды. Модель водородного электролизера представляет собой набор последовательно соединенных отдельных ячеек электролизера с настраиваемыми конфигурациями, такими как количество ячеек, логика продувки водой, транспортная зона, расстояние между электродами и количество пар электродов.
Дополнительные параметры для параметризации включают допущения эффективности электролиза, температуры эффективности, удельного электрического сопротивления и значения pH.
Модель электролизера Simscape Electrical.
С Simscape Electrical и Simscape Fluids вы можете настроить полную модель электролизера PEM. Это включает в себя блок электролизера и балансовые компоненты установки, такие как теплообменники, осушители, регуляторы давления, пути рециркуляции воды и кислорода, а также управление водой. Эта модель водородного электролизера, основанная на первых принципах, с подробным описанием электрохимии, тепложидкостными сетями и сетями влажного воздуха позволяет разработать электролизер PEM как на уровне компонентов, так и на уровне системы. Этот уровень детализации модели позволяет:
- Моделирование поведения водородного электролизера с различными спецификациями компонентов и при различных условиях эксплуатации
- Конструктивные средства управления температурой, давлением и водой
- Мониторинг и управление ключевыми операционными показателями, такими как температура батареи электролизера, напряжение, потребление электроэнергии, потребление воды и уровень производства водорода
Модель Simulink, показывающая, как сборка мембранных электродов (MEA) подключается к сети теплоносителя и двум отдельным сетям влажного воздуха для создания системы электролизера PEM.
Модель водородного электролизера как части электрической системы обеспечивает основу для проведения торговых исследований с целью экономии эффективности батареи электролизера, производства водорода и потребления воды. Модель водородного электролизера с электрохимическими реакциями, обработкой воды и водорода и системами терморегулирования можно комбинировать с возобновляемым источником энергии (например, солнечной батареей или ветровой электростанцией) и системой накопления энергии для моделирования системы производства экологически чистого водорода, такой как как микросеть.
Модель Simulink, показывающая, как электролизер может быть интегрирован в микросетевую систему постоянного тока для производства зеленого водорода с солнечной батареей и системой накопления энергии.
Запуск симуляций с моделью системы позволяет оценить эксплуатационные характеристики производства зеленого водорода в течение длительного периода за счет потребления энергии только из возобновляемого источника энергии или из комбинации возобновляемого источника энергии и системы накопления энергии.
Результаты моделирования из журнала Simscape, которые показывают рабочие характеристики микросети для производства экологически чистого водорода за 180-часовой период.
Примеры и инструкции
Примеры
- Система электролиза PEM — Пример
- Зеленая водородная микросеть — Пример
- Зеленый водород (ветер и солнце) из водного электролиза — Обмен файлами
Видео
- Разработка водородных систем от бака до топливного элемента (53:52) — Видео
- Производство зеленого водорода в микросетях (42:58) — Видео
- Включение зеленой цепочки поставок водорода с помощью MATLAB и Simulink (24:33) — Видео
- Усовершенствованное моделирование альтернативной энергетики: моделирование с помощью Simulink и SimPowerSystems — Книга
Справочник по программному обеспечению
- Симскейп — Документация
- Симскейп Электрик — Документация
- Электрический электролизер Simscape — Блокировать
- Simscape жидкости — Документация
- Симулинк — Документация
- Государственный поток — Документация
- HDL-кодер — Документация
- Встроенный кодер — Документация
- Симулинк в реальном времени — Документация
См.