التحليل الكهربائي للماء لإنتاج H2 وO2
أنودات التيتانيوم، الأجزاء الرئيسية لمعدات الهيدروجين والأكسجين التحليلي الكهربائي، تتمتع بجودة مستقرة، صديقة للبيئة ولا تحتوي على تلوث ثانوي، إمكانات زائدة منخفضة، تأثير جيد في توفير الطاقة، ويمكن أن توفر 15-20% من الطاقة. هناك لوحة، شبكة، أشكال أنبوبية، وأجزاء ذات شكل خاص.
1. التقدم البحثي في مجال إنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للمياه يعد إنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للمياه وسيلة مهمة لتحقيق تحضير صناعي ومنخفض التكلفة لهيدروجين الهيدروجين، ويمكن إنتاج منتجات بنقاء يتراوح بين 99% إلى 99.9%. وفي كل عام يصل استهلاك بلدي من الكهرباء لإنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للماء إلى أكثر من (1.5×107) كيلووات في الساعة. عندما يمر التيار بين الأقطاب الكهربائية، يتم إنتاج الهيدروجين عند الكاثود، ويتم إنتاج الأكسجين عند الأنود، ويتم تحليل الماء كهربائيًا [2]. الجزء الأساسي من معدات إنتاج الهيدروجين بالتحليل الكهربائي للماء هو الخلية الإلكتروليتية، ومادة الإلكترود هي مفتاح الخلية الإلكتروليتية. تحدد جودة أداء القطب إلى حد كبير جهد الخلية واستهلاك الطاقة للتحليل الكهربائي للمياه، وتؤثر بشكل مباشر على التكلفة. تتراوح كفاءة توفير الكهرباء لتحليل الماء لإنتاج الهيدروجين بشكل عام من 75% إلى 85%. العملية بسيطة وخالية من التلوث، ولكن استهلاك الطاقة كبير، لذلك فإن تطبيقها يخضع لقيود معينة. يتم إجراء التحليل الكهربائي للماء في خلية تحليل كهربائي، مملوءة بالكهرباء ومقسمة إلى غرفة الأنود وغرفة الكاثود بواسطة الحجاب الحاجز. يتم وضع الأقطاب الكهربائية في كل غرفة. وبما أن الماء لديه موصلية منخفضة للغاية، يتم استخدام محلول مائي (تركيز حوالي 15٪) مع المنحل بالكهرباء. عندما يمر التيار بين الأقطاب الكهربائية عند جهد معين، يتم إنتاج الهيدروجين عند الكاثود ويتم إنتاج الأكسجين عند الأنود، وبالتالي تحقيق التحليل الكهربائي للماء. من الناحية النظرية، تعد معادن البلاتين هي المعادن الأكثر مثالية لأقطاب التحليل الكهربائي للمياه، ولكن من الناحية العملية، غالبًا ما تستخدم أقطاب الحديد المطلية بالنيكل لتقليل تكاليف المعدات والإنتاج. عندما يتم تحليل الماء كهربائيا، تكون صيغة تفاعل القطب كما يلي [3]. في المحلول الحمضي، تفاعل الكاثود: 4H++4e=2H2∏=0V تفاعل الأنود: 2H2O =4H++O2+4e∏ =1.23V في المحلول القلوي، تفاعل الكاثود: 4H2O +4e=2H2+4OH∏=-0.828V تفاعل الأنود: 4OH-=2 H2O+O2+4e∏=0.401V كما يتبين من الصيغة أعلاه، فإن التفاعل العام للتحليل الكهربائي للماء يكون كما يلي، سواء في المحلول الحمضي أو القلوي. 2H2O=2H2+O2 لا علاقة لجهد التحلل النظري للماء بقيمة الرقم الهيدروجيني، لذلك يمكن استخدام المحاليل الحمضية أو القلوية ككهارل. ومع ذلك، من منظور بنية الخلية التحليلية واختيار المواد، فإن استخدام المحاليل الحمضية يكون عرضة لأخطاء مختلفة. لذلك، يتم الآن استخدام المحاليل القلوية في الصناعة.
(1) تكنولوجيا التحليل الكهربائي القلوي التقليدية يعد التحليل الكهربائي للمياه القلوية حاليًا طريقة شائعة وناضجة لتحضير الهيدروجين. ولا تتطلب هذه الطريقة معدات عالية، ويتركز الاستثمار بشكل رئيسي في المعدات؛ ويكون الهيدروجين الناتج عالي النقاء، لكن كفاءته ليست عالية جدًا. كما أن هذه العملية صديقة للبيئة نسبيًا وخالية من التلوث، ولكنها تستهلك الكثير من الكهرباء وبالتالي فهي تخضع لقيود معينة. يتراوح ضغط التحليل الكهربائي للمياه في الصناعة بشكل عام بين 1.65 و 2.2 فولت. يعد عمر خدمة مادة القطب الكهربائي واستهلاك الطاقة للتحليل الكهربائي للمياه من العوامل الرئيسية في تقييم جودة مواد قطب التحليل الكهربائي للمياه القلوية. عندما لا تكون كثافة التيار كبيرة، فإن العامل المؤثر الرئيسي هو القدرة الزائدة؛ عندما تزداد كثافة التيار، يصبح انخفاض الجهد الزائد والمقاومة من العوامل الرئيسية لاستهلاك الطاقة. في التطبيقات العملية، يجب أن تتمتع الأقطاب الكهربائية الصناعية بالميزات التالية [3]: (1) مساحة سطح عالية؛ (2) الموصلية العالية. (3) نشاط التحفيز الكهربائي الجيد؛ (4) الاستقرار الميكانيكي والكيميائي على المدى الطويل؛ (5) هطول فقاعة صغيرة؛ (6) انتقائية عالية. (7) سهولة الحصول عليها ومنخفضة التكلفة؛ (8) السلامة. غالبًا ما يتطلب التحليل الكهربائي للماء كثافة تيار أكبر (أعلى من 4000 أمبير/م2)، لذا فإن النقطتين 2 و4 أكثر أهمية. نظرًا لأن الموصلية العالية يمكن أن تقلل من فقدان الطاقة الناتج عن الاستقطاب الأومي، فإن الاستقرار العالي يضمن عمرًا طويلًا لمواد الإلكترود. 1 و 3 هما متطلبات تقليل القدرة الزائدة لتطور الهيدروجين والأكسجين، كما أنهما مؤشران مهمان لتقييم أداء القطب الكهربائي.
(2) تقنية التحليل الكهربائي للماء بالكهرباء الصلبة من البوليمر SPE نظرًا لأن المحلل الكهربائي الذي يحتوي على سائل مثل المنحل بالكهرباء له كفاءة منخفضة، وغير مريح للتحرك، وغالبًا ما يتطلب الصيانة، يبحث الناس بنشاط عن إلكتروليتات جديدة، مما دفع إلى تطوير وأبحاث تطبيق البوليمر الصلب المنحل بالكهرباء (SPE)، المعروف أيضًا باسم غشاء تبادل البروتون (PEM). في الوقت الحاضر، يستخدم المحلل الكهربائي غشاء حمض البيرفلوروسلفونيك Nafion الصلب كإلكتروليت. يستخدم القطب المعادن الثمينة أو أكاسيدها ذات الأداء التحفيزي العالي، والتي يتم تحويلها إلى شكل مسحوق بمساحة سطحية كبيرة محددة، ويتم ربطها وضغطها على جانبي غشاء نافيون باستخدام التيفلون لتشكيل مزيج مستقر من الغشاء والقطب الكهربائي.
(3) عملية التحليل الكهربائي بالبخار ذو درجة الحرارة العالية هناك طريقة أخرى لإنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للماء وهي التحليل الكهربائي بالبخار ذو درجة الحرارة العالية. هذه طريقة مشتقة من خلايا وقود الأكسيد الصلب. تستخدم غرفة التحليل الكهربائي بشكل عام Y2O3-ZrO2 المستقر باعتباره المنحل بالكهرباء. كلما ارتفعت درجة الحرارة، انخفضت المقاومة. ومع ذلك، من منظور المقاومة للحرارة للمادة، يفضل أن يكون الحد الأعلى لدرجة الحرارة 1000 درجة. عادة، يتم استخدام جسم متكلس مختلط من النيكل والسيراميك كالكاثود، ويستخدم أكسيد مركب تيتانيوم كالسيوم موصل كالأنود.
2. تطوير إنتاج الهيدروجين البيولوجي تمت دراسة موضوع استخدام الكائنات الحية الدقيقة لإنتاج الهيدروجين منذ عقود. في ثلاثينيات القرن العشرين، تم الإبلاغ عن أول تقرير عن التخمر الداكن البكتيري لإنتاج الهيدروجين. بعد ذلك، في عام 1942، أفاد جافرون وروبن أن الطحالب الخضراء تستخدم الطاقة الضوئية لإنتاج الهيدروجين، وفي عام 1949، اكتشف جيست وكامن البكتيريا المنتجة للهيدروجين ضوئية التغذية. أكد سبروت في عام 1958 أن الطحالب يمكنها إنتاج الهيدروجين من خلال التحلل الضوئي المباشر دون الحاجة إلى تثبيت ثاني أكسيد الكربون. أظهر بحث هيلي (1970) أنه عندما تكون شدة الضوء عالية جدًا، سيتم تثبيط عملية إنتاج الهيدروجين في Chlamydomonas moewsuii بسبب إنتاج الأكسجين. خلال أزمة الطاقة في السبعينيات، تم إجراء الكثير من الأبحاث حول إنتاج الهيدروجين الحيوي في جميع أنحاء العالم. أشار ثاور في عام 1976 إلى أنه كان من الصعب تطبيق التخمير الداكن في الإنتاج الفعلي لأنه يمكن أن ينتج فقط 4 مول من الهيدروجين و2 مول من حمض الأسيتيك من 1 مول من الجلوكوز على الأكثر. يمكن للبكتيريا الضوئية أن تحول الركائز مثل الأحماض العضوية إلى هيدروجين بشكل كامل، لذلك منذ ذلك الحين، ركزت الأبحاث حول إنتاج الهيدروجين الحيوي بشكل أساسي على التخمير الضوئي. في أوائل الثمانينيات، انخفض دعم الطاقة المتجددة في برامج البحث والتطوير (R&D) في جميع أنحاء العالم تدريجيًا. وبحلول أوائل التسعينيات، أصبحت المشاكل البيئية خطيرة بشكل متزايد، وتركز اهتمام الناس على الطاقة البديلة. بدعم من البحث والتطوير لإنتاج الهيدروجين الحيوي في ألمانيا واليابان والولايات المتحدة، تمت دراسة مجال الطحالب التي تستخدم الطاقة الضوئية لإنتاج الهيدروجين من الماء على نطاق واسع. ومع ذلك، فإن كفاءة تحويل الطاقة الشمسية بشكل عام في هذه العملية لا تزال منخفضة للغاية. من ناحية أخرى، يمكن للتخمر الداكن والبكتيريا الضوئية إنتاج الهيدروجين من ركائز منخفضة التكلفة أو النفايات العضوية. ونظرًا لأنه قادر على إنتاج طاقة نظيفة ومعالجة النفايات العضوية، فقد دعمت الحكومتان الأمريكية واليابانية العديد من برامج البحث طويلة المدى. ومن المتوقع أن يتحقق التطبيق العملي لتكنولوجيا إنتاج الهيدروجين الحيوي في منتصف القرن الحادي والعشرين. لقد مر أكثر من نصف قرن منذ اكتشاف إنتاج الهيدروجين الميكروبي، لكن إنتاج الهيدروجين الحيوي لم يتم تطبيقه عمليًا. العديد من المشاكل التقنية، مثل فحص الكائنات الحية الدقيقة، وتصميم المفاعلات، وتحسين ظروف التشغيل، لا تزال بحاجة إلى حل، كما حظيت تكلفة هذه التكنولوجيا بالاهتمام أيضًا. ومن الناحية الاقتصادية، لا يمكن لتكنولوجيا إنتاج الهيدروجين الحيوي أن تنافس تكنولوجيا إنتاج الهيدروجين الكيميائي التقليدية في المستقبل القريب. ومع ذلك، من منظور حماية البيئة، فإن آفاق إنتاج الهيدروجين الحيوي ستكون واسعة جدًا. يشمل إنتاج الهيدروجين الحيوي ما يلي: نظام إنتاج الهيدروجين الحيوي الضوئي (المعروف أيضًا باسم نظام إنتاج الهيدروجين بالتحلل الحيوي المباشر)؛ نظام إنتاج الهيدروجين الحيوي بالتحلل الضوئي (المعروف أيضًا باسم نظام إنتاج الهيدروجين بالتحلل الحيوي غير المباشر)؛ البكتيريا الضوئية غير المتجانسة، تفاعل تحويل غاز الماء، نظام إنتاج الهيدروجين؛ نظام إنتاج الهيدروجين الحيوي التخمير الضوئي؛ نظام إنتاج الهيدروجين الحيوي للتخمر اللاهوائي (المعروف أيضًا باسم نظام إنتاج الهيدروجين الحيوي للتخمر الداكن)؛ نظام إنتاج الهيدروجين الحيوي الهجين بالتمثيل الضوئي والتخمير؛ في نظام إنتاج الهيدروجين الحيوي الهيدروجيناز في المختبر، وما إلى ذلك. الطاقة الهيدروجينية هي مصدر طاقة نظيف وذو قيمة حرارية عالية. إن استخدام الموارد المائية المتجددة في الطبيعة لإنتاج الهيدروجين هو بلا شك الطريقة المفضلة للبشرية في المستقبل.
بعد أكثر من نصف قرن من البحث، على الرغم من أن إنتاج الهيدروجين بالتحليل الكهربائي للماء وتكنولوجيا إنتاج الهيدروجين الحيوي قد أحرزا تقدمًا كبيرًا، إلا أنهما لا يزالان في مرحلة التطوير بشكل أساسي ولم يتم تطبيقهما بعد. عوامل مقيدة مختلفة مثل انخفاض كفاءة تحويل الطاقة الشمسية، وارتفاع استهلاك الطاقة لإنتاج الهيدروجين بالتحليل الكهربائي للمياه، وتثبيط المنتج، وظروف التشغيل، وما إلى ذلك، تجعل معدل إنتاج الهيدروجين لأنظمة إنتاج الهيدروجين الحالية غير مرتفع بدرجة كافية أو غير اقتصادي، والعديد من الاختناقات الأخرى تحتاج إلى ليتم اختراقها بشكل أكبر. ومن أجل تقليل تكاليف الإنتاج بشكل أكبر وتوسيع كفاءة الإنتاج، سنستعد للعمليات التجارية المستقبلية.
الشركة: شركة باوجى ديناميك للتجارة المحدودة
الدولة : الصين
إضافة: طريق باوتي، جينتاى، مدينة باوجى، شنشى، الصين
الهاتف:+86 18391894207(واتساب)
بريد جوجل:alisa@jmyunti.com
موقع الكتروني: www.jm-titanium.com
