Novo método de eletrólise produz 4 vezes mais hidrogênio

O hidrogênio é o elemento químico mais abundante na natureza, pois representa cerca de 90% da massa total de todos os elementos do universo. Ao mesmo tempo, praticamente não ocorre em sua forma pura. Mais frequentemente, pode ser encontrado na composição de vários compostos químicos. Entretanto, pode ser um excelente combustível inofensivo e amigo do ambiente para a produção de energia. Assim, mesmo sua própria casa pode ser aquecida com hidrogênio. Particularmente encorajador é o fato de que o combustível de hidrogênio pode ser usado se você converter uma simples caldeira a gás em uma de hidrogênio. No entanto, o principal problema permanece: onde conseguir hidrogênio puro? Não está disponível gratuitamente, você não pode comprá-lo. A única saída é um gerador doméstico de hidrogênio. Felizmente, você pode montá-lo sozinho ou comprá-lo pronto. Resta apenas decidir sobre o tipo de gerador, que diferem dependendo de como o hidrogênio é obtido.

Obtenção de hidrogênio puro

Eletrólise de água
O hidrogênio pode ser obtido de várias maneiras. Aqui estão apenas alguns deles, que são os mais acessíveis e comuns:

Eletrólise da água. A maneira mais eficaz é a alta temperatura.
Reação química de água e liga de alumínio-gálio.
Produção de hidrogênio durante o processamento de carvão e madeira em alta temperatura.
Reciclagem de lixo e lixo doméstico.
Liberação de hidrogênio por meio do processamento de biomassa (esterco, feno, algas e outros resíduos agrícolas).

A maioria dos métodos é baseada no uso de altas temperaturas e, infelizmente, não são aplicáveis em uma casa comum. No entanto, existem várias maneiras de obter hidrogênio em casa.

Hidrogênio eletrolítico

A forma mais acessível e difundida de produzir hidrogênio em casa é por meio da reação de eletrólise da água. Um equipamento especial denominado eletrolisador está facilmente disponível no mercado. Ao mesmo tempo, entre os fabricantes existem gigantes eminentes (por exemplo, Honda) e pequenos fabricantes da China ou dos países da CEI. E se no caso dos primeiros não há dúvidas quanto à qualidade dos produtos prestados ao atendimento, os segundos muitas vezes ficam na mão. Ao mesmo tempo, não se deve prestar muita atenção à sua publicidade brilhante e promissora. Um fabricante sem escrúpulos não precisa declarar que seu produto é da mais alta qualidade, bom e durável do mercado. No entanto, nem tudo o que ele diz será verdade. O preço deve ser especialmente alarmante, já que o gerador não pode ser muito barato. O preço barato pode indicar materiais de baixa qualidade usados na obra ou economia na montagem. As instalações são caras por um motivo, mas também devido à segurança. Como o hidrogênio é explosivo, seu vazamento pode causar muitos problemas. Mangueiras ruins, tanque de armazenamento com vazamento - e é isso, uma explosão é garantida. A qualidade do acabamento às vezes pode ser "ruim", então é melhor um dia não economizar e gastar dinheiro com bons equipamentos.

Um bom eletrolisador possui qualidade, tamanho compacto e facilidade de uso. Pode ser instalado em qualquer canto da sala e usar água da torneira como combustível para obter o cobiçado hidrogênio. Normalmente, um eletrolisador consiste em um reformador, células de combustível, sistema de purificação, compressor e tanque de armazenamento de gás. A eletricidade vem da fonte de alimentação. Os modelos mais modernos são equipados com painéis solares.Com certeza, esse equipamento se recompensará rapidamente devido ao custo mínimo de sua utilização, mesmo levando em consideração o não menor custo da própria unidade.

Hidrogênio de resíduos agrícolas

Freqüentemente, você pode encontrar na Internet referências a usinas de biogás. O objetivo do trabalho deles é que o estrume é carregado no gerador, é processado lá e o metano é obtido na saída. Claro, não apenas estrume pode ser usado, mas qualquer material compostável. No entanto, o estrume limpo é o mais produtivo e acessível. O biogás resultante passa então por tubulações até as necessidades da fazenda e é utilizado como gás natural usual. No entanto, este método de produção de hidrogênio tem algumas desvantagens:

O hidrogênio como tal neste processo é apenas um subproduto. Para separá-lo, é necessário um processamento adicional do gás obtido. Como regra, ninguém faz isso e o hidrogênio morre com segurança nos braços da chama junto com o metano.
É necessário um fornecimento contínuo de matérias-primas. Ou seja, o esterco deve entrar no gerador sem parar e em grandes quantidades. Obviamente, uma economia privada comum não será capaz de fornecer um fluxo constante de matérias-primas. E comprá-lo à parte não é lucrativo. Conclusão: este método de produção de hidrogênio só é adequado para fazendas relativamente grandes que estão prontas para fornecer tais volumes. No entanto, tal instalação não lhes trará benefícios, a menos que lhes permita se livrar dos resíduos com benefício para a economia.

Além disso, a parcela do hidrogênio na saída representa apenas 2 a 12% do hidrogênio. Ou seja, a maior parte do produto é metano. Para abastecer a economia apenas com hidrogênio, uma quantidade incrível de matéria-prima e uma grande capacidade de produção serão necessárias. Portanto, não é lucrativo mesmo para grandes fazendas se concentrarem especificamente na liberação de hidrogênio. Eles terão que queimá-lo junto com o metano, o que é feito na prática, ou tentar usá-lo também na fazenda. No entanto, equipamentos adicionais serão novamente necessários para separar e armazenar hidrogênio, o que significa custos adicionais. Assim, uma usina de biogás é de longe o método mais desvantajoso para a produção de hidrogênio puro.

Diferenças entre eletrólise convencional e membranas poliméricas modernas

As membranas poliméricas modernas SPE / PME são elas próprias um eletrólito, portanto, não precisam de água contendo minerais para conduzir a corrente e, portanto, têm uma grande vantagem tecnológica, uma longa vida útil e são capazes de produzir uma alta concentração de H2 puro.

Devido à menor resistência elétrica entre o ânodo e o cátodo na membrana polimérica, ocorre uma queda de tensão menor e uma saída eletrolítica de H2 mais eficiente. O aumento da vida útil da membrana se deve ao fato de o pH da água potável praticamente não se alterar, portanto, não há formação de depósitos minerais nos eletrodos.
Por que é importante que o dispositivo tenha uma membrana de troca de prótons / eletrólito de polímero sólido?
A água no dispositivo não é um eletrólito, a eletrólise ocorre dentro da membrana, a água é saturada apenas com hidrogênio puro. Água destilada ou água de osmose reversa é recomendada. Isso permite que a membrana funcione por muito tempo, sem a necessidade de enxágue.
Existem dispositivos que separam hidrogênio e oxigênio durante a eletrólise, mas sem uma membrana de troca de prótons?
Sim, mesmo os primeiros dispositivos de eletrólise de tubo em U produziam hidrogênio e oxigênio separadamente. Mas o eletrólito neles é uma solução de sais em água e, além do hidrogênio e do oxigênio, outros compostos serão liberados. Também existem dispositivos com uma membrana que separa o hidrogênio, mas a membrana não é um eletrólito de polímero sólido.Esses dispositivos requerem o uso de água com sais, portanto, a membrana fica obstruída e requer lavagem frequente. Verifique se o instrumento pode funcionar com água destilada para ver se ele usa uma membrana SPE / PEM.

Fazendo um eletrolisador com suas próprias mãos

Eletrolisador faça você mesmo
Os preços de equipamentos estrangeiros caros costumam assustar os proprietários comuns de pequenas fazendas. Depois de queimado em um eletrolisador barato de qualidade não muito alta, ou mesmo decidindo não arriscar, os artesãos pensam em fazer um gerador de hidrogênio doméstico por conta própria. Em geral, a tarefa é viável, sujeita à posse de certos conhecimentos e habilidades.

Para fazer seu próprio eletrolisador, você precisará adquirir todos os componentes da instalação, que foram listados acima. Além disso, o processo não termina na etapa de extração do combustível. Afinal, ainda é necessário separar o hidrogênio do oxigênio e do vapor d'água, para garantir sua corrente constante, acúmulo no volume e abastecimento necessários. Como resultado, o cálculo final mostrará que a automontagem não custará muito menos do que um gerador adquirido, mas uma quantidade incrível de esforço e tempo serão gastos. E não se sabe se o resultado obtido atenderá às expectativas e dará conta da tarefa em mãos.

Custo do hidrogênio

Custo do hidrogênio
As tecnologias de produção de hidrogênio afetam seu custo. Portanto, o custo do hidrogênio por 1 kg à medida que aumenta é:

130 rublos - pelo método de eletrólise de alta temperatura em usinas nucleares;
200 rublos - pelo método de conversão de hidrocarbonetos;
320 rublos - pelo método de reação química (de uma usina nuclear);
350 rublos - por extração da biomassa;
420 rublos - por eletrólise;
700 rublos - pelo método de recuperação de reagentes.

Assim, é óbvio que o método mais barato de produzir hidrogênio é o primeiro, por eletrólise em usinas nucleares com a participação de altas temperaturas. O fato é que as altas temperaturas nas centrais nucleares são um efeito colateral da produção, não havendo custos adicionais para seu recebimento. No entanto, até agora nenhum dos métodos de produção de hidrogênio como energia combustível é totalmente recuperável. Afinal, mesmo que você compre a instalação mais barata e ao mesmo tempo eficiente, mesmo que não leve em conta o alto custo, a eletricidade ainda é necessária para gerar hidrogênio. A eletricidade usada é gerada em estações locais e transmitida por fios. Nesse caso, ocorre uma perda inevitável de energia.

Lados negativos do aquecimento de edifícios do tipo hidrogênio

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Em discussões sobre a viabilidade do uso de combustível de hidrogênio para sistemas de aquecimento, os céticos apresentam argumentos de peso:

Alto custo: mesmo nas usinas de eletrólise mais eficientes criadas até hoje, a produção de hidrogênio requer 2 vezes mais energia do que sua combustão subsequente.
Risco de explosão: as pessoas estavam convencidas da capacidade do hidrogênio de explodir facilmente durante a queda do dirigível Hindenburg, cujo cilindro estava cheio apenas com este gás.
A complexidade do processo preparatório: obter hidrogênio da água é metade da batalha. Para uso eficiente em geradores de calor, deve ser fornecido com pressão estável, o que requer um compressor e um reservatório adicional com redutor. Além disso, o vapor de água precisará ser descartado, exigindo o uso de um desumidificador.

É muito fácil fazer você mesmo uma planta para a extração de hidrogênio da água. Pelas suas características, não será muito inferior ao adquirido, mas custará muito menos. Vamos considerar sequencialmente os estágios de criação.

Projeto (desenho)

Para fabricar um gerador, você precisará de um recipiente hermeticamente fechado, que será preenchido com água antes do início da produção de hidrogênio.

Os eletrodos localizados no interior parecerão um conjunto de placas (são necessárias 16 peças) instaladas com uma folga de 1 mm.

Para garantir isso, espaçadores de náilon devem ser colocados entre as placas (qualquer outro dielétrico é permitido).

Uma distância de 1 mm é ótima: se você aumentá-la, terá que aumentar a intensidade da corrente; à medida que a lacuna diminui, será difícil para as bolhas de gás escaparem. As placas se conectarão alternadamente ao ânodo e ao cátodo da fonte de alimentação de 12 volts. Nesse caso, devem ser colocados em um eixo, também feito de material dielétrico.

Quando os eletrodos estiverem presos ao suporte, ele precisará ser colocado na parte inferior da tampa do invólucro.

Para selecionar a mistura de gás, um tubo de um conta-gotas convencional é cortado na tampa da caixa. Além disso, mais dois orifícios devem ser perfurados nele, através dos quais os fios serão passados. Após a montagem da unidade, todos os orifícios da tampa deverão ser selados com silicone ou cola.

Um componente importante do gerador é um selo d'água. Para fazer isso, você vai precisar de um pequeno recipiente (uma garrafa comum serve), onde você vai precisar derramar água antes de usar o aparelho. Na tampa hermeticamente fechada, é necessário fazer dois furos: em um passamos o tubo do gerador (deve ser baixado até o fundo), e no segundo - outro tubo pelo qual a mistura de gás fluirá para o queimador . As aberturas na tampa do selo d'água também devem ser vedadas. A água deve ser despejada na garrafa por ¾ do seu volume.

Seleção de eletrodos

O material com o qual serão feitos os eletrodos deve ter baixa resistência elétrica e ser quimicamente inerte em relação ao oxigênio e às substâncias presentes na solução.

Caso o segundo requisito não seja atendido, ocorrerá uma reação química com a participação de eletrodos conectados ao polo catódico, com o qual a solução ficará saturada de substâncias estranhas.

É por isso que o cobre, um dos melhores condutores, não pode ser usado em solução aquosa. Recomenda-se usar aço inoxidável. A espessura ideal para placas de eletrodo feitas deste material é de 2 mm.

Leia mais: Quais filtros escolher para purificação de água

Recipiente

Considerando o risco de explosão, a carcaça do gerador deve ser de material durável e plástico resistente a altas temperaturas. O aço atende a esses requisitos melhor de todos. Basta excluir completamente o contato dos fios ou eletrodos com a caixa, o que resultará em um curto-circuito.

O enriquecimento da mistura ar-combustível com hidrogênio ajuda a reduzir o consumo de combustível. Segundo alguns motoristas, a economia de combustível pode chegar a 30%.

O dispositivo que foi descrito na seção anterior é tomado como base para um gerador de hidrogênio automotivo. A diferença está na ausência de uma vedação hidráulica (o hidrogênio resultante é enviado imediatamente para o coletor de admissão) e na presença de uma unidade de controle. Este último regulará a corrente entre os eletrodos dependendo da rotação do motor.

A autoprodução de tal unidade só é possível para aqueles que são fluentes em rádio-eletrônica, portanto, recomendamos o uso da opção adquirida. Além disso, os blocos pré-fabricados assumem todo o trabalho de regulação do desempenho do gerador de hidrogênio sem a necessidade da participação do usuário.

Elementos do sistema para um gerador de carro

Tudo o que será necessário é selecionar manualmente o valor da intensidade da corrente (ideal) para os modos "inativo" e "carga máxima" pela primeira vez, e então a própria unidade de controle irá variar o desempenho da instalação dentro do limites especificados.

Todas as conexões devem ser seladas com muito cuidado: vazamento de hidrogênio pode causar incêndio.

É melhor verificar a estanqueidade da estrutura com espuma com sabão: vazamentos, se houver, irão se manifestar com bolhas que aparecem e crescem constantemente.

O corpo de um gerador de hidrogênio automotivo pode ser feito de um filtro de torneira, que é bastante durável. Seu volume é pequeno e para que a instalação não precise ser recarregada com muita frequência, pode ser equipada adicionalmente com um tanque para armazenar o estoque de solução. Ele é conectado ao recipiente de trabalho por dois tubos.

O dispositivo de fabricação própria representa esquematicamente um recipiente com água, onde eletrodos são colocados para converter água em hidrogênio e oxigênio.

Para fazer tal dispositivo com suas próprias mãos, você precisará de:

Chapa de aço inoxidável com 0,5-0,7 mm de espessura. A marca de aço inoxidável 12X18H10T é adequada.
Placas de plexiglass.
Tubos de borracha para abastecimento de água e descarga de gás.
Folha de borracha resistente a gasolina com 3 mm de espessura.
Fonte de tensão - LATR com ponte de diodos para obtenção de corrente contínua. Deve fornecer 5-8 amperes de corrente.

Primeiro, as placas de aço inoxidável são cortadas em retângulos de 200x200mm. Os cantos das placas devem ser cortados para depois apertar toda a estrutura com parafusos. Em cada placa perfuramos um orifício com 5 mm de diâmetro, a uma distância de 3 cm do fundo das placas, para circulação da água. Além disso, um fio é soldado a cada placa para conectar a uma fonte de alimentação.

Antes da montagem, os anéis com diâmetro externo de 200 mm e diâmetro interno de 190 mm são feitos de borracha. Você também precisa preparar duas placas de acrílico com espessura de 2 cm e dimensões de 200 × 200 mm, enquanto você deve primeiro fazer orifícios nelas nos quatro lados para apertar os parafusos M8.

Gerador de hidrogênio faça você mesmo

Para evitar que o gás volte para o gerador de gás, é necessário fazer um selo d'água no caminho do gerador para o queimador, ou melhor, duas válvulas.

O desenho da veneziana é um recipiente com água, no qual o tubo é baixado para a água pela lateral do gerador, e o tubo que vai para o queimador fica acima do nível da água. Um esquema de um gerador de hidrogênio com portas é mostrado na figura abaixo.

Circuito gerador de hidrogênio com comportas de água

Em um eletrolisador - um recipiente selado com água com eletrodos abaixados, quando a tensão é aplicada, o gás começa a se desenvolver. Através do tubo 1, ele é alimentado para a porta 1. O desenho do selo d'água está disposto de tal forma, como pode ser visto na figura, que o gás só pode se mover na direção do eletrolisador para o queimador, e não vice-versa.

Isso é dificultado pela densidade diferente da água, que deve ser superada na volta. Mais adiante ao longo do tubo 2, o gás segue para a comporta 2, que se destina a uma maior confiabilidade do sistema: se de repente, por algum motivo, a primeira comporta não funcionar. Em seguida, o gás é fornecido ao queimador por meio do tubo 3. As vedações de água são uma parte muito importante do dispositivo, pois evitam que o gás flua na direção oposta.

Se o gás voltar para o eletrolisador, o dispositivo pode explodir. Portanto, em nenhuma circunstância o dispositivo deve ser operado sem vedações de água!

O gerador de soldagem é atualmente a única aplicação prática para separação eletrolítica de água. É impraticável usá-lo para aquecer a casa e aqui está o porquê. Os custos de energia durante o trabalho com chama a gás não são tão importantes, o principal é que o soldador não precisa carregar cilindros pesados e mexer em mangueiras. Aquecer a casa é outra questão, onde cada centavo conta. E aqui o hidrogênio perde para todos os tipos de combustível existentes.

Os geradores de soldagem em série custam muito dinheiro porque usam catalisadores para o processo de eletrólise, que incluem a platina. Você pode fazer um gerador de hidrogênio com as próprias mãos, mas sua eficiência será ainda menor do que a de fábrica. Você certamente terá sucesso em obter gás combustível, mas é improvável que seja o suficiente para aquecer pelo menos um cômodo grande, quanto mais a casa inteira.E se isso for suficiente, você terá que pagar contas de luz fabulosas.

Existe um benefício

É lucrativo?
Há um equívoco de que o aquecimento de uma casa com combustível de hidrogênio custa um centavo. Na verdade, essa ideia está sendo difundida por fabricantes de eletrolisadores e outras instalações de produção de hidrogênio. Em uma palavra, aqueles que se beneficiam de tal opinião. Eles dizem que você só precisa gastar dinheiro na compra desta máquina maravilhosa uma vez e viver sua vida mais feliz e despreocupada. No entanto, é realmente assim?

Basta pensar um minuto para entender que, na realidade, as coisas não são tão animadoras. Primeiro, a instalação em si é muito cara. Mesmo que você mesmo monte a unidade, o custo dos componentes não será tão barato. Ou seja, os custos iniciais são muito altos e as perspectivas de recuperação são vagas. Em segundo lugar, para o funcionamento do eletrolisador, é necessária água da torneira, que também não é gratuita. E em terceiro lugar, é necessário considerar o custo da eletricidade no caso de o gerador não funcionar com painéis solares.

Assim, praticamente não há benefícios em usar o hidrogênio como combustível para as necessidades domésticas. Talvez, somente depois de uma ou duas décadas, quando as tecnologias se tornarem mais avançadas, o uso do hidrogênio combustível será mais lucrativo do que as fontes alternativas existentes atualmente. No entanto, até agora, esse método é quase 4 vezes mais caro. E isso levando em conta não as tarifas mais altas de eletricidade e água. Mesmo se tomarmos os valores médio e mínimo para a Rússia e os países da CEI, o custo do combustível resultante é excessivamente alto. Portanto, o uso deste método de aquecimento de sua casa só atrairá os defensores ardentes da natureza, porque as plantas de hidrogênio são absolutamente amigas do ambiente.

tome cuidado

tome cuidado
Após a instalação do gerador, bem como durante, não se deve esquecer os cuidados de segurança. O hidrogênio é um gás explosivo, inflamável e inodoro, por isso seu vazamento é extremamente perigoso. Para evitar isso, é necessário verificar cuidadosamente todos os componentes do eletrolisador quanto a vazamentos: tubos, bomba, reservatório. Isso é especialmente verdadeiro para dispositivos de automontagem. Eles são os mais perigosos. Além disso, não se sabe até que ponto o combustível de alta qualidade será fornecido. Obviamente, a probabilidade de casamento pode ser alta para modelos comprados, especialmente fabricantes desconhecidos ou não verificados. Portanto, é sempre melhor dar preferência a um fabricante deste equipamento mais caro, mas também mais confiável. Parece um anúncio, mas o fato é: você tem que pagar a mais pela qualidade. Embora nem sempre funcione a regra de que quanto mais caro melhor. É ideal que o comprador, ao fazer a sua escolha, conte com conhecimentos nesta área. E, o mais importante, confie, mas verifique. Afinal, mesmo a marca mais famosa pode produzir um casamento.

Exploração

Após a montagem, você pode começar a testar o dispositivo. Para fazer isso, um queimador de agulha médica é instalado na extremidade do tubo e água é despejada nele. Adicione KOH ou NaOH à água. A água deve ser destilada ou derretida como último recurso. Uma concentração de 10% de uma solução alcalina é suficiente para o dispositivo funcionar.

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Em seguida, um LATR com ponte de diodo é conectado aos eletrodos de acordo com o esquema. Um amperímetro e um voltímetro são instalados no circuito para monitorar a operação. Começam com a tensão mínima e aumentam constantemente, observando a evolução do gás.

O pré-trabalho é melhor feito ao ar livre, fora de casa. Uma vez que a instalação é explosiva, todo o trabalho deve ser executado com extremo cuidado.

Durante os testes, observe o funcionamento do dispositivo.Se houver uma pequena chama no queimador, pode haver um baixo nível de gás no gerador ou pode haver um vazamento de gás em algum lugar. Se a solução ficar turva, suja, deve ser substituída. Também é necessário garantir que o aparelho não superaqueça e que a água não ferva.