Электролиз широко используется в производственной сфере, например, для получения алюминия (аппараты с обожженными анодами РА-300, РА-400, РА-550 и т.д.) или хлора (промышленные установки Asahi Kasei). В быту этот электрохимический процесс применялся значительно реже, в качестве примера можно привести электролизер для бассейна Intellichlor или плазменный сварочный аппарат Star 7000. Увеличение стоимости топлива, тарифов на газ и отопление в корне поменяли ситуацию, сделав популярной идею электролиза воды в домашних условиях. Рассмотрим, что представляют собой устройства для расщепления воды (электролизеры), и какова их конструкция, а также, как сделать простой аппарат своими руками.
Что такое электролизер, его характеристики и применение
Так называют устройство для одноименного электрохимического процесса, которому требуется внешний источник питания. Конструктивно это аппарат представляет собой заполненную электролитом ванну, в которую помещены два или более электродов.
Основная характеристика подобных устройств – производительность, часто это параметр указывается в наименовании модели, например, в стационарных электролизных установках СЭУ-10, СЭУ-20, СЭУ-40, МБЭ-125 (мембранные блочные электролизеры) и т.д. В данных случаях цифры указывают на выработку водорода (м3/ч).
Промышленная стационарная электролизная установка, вырабатывающая 40 м3 водорода в час (СЭУ-40)
Что касается остальных характеристик, то они зависят от конкретного типа устройства и сферы применения, например, когда осуществляется электролиз воды, на КПД установки влияют следующие параметры:
- Уровень напряжения (минимального электродного потенциала), оно должно быть от 1,8 до 2 вольт, меньшее значение «не запустит» процесс, а большее приводит к чрезмерному расходу энергии, идущей на нагрев электролита. Если в качестве источника используется блок питания, например, на 14 вольт имеет смысл разделить емкость ванны пластинами на 7 ячеек, в соответствии с рисунком 2.
Рис 2. Расположение пластин в ванне электролизера
Таким образом, подавая на выходы 14 вольт, мы получим 2 вольта на каждой ячейке, при этом на пластинах с каждой стороны будут разные потенциалы. Электролизеры, где используется подобная система подключения пластин, называются сухими.
- Расстояние между пластинами (между катодным и анодным пространством), чем оно меньше, тем меньше будет сопротивление и, следовательно, больший ток пройдет через раствор электролита, что приведет к увеличению выработки газа.
- Размеры пластины (имеется в виду площадь электродов), прямо пропорциональны току, идущему через электролит, а значит, также оказывают влияние на производительность.
- Концентрация электролита и его тепловой баланс.
- Характеристики материала, используемого для изготовления электродов (золото – идеальный материал, но слишком дорогой, поэтому в самодельных схемах используется нержавейка).
- Применение катализаторов процесса и т.д.
Как уже упоминалось выше, установки данного типа могут использоваться как генератор водорода, для получения хлора, алюминия или других веществ. Они также применяются в качестве устройств, при помощи которых осуществляется очистка и обеззараживание воды (УПЭВ, VGE), а также проводится сравнительный анализ ее качества (Tesp 001).
А) Установка прямого электролиза воды (УПЭВ); Б) анализатор качества воды Tesp 001
Нас, прежде всего, интересуют устройства, производящие газ Брауна (водород с кислородом), поскольку именно эта смесь имеет все перспективы для использования в качестве альтернативного энергоносителя или добавок к топливу. Их мы рассмотрим чуть позже, а пока перейдем к конструкции и принципу работы простейшего электролизера, расщепляющего воду на водород и кислород.
Электролизер для очистки металла от коррозии своими руками
Достоинством такого процесса является сохранность основного металла вашего авто. И для выполнения электролитический метод прост, ведь доступен даже в домашних условиях. Устройство для выполнения работ легко собрать своими руками.
Вот перечень всего, что понадобится:
- источник постоянного тока;
- пластмассовая емкость для очищаемых деталей;
- металлическая пластина в качестве анода;
- электропровода с зажимами (типа «крокодил»);
- кальцинированная сода;
- вода.
Полезное! Как источник постоянного тока можно использовать зарядное устройство аккумулятора.
Размер емкости для очищаемых деталей зависит от размера деталей. Для больших деталей можно взять, например, прицеп к машине, выложив его изнутри полиэтиленовой пленкой.
Металлическую пластину лучше взять из нержавейки (она дольше прослужит), согнуть по контуру емкости, чтобы она окружала очищаемое место. При этом электролиз проходит активнее. Но можно взять просто стальную полосу. Кальцинированную соду с водой смешать в пропорции 1 чайная ложка соды на 3 литра воды. Удаление ржавчины происходит следующим образом. Надо налить в емкость воды, добавить соды, размешать. Затем подключить анод (пластину) и катод (очищаемая деталь) к источнику питания, погрузить их в раствор, включить источник питания.
Мнение эксперта
Илья Вячеславович
Консультант сайта krasymavto.ru по кузовному ремонту
Задать вопрос
Очистка происходит при напряжении в 12 В, а сила тока рекомендуется в 3-4 А. Дальше просто ждете, удаление длится довольно долго, может занимать несколько часов или даже всю ночь.
После завершения следует уже своими руками очистить поврежденный участок авто от остатков ржавчины металлической щеткой, промыть, высушить. Оставшийся раствор можно просто слить в канализацию, он не токсичен. При электролитической очистке следует соблюдать меры предосторожности:
- не трогайте оголенные провода мокрыми руками;
- во время процесса выделяется водород, поэтому электролиз надо проводить в хорошо проветриваемом помещении или на улице;
- не допускайте детей к установке;
- хотя раствор не представляет опасности, не лезьте в него своими руками.
Удаление ржавчины с авто посредством описанной технологии быстро докажет эффективность электролитической очистки. И вам будет приятно, что вы сделали такое устройство своими руками.
Информация! Есть еще более эффективный способ, при котором удаление ржавчины происходит гораздо быстрее. Это электролитно-плазменное полирование деталей автомобиля.
Устройство и подробный принцип работы
Аппараты для производства гремучего газа, в целях безопасности, не предполагают его накопление, то есть газовая смесь сжигается сразу после получения. Это несколько упрощает конструкцию. В предыдущем разделе мы рассмотрели основные критерии, влияющие на производительность аппарата и накладывающие определенные требования к исполнению.
Принцип работы устройства демонстрирует рисунок 4, источник постоянного напряжения подключен к погруженным в раствор электролита электродам. В результате через него начинает проходить ток, напряжение которого выше точки разложения молекул воды.
Рисунок 4. Конструкция простого электролизера
В результате этого электрохимического процесса катод выделяет водород, а анод – кислород, в соотношении 2 к 1.
Виды электролизеров
Кратко ознакомимся с конструктивными особенностями основных видов устройств для расщепления воды.
Сухие
Конструкция прибора данного типа была показана на рисунке 2, ее особенность заключается в том, что манипулируя количеством ячеек, можно запитать устройство от источника с напряжением, существенно превышающим минимальный электродный потенциал.
Проточные
С упрощенным устройством приборов этого вида можно ознакомиться на рисунке 5. Как видим, конструкция включает в себя ванну с электродами «A», полностью залитую раствором и бак «D».
Рис 5. Конструкция проточного электролизера
Принцип работы устройства следующий:
- входе электрохимического процесса газ вместе с электролитом выдавливается в емкость «D» через трубу «В»;
- в баке «D» происходит отделение от электролитного раствора газа, который выводится через выходной клапан «С»;
- электролит возвращается в гидролизную ванну через трубу «Е».
Мембранные
Основная особенность устройств этого типа – использование твердого электролита (мембраны) на полимерной основе. С конструкцией приборов этого вида можно ознакомиться на рисунке 6.
Рис 6. Электролизер мембранного типа
Основная особенность таких устройств заключается в двойном назначении мембраны, она не только переносит протоны и ионы, а и на физическом уровне разделяет как электроды, так и продукты электрохимического процесса.
Диафрагменные
В тех случаях, когда не допустима диффузия продуктов электролиза между электродными камерами, используют пористую диафрагму (что и дало название таким приборам). Материалом для нее может служить керамика, асбест или стекло. В некоторых случаях для создания такой диафрагмы можно использовать полимерные волокна или стеклянную вату. На рисунке 7 показан простейший вариант диафрагменного прибора для электрохимических процессов.
Конструкция диафрагменного электролизера
Пояснение:
- Выход для кислорода.
- U-образная колба.
- Выход для водорода.
- Анод.
- Катод.
- Диафрагма.
Щелочные
Электрохимический процесс невозможен в дистиллированной воде, в качестве катализатора применяется концентрированный раствор щелочи (использование соли нежелательно, так как при этом выделяется хлор). Исходя из этого, щелочными можно назвать большую часть электрохимических устройств для расщепления воды.
На тематических форумах советуют использовать гидроксид натрия (NaOH), который, в отличие от пищевой соды (NaHCO3), не разъедает электрод. Заметим, что у последней имеются два весомых преимущества:
- Можно использовать железные электроды.
- Не выделяются вредные вещества.
Но, один существенный недостаток сводит на нет все преимущества пищевой соды, как катализатора. Ее концентрация в воде не более 80 грамм на литр. Это снижает морозостойкость электролита и его проводимость тока. Если с первым еще можно смириться в теплое время года, то второе требует увеличения площади пластин электродов, что в свою очередь, увеличивает размер конструкции.
Электролитно-плазменное полирование
Один из передовых способов подготовки металлических изделий для авто, который позволяет совместить несколько операций при подготовке к окраске. Например:
- удаление ржавчины;
- удаление жировых пятен (обезжиривание);
- удаление загрязнений;
- упрочнение поверхности;
- повышение коррозионной стойкости;
- полировка.
Это особенно удобно при очистке участков, имеющих сложную форму (например, дверей авто), когда другие варианты затруднены или не дают нужного эффекта. Электролитно-плазменное полирование производится на специальном агрегате, принципиальная схема которого показана на рис. 3.
Анодом является обрабатываемая деталь авто, к которой подсоединяется «+» от источника тока, а катодом, с подсоединенным к нему «-», – металлическая ванна с электролитом. Возможно также использование в качестве катода специальной пластины, в этом случае материалом для ванны обычно является пластик.
Мнение эксперта
Илья Вячеславович
Консультант сайта krasymavto.ru по кузовному ремонту
Задать вопрос
Технология подобного полирования состоит в образовании вокруг обрабатываемого участка — анода парогазовой оболочки толщиной от 50 до100 мкм, в котором напряженность электрополя доходит до 105 В/см. Такая оболочка, собственно, и есть плазмой, где происходят процессы.
За счет чего вблизи микровыступов напряженность электрополя увеличивается, и возникают импульсные разряды. Микровыступы разрушаются – поверхность сглаживается. Электролитно-плазменное полирование протекает при температурах электролита от 70 до 90 °С, напряжении в 220-350 В.
Устройства для электролитно-плазменного полирования выпускаются промышленностью. Имеют различные показатели по мощности (от 5 до 1000 кВт).
Выбор зависит от площади поверхности обрабатываемой детали, в нашем случае – от размеров детали автомобиля, с которой нужно удалить ржавчину. Чем больше площадь, тем мощнее должна быть установка.
Важно! Из-за высокой температуры, высокого напряжения, большой силы тока изготовлять такие агрегаты своими руками не рекомендуется. Приобрести их можно у производителей. Работать на таких установках должны только подготовленные специалисты.
Электролизер для получения водорода: чертежи, схема
Рассмотрим, как можно сделать мощную газовую горелку, работающую от смеси водорода с кислородом. Схему такого устройства можно посмотреть на рисунке 8.
Рис. 8. Устройство водородной горелки
Пояснение:
- Сопло горелки.
- Резиновые трубки.
- Второй водяной затвор.
- Первый водяной затвор.
- Анод.
- Катод.
- Электроды.
- Ванна электролизера.
На рисунке 9 представлена принципиальная схема блока питания для электролизера нашей горелки.
Рис. 9. Блок питания электролизной горелки
На мощный выпрямитель нам понадобятся следующие детали:
- Транзисторы: VT1 – МП26Б; VT2 – П308.
- Тиристоры: VS1 – КУ202Н.
- Диоды: VD1-VD4 – Д232; VD5 – Д226Б; VD6, VD7 – Д814Б.
- Конденсаторы: 0,5 мкФ.
- Переменные резисторы: R3 -22 кОм.
- Резисторы: R1 – 30 кОм; R2 – 15 кОм; R4 – 800 Ом; R5 – 2,7 кОм; R6 – 3 кОм; R7 – 10 кОм.
- PA1 – амперметр со шкалой измерения не менее 20 А.
Краткая инструкция по деталям к электролизеру.
Ванну можно сделать из старого аккумулятора. Пластины следует нарезать 150х150 мм из кровельного железа (толщина листа 0,5 мм). Для работы с вышеописанным блоком питания потребуется собрать электролизер на 81 ячейку. Чертеж, по которому выполняется монтаж, приведен на рисунке 10.
Рис. 10. Чертеж электролизера для водородной горелки
Заметим, что обслуживание такого устройства и управление им не вызывает трудностей.
Генератор водорода: устройство и его принцип работы
Использовать водород для обогрева жилых домов очень выгодно, так как он обладает высокой теплотворной способностью и при этом не происходит выделения вредных веществ. Однако в чистом виде добыча водорода невозможна, большое содержание его находится в реках, морях и океанах. Организм человека даже состоит из 63% водорода.
Чистый водород можно получать из многих различных химических соединений, например, водорода и кислорода. Самый известный способ получения водорода – это электролиз воды.
Чтобы получить чистый водород необходимо воду расщепить на два атома (НН) водорода и атом кислорода (О). Это и есть принцип работы водяного генератора: получение водорода с помощью электролиза. Газ, который выделяется при этом, назвали в честь великого физика Брауна и он имеет формулу ННО. Такой газ при сгорании не образует вредных веществ и является экологически чистым продуктом. Однако смесь водорода с кислородом образует в итоге горючий газ, который является взрывоопасным. Поэтому используя в домашних условиях электролизер, нужно соблюдать дополнительные меры безопасности.
Водяной двигатель имеет такое устройство:
- Генератор водородного типа, где и происходит электролиз;
- Горелка, она устанавливается в самой топке;
- Котел, он выполняет функцию теплообменника.
На производство такого газа, как браун, используется в четыре раза меньше энергии, чем выделяется при его сгорании. Электричество при этом расходуется очень экономно, а топливо, которое ему необходимо – это обычная вода.
Электролизер для автомобиля своими руками
В интернете можно найти много схем HHO систем, которые, если верить авторам, позволяют экономить от 30% до 50% топлива. Такие заявления слишком оптимистичны и, как правило, не подтверждаются никакими доказательствами. Упрощенная схема такой системы продемонстрирована на 11 рисунке.
Упрощенная схема электролизера для автомобиля
По идее, такое устройство должно снизить расход топлива за счет его полного выгорания. Для этого в воздушный фильтр топливной системы подается смесь Брауна. Это водород с кислородом, полученные из электролизера, запитанного от внутренней сети автомобиля, что повышает расход топлива. Замкнутый круг.
Безусловно, может быть задействована схема шим регулятора силы тока, использован более эффективный импульсный блок питания или другие хитрости, позволяющие снизить расход энергии. Иногда в интернете попадаются предложения приобрести низкоамперный БП для электролизера, что вообще является нонсенсом, поскольку производительность процесса напрямую зависит от силы тока.
Это как система Кузнецова, активатор воды которой утерян, а патент отсутствует и т.д. В приведенных видео, где рассказывают о неоспоримых преимуществах таких систем, практически нет аргументированных доводов. Это не значит, что идея не имеет прав на существование, но заявленная экономия «слегка» преувеличена.
Электролизер своими руками для отопления дома
Делать самодельный электролизер для отопления дома на данный момент не имеет смысла, поскольку стоимость водорода, полученного путем электролиза значительно дороже природного газа или других теплоносителей.
Также следует учитывать, что температуру горения водорода не выдержит никакой металл. Правда имеется решение, которое запатентовал Стен Мартин, позволяющее обойти эту проблему. Необходимо обратить внимание на ключевой момент, позволяющий отличить достойную идею от очевидного бреда. Разница между ними заключается в том, что на первый выдают патент, а второй находит своих сторонников в интернете.
На этом можно было бы и закончить статью о бытовых и промышленных электролизерах, но имеет смысл сделать небольшой обзор компаний, производящих эти устройства.
