14.5. Низкоамперный электролиз воды
Низковольтный процесс электролиза воды известен со времен Фарадея. Он широко используется в современной промышленности. Рабочим напряжением между анодом и катодом электролизера является напряжение 1,6-2,3 Вольта, а сила тока достигает десятков и сотен ампер. Минимальное напряжение, при котором начинается процесс электролиза воды, около 1,23 В.
Поскольку лабораторная модель ячейки низкоамперного электролизёра (рис. 222) генерирует небольшое количество газов, то, самым надёжным методом определения их количества является метод определения изменения массы раствора за время опыта и последующего расчёта выделившихся количеств водорода и кислорода.
Рис. 222. Низкоамперный электролизер (Пат. № 2227817)
Известно, что грамм-атом численно равен атомной массе вещества, а грамм-молекула – молекулярной массе вещества. Например, грамм-молекула водорода в молекуле воды равна двум граммам, а грамм-атом атома кислорода – 16граммам. Грамм-молекула воды равне 18 граммам. Так как масса водорода в молекуле воды составляет 2х100/18=11,11%, а масса кислорода – 16х100/18=88,89%, то это же соотношение водорода и кислорода содержится в одном литре воды. Это означает, что в 1000 граммах воды содержится 111,11 грамм водорода и 888,89 грамм кислорода.
Один литр водорода весит 0,09гр., а один литр кислорода – 1,47 гр. Это означает, что из одного литра воды можно получить 111,11/0,09=1234,44 литра водорода и 888,89/1,47=604,69 литра кислорода.
Оказалось, что процесс электролиза может протекать при напряжении 1,5-2,0 В между анодом и катодом и средней силе тока 0,02 А. Поэтому этот процесс назван низкоамперным. Его результаты – в табл. 48.
Таблица 48. Показатели электролиза воды
Показатели |
Сумма |
1 – продолжительность работы электролизера, включенного в сеть, в шести циклах , мин |
6x10=60,0 |
2 – показания вольтметра V, Вольт |
11,40 |
2’ – показания осциллографа V’, Вольт |
0,40 |
3 – показания амперметра I, Ампер |
0,020 |
3’ – показания осциллографа, I’, Ампер |
0,01978 |
4 – реальный расход энергии (P’=V’xI’x τ/60) Втч |
0,0081 |
5 – продолжительность работы электролизёра, отключенного от сети, за шесть циклов, мин |
6x50=300,0 |
6 – изменение массы раствора m, грамм |
0,60 |
7 – масса испарившейся воды m’, грамм |
0,06 |
8 – масса воды, перешедшей в газы, m’’=m-m’, г. |
0,54 |
9- количество выделившегося водорода ΔМ=0,54x1,23x0,09=0,06, грамм |
0,06 |
10 – расход энергии на грамм воды, перешедшей в газы, по показаниям осциллографа E’=P’/m’’, Втч/г; |
0,015 |
11 –существующий расход энергии на грамм воды, переходящей в газы E’’, Втч/гр. воды |
5,25 |
12 – уменьшение расхода энергии на получение водорода из воды по показаниям осциллографа K’=E’’/P’, раз; |
648,15 |
13 - энергосодержание полученного водорода (W=0,06х142/3,6) =2,36, Втч |
2,36 |
14 - энергетическая эффективность процесса электролиза воды по показаниям осциллографа (Wх100/P’), %; |
1035,80 |
14’ – энергетическая эффективность процесса электролиза воды по показаниям осциллографа (Wx100/P')% |
190322,6 |
Процесс низкоамперного электролиза может состоять из двух циклов, в одном цикле электролизер включен в электрическую сеть, а в другом - выключен (табл. 48).
Прежде всего, отметим, что материал анода и катода один – сталь, что исключает возможность формирования гальванического элемента. Тем не менее, на электродах ячейки появляется разность потенциалов около 0,1В при полном отсутствии электролитического раствора в ней. После заливки раствора разность потенциалов увеличивается. При этом положительный знак заряда всегда появляется на верхнем электроде, а отрицательный – на нижнем. Если источник постоянного тока генерирует импульсы, то выход газов увеличивается.
Процесс генерирования газов легко наблюдается по выходу образующихся пузырьков. Они продолжают выделяться и после отключения электролизера от сети. Конечно, после отключения электролизера от сети интенсивность выхода газов постепенно уменьшается, но не прекращается в течение многих часов. Это убедительно доказывает тот факт, что электролиз идет за счет разности потенциалов на электродах. В табл. 48 представлены результаты эксперимента при периодическом питании электролизера импульсами выпрямленного напряжения и тока.
Есть основания полагать, что низкоамперный электролизёр (рис. 222) обладает не только свойствами конденсатора, но и источника электричества одновременно. Зарядившись в начале, он постепенно разряжается под действием электролитических процессов, протекающих в нём. Количество генерируемой им электрической энергии оказывается недостаточным, чтобы поддерживать процесс электролиза, и он постепенно разряжается. Если его подзаряжать периодически импульсами напряжения, компенсирующими расход энергии, то заряд электролизёра, как конденсатора, будет оставаться постоянным, а процесс электролиза – стабильным.
Процесс генерирования газов легко наблюдается по выходу образующихся пузырьков. Они продолжают выделяться и после отключения электролизера от сети. Конечно, после отключения электролизера от сети интенсивность выхода газов уменьшается, но не прекращается в течение многих часов. Это убедительно доказывает тот факт, что электролиз идет за счет разности потенциалов на электродах.
Выделение газов после отключения электролизера от сети в течение длительного времени доказывает тот факт, что формирование молекул кислорода и водорода идет без электронов, испускаемых катодом, то есть за счет электронов самой молекулы воды (рис. 221).
Попытка увеличит производительность низкоамперного электролизёра (рис. 222) за счёт масштабирования размеров конических электродов из одного и того же материала (стали) не удалась. Производительность растёт только при увеличении количества электролизёров оптимальных размеров. Отсутствие финансирования не позволило нам проверить влияние различных материалов конусов на эффективность процесса электролиза воды (рис. 222). Если финансирование будет продолжено, то новый коммерческий образец импульсного электромотора-генератора (рис. 181 и 184) будет источником питания самого нового процесса электролиза воды, который идёт в катодно-анодной электролизной трубке, соединяющей катодную и анодную полости (рис. 223, а).
Рис. 223: a) катодно-анодная электролизная трубка; b) водородно-кислородное пламя из катодно-анодной электролизной трубки