Низкоамперный электролиз воды
Ф.М. Канарёв
НИЗКОАМПЕРНЫЙ ЭЛЕКТРОЛИЗ ВОДЫ
Инструкция: показана возможность реализации процесса электролиза воды, протекающего при фотосинтезе, в технических устройствах. При всем этом энергозатраты на разложение молекул воды на водород и кислород уменьшаются приблизительно в 2000 раз.
Введение
В последние годы растёт энтузиазм к водородной энергетике. Разъясняется это тем, что водород является неистощимым и экологически незапятнанным энергоэлементом. Но реализация этих свойств сдерживается большенными энергозатратами на получение его из воды. Самые современные электролизёры расходуют 4,0 кВтч на кубический метр этого газа. Процесс электролиза идет при напряжении 1,6-2,0 Вольта и силе тока в 10-ки и сотки Ампер. При сжигании кубического метра водорода выделяется 3,55 кВтч энергии [1], [2].
Делему уменьшения издержек энергии на получение водорода из воды решают многие лаборатории мира, но существенных результатов нет. Меж тем в Природе существует экономичный процесс разложения молекул воды на водород и кислород. Протекает он при фотосинтезе. При всем этом атомы водорода отделяются от молекул воды и употребляются в качестве соединительных звеньев при формировании органических молекул, а кислород уходит в атмосферу. Появляется вопрос: а нельзя ли смоделировать электролитический процесс разложения воды на водород и кислород, который идет при фотосинтезе?
Экспериментальная часть
Поиск ответа на поставленный выше вопрос привел к обычный конструкции ячейки (рис. 1), в какой процесс идет при напряжении 1,5-2,0 Вольта (по свидетельствам вольтметра) меж анодом и катодом, и силе тока 0,02 Ампера (по свидетельствам амперметра и осциллографа) [1], [2], [3], [4].
E-mail: kanphil@mail.kuban.ru
Рис. 1. Лабораторная модель низкоамперной ячейки электролизёра (в стадии патентования)
Электроды ячейки сделаны из стали, что исключает явления, присущие гальваническому элементу. Все же на электродах ячейки возникает разность потенциалов около 0,1В при полном отсутствии электролитического раствора в ней. После заливки раствора разность потенциалов возрастает. При всем этом положительный символ заряда всегда возникает на верхнем электроде, а отрицательный – на нижнем. Если источник неизменного тока генерирует импульсы, то выход газов возрастает.
Так как лабораторная модель ячейки низкоамперного электролизёра генерирует маленькое количество газов, то самым надёжным способом определения их количества
является способ определения конфигурации массы раствора за время опыта и следующего расчета выделившегося водорода и кислорода.
Понятно, что грамм-атом численно равен атомной массе вещества, а грамм-молекула – молекулярной массе вещества. К примеру, грамм-молекула водорода в молекуле воды равна двум гр, а грамм-атом атома кислорода – 16 гр. Грамм-молекула воды равна 18 гр. Потому что масса водорода в молекуле воды составляет 2х100/18=11,11%, а масса кислорода – 16х100/18=88,89%, то это соотношение водорода и кислорода содержится в одном литре воды. Это значит, что в 1000 граммах воды содержится 111,11 гр водорода и 888,89 гр кислорода.
Один литр водорода весит 0,09 гр., а один литр кислорода -1,47 гр. Это значит, что из 1-го литра воды можно получить 111,11/0,09=1234,44 литра водорода и 888,89/1,47=604,69 литра кислорода. Из этого следует, что один гр воды содержит 1,23 литра водорода [1].
Издержки электроэнергии на получение 1000 л. водорода на данный момент составляют 4 кВтч, а на один литр – 4 Втч. Так как из 1-го грамма воды можно получить 1,234 литра водорода, то на получение водорода из 1-го грамма воды на данный момент расходуется 1,234х4=4,94 Втч. Результаты опыта представлены на рис. 2-11 и в таблице.
Инструменты и оборудование, использованные при опыте
Особый экспериментальный низкоамперный электролизер (рис. 1); вольтметр класса точности 0,2 (ГОСТ 8711-78); амперметр класса точности 0,2 (ГОСТ 8711-60); электрические весы с ценой деления 0,1 и 0,01 грамма; секундомер с ценой деления 0,1с, электрический осциллограф АСК-2022. Осциллограф был настроен на режим работы с открытым входом.
Результаты опыта
На рис. 2-11 показаны осциллограммы напряжения и тока на входе в электролизёр
Рис. 2. Напряжение
Рис. 3. Напряжение
Рис. 4. Напряжение
На рис. 2 показана осциллограмма напряжения при частоте импульсов около 200Гц. Масштаб записи один к одному. Импульсы не заметны, потому что их амплитуда ничтожно мала. Измерения демонстрируют, что на осциллограмме зафиксировано напряжение около 11,5 Вольт. Вольтметр демонстрировал в это время 11,4 Вольта.
На рис. 3. показана осциллограмма напряжения на входе в электролизёр через 1 секунду после отключения его от сети. На рис. 4 показана осциллограмма напряжения на входе в электролизёр через 3 секунды после отключения его от сети. Осциллограммы на рис. 3 и 4 демонстрируют, что после отключения электролизёра от сети идет процесс его разрядки. Отметим особо, что напряжение, равномерно уменьшаясь, не становится равным нулю. Это показывает на то, что электролизёр является не только лишь конденсатором, да и источником энергии.
Рис. 5. Напряжение
Рис. 6. Напряжение
Рис. 7. Напряжение
На рис. 5. осциллограмма напряжения на входе в электролизёр при замкнутых контактах (куцее замыкание). На рис. 6. осциллограмма напряжения на входе в электролизёр через 1 сек. после снятия недлинного замыкания. На рис. 7. осциллограмма напряжения на входе в электролизёр через 3 минутки после снятия недлинного замыкания.
Как видно, в исходный момент после отключения электролизёра от сети (рис. 3) у него остаётся потенциал близкий к потенциалу сети, который образовался при зарядке электролизёра в процессе включения его в сеть и опции на данный режим работы. Особо подчеркнём, что ток в процессе зарядки был в пару раз больше его рабочей величины 0,02А.
Через 3 секунды после отключения сети (рис. 4) потенциал на входе в электролизёр миниатюризируется с 11,4 В до 8 В приблизительно.
В момент недлинного замыкания контактов электролизёра (рис. 5) напряжение на его входе становится равным нулю. Через 1 сек. после снятия недлинного замыкания (рис. 6), потенциал на входе в электролизёр восстанавливается до 5 В. Через 3 минутки он миниатюризируется до 2 Вольт. До нулевого значения потенциал на входе в электролизёр вообщем не опускается.
На осциллограмме (рис. 2) не заметны импульсы поэтому, что их амплитуда ничтожно мала. Если прирастить масштаб, то импульсы смотрятся так (рис. 8 и 9).
Рис. 8. Напряжение
Рис. 9. Напряжение
Результаты обработки осциллограмм напряжения (рис. 8 и 9).
Беря во внимание масштабный коэффициент, равный 10, найдём среднее значение амплитуды импульсов напряжения
=[(0,20+0,24+0,12+0,10+0,30+0,18+0,16+0,12+0,30+ 0,24+0,30)/11] x10=2,05 В.
Период импульсов Т=(24х2)/10=4,8 мс.
Продолжительность импульсов =(2х1,45)/10=0,29мс.
Частота импульсов =(1/0,001×4,8)=208,3 Гц.
Скважность импульсов =4,8/0,29=16,55.
Коэффициент наполнения =0,5/16,55=0,0302
Эквивалентная средняя составляющая импульсов напряжения, рассчитанная по свидетельствам осциллографа =2,05х0,0302=0,062 В. Вольтметр в это время демонстрировал 11,4 В.
Таким макаром, есть основания считать, что низкоамперный электролизёр обладает качествами конденсатора и источника электричества сразу. Зарядившись сначала, он равномерно разряжается под действием электролитических процессов, протекающих в нём. Количество генерируемой им электронной энергии оказывается недостающим, чтоб поддерживать процесс электролиза, и он равномерно разряжается. Если его заряжать импульсами напряжения, компенсирующими расход энергии, то заряд электролизёра, как конденсатора, будет оставаться неизменным, а процесс электролиза -стабильным.
Величина потенциала нужного для компенсации разрядки электролизёра зафиксирована на осциллограммах 8 и 9. Данную величину и нужно использовать при расчете издержек энергии на получение водорода из воды при её низкоамперном электролизе.
Итак, по свидетельствам вольтметра и амперметра мощность источника питания лабораторной модели низкоамперного электролизёра составляет Но, анализ осциллограмм указывает, что эта мощность нужна только для пуска электролизера в работу. После пуска, когда он зарядится, мощность для его подзарядки составляет , другими словами в 190 раз меньше (табл. 1).
Наличие неизменной составляющей электронного потенциала на входе в электролизёр указывает, что для расчета издержек энергии на процесс электролиза нужно использовать не показания вольтметра, а показания осциллографа, регистрирующие потенциал подзарядки электролизёра, последующий из осциллограмм, представленных на рис. 8 и 9.
Рис. 10. Ток
Рис. 11. Ток
На рис. 10 и 11 показаны осциллограммы тока, когда источник питания электролизёра генерировал импульсы с частотой около 200Гц.
Результаты обработки осциллограмм тока (рис. 10 и 11).
Беря во внимание масштабный коэффициент, равный 10, и сопротивление резистора 0,1 Ом, найдём среднее значение амплитуды импульсов тока.
={[(9,0+7,0+2,0+11,5 +6,0+8,5+3,5+9,0+2,5+6,5)/10]x10}/0,1=655мА =0,655 А.
Средний ток в цепи питания электролизёра =0,655х0,0302=0,01978А=0,02А. Показания амперметра – 0,02А.
Таблица 1
Характеристики процесса низкоамперного электролиза воды
Характеристики
Сумма
1 – длительность работы электролизера, включенного в сеть, в 6 циклах t, мин
6×10=60,0
2 – показания вольтметра V, Вольт;
11,4
2’ – показания осциллографа V’, Вольт;
0,062
3 – показания амперметра I, Ампер;
0,020
3’ – показания осциллографа, I’, Ампер;
0,01978
4 – расход энергии по вольтметру и амперметру (P=VxIx /60), Втч;
0,228
4’ – расход энергии по свидетельствам осциллографа (P’=V’xI’x /60) Втч;
0,00124
5 – длительность работы электролизёра, отключенного от сети, за 6 циклов, мин
6×50=300,0
6 – изменение массы раствора m, гр
0,60
7 – масса испарившейся воды m’, гр
0,06
8 – масса воды, перешедшей в газы, m’’=m-m’, гр
0,54
9 – расход энергии на гр воды, перешедшей в газы, по свидетельствам вольтметра и амперметра E=P/m’’, Втч/гр воды;
0,420
9’ – расход энергии на гр воды, перешедшей в газы, по свидетельствам осциллографа E’=P’/m’’, Втч/гр воды;
0,0023
10 –имеющийся расход энергии на гр воды, переходящей в газы E’’, Втч/гр. воды
4,94
11 – уменьшение расхода энергии на получение водорода из воды по свидетельствам вольтметра и амперметра K=E’’/P, раз;
11,76
11’ – уменьшение расхода энергии на получение водорода из воды по свидетельствам осциллографа K’=E’’/P’, раз;
2147,8
12количество выделившегося водорода М=0,54×1,23×0,09=0,06, гр
0,06
13 — энергосодержание приобретенного водорода (W=0,06х142/3,6) =2,36, Втч
2,36
14-энергетическая эффективность процесса электролиза воды по свидетельствам вольтметра и амперметра (Wх100/P), %;
1035,1
14’ — энергетическая эффективность процесса электролиза воды по свидетельствам осциллографа (Wх100/P’), %;
190322,6
Обсуждение результатов
Таким макаром, вольтметр указывает величину напряжения заряженного электролизёра, как конденсатора, который равномерно разряжается, а импульсы напряжения, закрепляемые осциллографом – величину его подзарядки, которая и охарактеризовывает энергию, потребляемую электролизером из сети. Из этого следует, что для расчета расхода энергии, потребляемой низкоамперным электролизером из сети, нужно использовать напряжение, регистрируемое не вольтметром, а осциллографом. В итоге, энергозатраты на получение водорода из воды при низкоамперном электролизе уменьшаются не в 12 раз, а практически в 2000 раз.
Маленькая величина тока 0,02А и маленькая величина, соответственного напряжения 0,062В, дают нам основание полагать, что в низкоамперном электролизёре процесс электролиза воды аналогичен тому, который идет при фотосинтезе.
Соответствие процесса электролиза воды при низкоамперном электролизе процессу её электролиза, протекающему при фотосинтезе, подтверждается также насыщенным выходом пузырьков газов в течение нескольких часов после отключения электролизера от сети.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Уменьшение издержек энергии на получение водорода из воды приблизительно в 2000 раз даёт весомые основания считать, что низкоамперный электролиз воды аналогичен её электролизу, протекающему при фотосинтезе.
ЛИТЕРАТУРА
1. Канарёв Ф.М. Начала физхимии микромира. Третье издание. Краснодар 2003. Kanarev.innoplaza.net (In Russian, Part 1, Part 2).
2. Kanarev Ph.M. The Foundation of Physchemistry of Micro World. The second edition.
(In English). Kanarev.innoplaza.net
3. Канарёв Ф.М. Низкоамперный электролиз воды. Kanarev.innoplaza.net Article 18.
4. Канарёв Ф.М. Водоэлектрические генераторы тепла. Kanarev.innoplaza.net
Article 16.