Elektwoliz dlo

Electrolysis dlo se yon pwosesis elektwolitik ki dekonpoze dlo (H₂O) an [[ [dioksijèn]] ak diidwojèn gaz lè l sèvi avèk yon kouran elektrik. Selil elektwolitik la konsiste de de elektwòd— anjeneral ki fèt ak metal inaktif nan zòn potansyèl ak pH yo konsidere, anjeneral nan gwoup platinum la — benyen nan yon metal elektwolit (isit la dlo a li menm) ak konekte ak poto opoze sous kouran dirèk.

Dyagram Volamèt Hoffmann yo itilize pou elektwoliz dlo.

Blòk dyagram elektwoliz.

Istwa

Premye elektwoliz dlo te fè nan 2 me 1800 pa de chimisyen Britanik, William Nicholson (1753). -1815) ak Sir Anthony Carlisle (1768-1840), kèk semèn apre envansyon premye batri elektrik (piblikasyon te soumèt nan 20 mas 1800) pa Alessandro Volta.

Onz ane anvan J.R. Deiman ak A. Paets van Troostwijk te deja fè elektwoliz dlo lè l sèvi avèk yon machin elektwostatik ak yon boutèy Leyden san yo pa reyisi entèprete reyaksyon yo obsève.

Prensip ak deskripsyon pwosesis la

Kouran elektrik la disyosye molekil dlo H₂O an idwoksid HO⁻ ak idwojèn H⁺ iyon: nan selil elektwolitik la. , iyon idwojèn aksepte elektwon nan katòd la nan yon reaksyon redox ki fòme gaz diidwojèn H₂, dapre rediksyon:

2 H⁺_aq + 2 e⁻ ⟶ H_{2 gaz},

pandan ke yon oksidasyon nan iyon idroksid yo - ki se poutèt sa pèdi elektwon - rive nan anòd yo nan lòd yo "fèmen" sikui elektrik la (balans nan reyaksyon chimik la nan chaj):

2 H₂O_liq ⟶ O_{2 gaz} + 4 H⁺_aq + 4 e⁻,

ki bay ekwasyon dekonpozisyon elektwoliz sa a:

2 H₂O_liq ⟶ 2 H_{2 gaz} + O_{2 gaz}.

Se poutèt sa, kantite gaz diidwojèn ki pwodui se ekivalan a de fwa kantite dioksijèn. Dapre Lwa Avogadro a, volim refè diidwojèn pwodwi a se tou de fwa pi gwo ke sa yo ki nan dioksijèn.

Espontaneite nan pwosesis la

Volmètè Hofmann sou kouran dirèk.

Dekonpozisyon dlo a nan diidwojèn ak dioksijèn anba kondisyon nòmal tanperati ak presyon pa favorize thermodynamically, potansyèl estanda de mwatye reyaksyon yo se negatif.

Anòd (oksidasyon): 2 H₂O_liq ⟶ O_{2 gaz} + 4 H⁺_aq + 4 e⁻            E⁰ = 1,23 V.

Katòd (rediksyon): 4 H⁺_aq + 4 e⁻ ⟶ 2 H_{2 gaz}            E⁰ = 0 V.

2 H₂O_liq ⟶ H_{2 gaz} + O_{2 gaz}:

Δ_RG^⊖ = 237,24 kJ/mol;

Δ_RS^⊖ = 163,6 J K⁻¹ mol⁻¹*;

Δ_RH^⊖ = 285,83 kJ/mol nan T = 298,15 K ak P = 1,013 × 10⁵ Pa.

*(valè S°: H_{2 gaz} = 131.0; O_{2 gaz} = 205.0; H₂O _liq = 69,9; H₂O _gaz = 188,7 J K⁻¹ mol⁻¹)

Yon lòt bò, Gibbs gratis enèji pou pwosesis la nan kondisyon estanda se ΔG°= −n F E° (kote E° se potansyèl selilè, sa vle di E^o_selil = E^o_katòd − E^o_anod = −1,229 4 V, ak F se konstan Faraday , sa vle di 96 485,332 123 3 C/mol, epi isit la n = 4) gen yon valè lajman pozitif (apeprè 474,48 kJ/2 mol( H₂O) = { {inite|237.24 kJ/mol}}(H₂O)).

Konsiderasyon sa yo fè nan yon anviwonman nòmal reyaksyon an "enposib" pou fè san yo pa ajoute elektwolit nan solisyon. Men, radyasyon iyonize se kapab lakòz reyaksyon sa a san yo pa ajoute yon eleman chimik ekstèn, nou pral Lè sa a, pale de radyoliz.

Chwa elektwolit

dlo pi bon kalite fè ti elektrisite, ki mennen nan itilize yon aditif dlo-idrosolubl - elektwolit - nan selil elektwoliz la pou "fèmen" sikwi elektrik la (nan lòt mo, asire ke potansyèl chimik yo nan jwe pèmèt reyaksyon chimik la). Elektwolit la fonn ak disoye nan cations ak anions (sa vle di pozitivman ak negatif chaje ion yo respektivman) ki ka "pote" aktyèl la. Elektwolit sa yo anjeneral se asids, baz oswa sèl.

Yo dwe peye atansyon patikilye sou chwa elektwolit la. Vreman vre, anyon yo bay la se nan konpetisyon dirèk ak iyon idroksid yo pou pèt elektwon. Yon elektwolit anionik ki gen yon potansyèl elektwòd estanda ki pi ba pase sa ki nan idroksid la pral oksidasyon nan plas li, kidonk pa pwodui oksijèn. Menm jan an tou, yon kation ki gen yon potansyèl elektwòd estanda ki pi gran pase sa yo ki nan ion idwojèn yo pral redwi nan plas li, kidonk pa pral gen okenn pwodiksyon diidwojèn.

Kasyon sa yo gen pi ba potansyèl elektwòd pase H⁺ e se poutèt sa akseptab pou itilize kòm kasyon elektwolit: Li⁺, Rb⁺, K⁺, Cs⁺, Ba²⁺, Sr²⁺, Ca²⁺, Na ⁺ ak Mg²⁺, swa metal alkalin oswa metal alkalin tè. sodyòm ak potasyòm, ki fòme sèl soluble ak pa chè, se pi souvan itilize: pou egzanp, potasyòm yo itilize ak elektwòd nikèl nan elektwolizè endistriyèl.

Si yo itilize yon asid kòm elektwolit, kasyon ki lage se H⁺ epi pa gen okenn konpetisyon ak H⁺ ki lage pa disosyasyon kèk dlo. Nan ka sa a, anyon ki pi souvan itilize a se sulfat SO₄²⁻ (asid ki te ajoute a se silfat H₂ SO₄), trè difisil pou soksid. Potansyèl oksidasyon estanda iyon sa a nan iyon peroxodisulfate S₂O₈²⁻ se 2,05 V. Nan anod la:

2 SO₄²⁻ ⟶ S₂O₈²⁻ + 2 e⁻            E⁰ = 2,05 V.

Lòt asid fò yo souvan itilize kòm elektwolit.

Teknik

Eksperyans sa a se senp pou repete. De elektwòd ki konekte nan poto yo nan yon batri ak benyen nan yon vè dlo ak yon ti elektwolit ajoute se ase yo pwodwi yon "kouran" vizib nan dihydrogen oswa dioxygen bul nan chak elektwòd. Prezans iyon idwoksid ka detekte pa yon endikatè pH tankou fenolftalein oswa bromotimol ble.

Tès pou detekte prezans idwojèn lè l sèvi avèk yon flanbo.

Voltamèt Hoffmann

Voltamètr Hoffmann pafwa itilize kòm yon ti selil elektwolitik. Li konsiste de twa tib ansanm nan baz la. Silenn mitan an louvri nan tèt la pou pèmèt adisyon dlo ak elektwolit. Yo mete yon elektwòd platinum andedan chak tib bò yo, pi presizeman nan baz yo, epi yo konekte ak youn nan de poto yon sous elektrisite. Lè aktyèl la pase nan voltamèt Hofmann, gaz dyoksijèn fòme nan anod la ak diidwojèn nan katod la. Chak gaz deplase dlo epi yo ka kolekte nan fen de tib bò yo.

Endistriyèl elektwoliz

Anpil selil elektwolitik endistriyèl yo byen sanble ak voltamèt Hoffmann, ekipe ak honeycomb elektwòd ki kouvri ak yon fim mens nan divès kalite katalis, pafwa fanmi platinum, men tou, cobalt ak lòt. materyèl plis ekonomik^[1]. Diidwojèn anjeneral pwodui, kolekte epi boule sou plas, dansite enèji li twò ba pou yo estoke oswa transpòte li nan yon fason ekonomikman pwofitabModèl:Refnec. dyoksijèn gaz la trete kòm yon sous-pwodwi.

An 2021, twa sektè endistriyèl pou pwodiksyon idwojèn coexist^[2]:

• Elektwolizè alkalin, ki gen plis pase 100 ane, ki gen plizyè megawatt pouvwa epi ki kapab pwodui plis pase 1 000 Nm³ idwojèn pou chak èdtan. Yo sèvi ak potassa kòm yon elektwolit ak elektwòd nikèl. Pwodiksyon enèji elektwolizè sa yo se nan lòd 75 a 90%, pou yon lavi ki pi gran pase 80,000 èdtan nan operasyon, ki ka rive nan 160,000 èdtan (sa vle di apeprè 18 ane)^[3]. Li pran yon konsomasyon apeprè 5 kWh pou pwodui 1 m³ idwojèn;
• PEM asid elektwolit elektwolit (« proton echanj manbràn ») yo karakterize pa yon elektwolit solid ak yon manbràn polymère proton-conducting. Yo gen avantaj yo, konpare ak sa yo anvan yo, nan absans la nan elektwolit likid, konpak, senplisite nan konsepsyon yo ak operasyon, limitasyon nan pwoblèm korozyon, pèfòmans siyifikativman siperyè ak mwens enfliyans nan varyasyon nan kondisyon antre (ki se ka a pou tanzantan. sous renouvlab). Men, yo pi chè, paske yo mande pou elektwòd metal nòb (jeneralman platinum)^[4]. Teknik sa a se pou egzanp prezan sou soumaren nikleyè yo pwodwi oksijèn, idwojèn nan yo te evakye diskrètman;
• Electrolyzers tanperati ki wo, san patipri resan.

Nou ap kòmanse optimize reyaksyon elektwochimik pa imite sèten pwosesis byolojik (plant yo an patikilye). An 2012, rezilta premye tès "bio-enspire" katalis, imite fonksyone natirèl anzim, te montre ke cobalt te kapab ranplase platinum chè pou pwodiksyon an. idwojèn ak/oswa pwodiksyon oksijèn pa elektwoliz dlo^[5],[6],[7] . Yo pwopoze de konpoze (an 2012), premye ki ka itilize nan solisyon akeuz net pH nan fòm « nanopartikilkobalt kouvwi ak yon oxo-fosfat kobalt », ak lòt la se « premye "switchable" ak metal nòb materyèl katalitik ki te janm kreye ki kapab entèvni nan de reyaksyon chimik esansyèl nan elektwoliz dlo a: pwodiksyon idwojèn ak pwodiksyon oksijèn » ^[7] (katalis bio-enspire, ki baze sou nikèl sou kabòn nanotib yo te deja pwopoze, men efikas sèlman nan anviwònman ki fòtman asid. ). Nanokatalizè sa a ka chanje, sa vle di li « ka transfòme yon fason revèsib soti nan yon fòm chimik nan yon lòt, chak korespondan ak yon aktivite katalitik espesifik ». Li rete pou teste endistriyalizasyon pwosesis la.

Reyalizasyon

An Frans

Apati Jen 2021, kat pwojè faktori elektwolizè (ki rele "gigafactories) ap pwogrese an Lafrans: demaraj franse a McPhy te anonse nan mwa me ke li te chwazi Belfort pou konstwi sit endistriyèl li; John Cockerill, yon konpayi Bèlj ak kapital fransè, te depoze aplikasyon pou pèmi nan mwa jen pou tabli nan Aspach, nan Haut-Rhin ; Genvia, yon antrepriz ant konpayi sèvis petwòl Ameriken Schlumberger ak CEA, ap prepare yon etablisman nan Béziers, nan [ [ Hérault (depatman)|Hérault]] ; Elogen, yon sipòtè konpayi jeni GTT, ap konsidere tou yon faktori nan Vendôme. Teknoloji yo itilize yo divès: alkalin, manbràn echanj pwoton, tanperati ki wo. McPhy ap vize kòmanse nan kòmansman ane 2024 ak John Cockerill nan kòmansman ane 2023. Genvia, ki ap devlope yon teknoloji tanperati ki gen mwens matirite, p ap anonse desizyon final envestisman li jiskaske « fen 2023, kòmansman 2024 » ^[8].

Elektwoliz tanperati ki wo

Elektwoliz segondè-tanperati (oswa HTE, nan angle elektwoliz segondè-tanperati, oswa "elektwoliz faz vapè") se yon metòd etidye pou elektwoliz dlo a pa machin tèmik. Elektwoliz tanperati ki wo pi efikas pase pwosesis tanperati chanm nan depi yon pati nan enèji ki nesesè pou reyaksyon an bay atravè chalè, ki pi bon mache pou jwenn pase elektrisite, epi paske reyaksyon elektwoliz yo gen pi bon pèfòmans nan tanperati ki wo^{[ réf. swete]}.

Elektwoliz tanperati ki wo fèt nan yon seri tanperati ki varye ant 700 °C ak 1 000 °C. Vòltaj yon selil varye ant 0.8 ak 0,9 V nan zewo kouran, olye pou yo alantou 1,25 V (nan ) pou elektwoliz alkalin. Nan kè elektwolizè a, enèji ki nesesè pou pwodui 1 Nm³ idwojèn se ant 3 ak 3,5 kWh; efikasite enèji se ant 80 ak 90%^[3].

Aplikasyon

Pwodiksyon diidwojèn

Anviwon 0.04% nan dihydrogen gaz ki te pwodwi atravè lemond nan 2021 se pwodwi pa elektwoliz^[9]ak anjeneral yo itilize sou sit. Diidwojèn yo itilize pou sentèz amonyak kòm angrè, pa pwosesis Haber-Bosch, ak pou konvèsyon nan lwil oliv lou nan fraksyon ki pi lejè, pa hydrocracking.

Refòm vapè metàn bay, nan 2015, 49% nan idwojèn ki pwodui nan mond lan, ki dekri kòm "idwojèn gri" paske pwodiksyon an Lè sa a, akonpaye pa degaje diyoksid kabòn.

Itilizasyon diidwojèn kòm yon vektè enèji, nan lide pou yon ekonomi idwojèn, pa devlope anpil nan ane 2010 yo: machin idwojèn , toujou trè chè (senk a dis). fwa pi chè pase yon machin tèmik konparab), yo pa gen siksè komèsyal yo. Nan fen ane 2018, lavant yo te rive nan 11,200 machin atravè lemond, limite a sa sèlman acha gouvènman an dapre Ajans Enèji Entènasyonal laModèl:Referans ki nesesè, ki plis pase 9 000 Toyota Mirai.

Altènatif a asetilèn pou soude

Estasyon soude ki itilize pwodwi elektwoliz dlo yo te egziste depi 2013. Soude yo ka fè san boutèy asetilèn, ranplase pa dlo demineralize ak yon estasyon konsome 2 kW nan pouvwa elektrik^[10].

Efikasite ak sede

pwodiksyon enèji elektwoliz dlo a ka varye anpil. Ranje efikasite varye ant 50-70%^[11] at 80-92%^[12] dapre sous yo. The Shift Project kidonk kenbe ranje 60-75%^[13]. Valè sa yo refere sèlman a efikasite konvèti enèji elektrik nan enèji chimik idwojèn; enèji ki pèdi pandan jenerasyon elektrisite pa konte.

Kad legal

"Direktif Ewopeyen an sou emisyon endistriyèl" (IED)^[14] kontwole operasyon an nan 50,000 enstalasyon yo ki pi polisyon nan Inyon Ewopeyen an^[15]. IED a etabli « règleman pou prevansyon entegre ak rediksyon polisyon ki soti nan aktivite endistriyèl [...] yo nan lòd yo anpeche oswa, kote sa a pa posib, diminye emisyon nan lè a, dlo ak tè a epi pou evite. pwodiksyon an nan fatra, yo nan lòd yo reyalize yon wo nivo de pwoteksyon anviwònman an pran kòm yon antye ». Li gen ladan l pwodiksyon idwojèn sou yon echèl endistriyèl^[16]. Vreman vre, menm si emisyon yo nan polyan ak enpak la an jeneral sou anviwònman ki soti nanpwodiksyon "idwojèn vèt" ka pi ba pase sa ki asosye ak pwodiksyon idwojèn ki soti nan idrokarbur, yo ka akonpaye pa lòt enpak sou anviwònman an, tankou risk aksidan. Anplis de sa, nan fasilite patisipasyon sosyete sivil la nan desizyon sou lisans etablisman an, FDI pèmèt pi wo nivo akseptasyon piblik epi redwi risk envestisman pou operatè yo.

Enstiti Alman pou Pwoteksyon Klima, Enèji ak Mobilite (IKEM) ap mande pou yon lòt kad legal, eksepte ti elektwolizè, pwodwi idwojèn nan kantite endistriyèl^[17], nan kad aplikasyon direktiv sa a ak aplike yon pwosedi apwobasyon senplifye pou enstalasyon kapasite mwayen^[18].

Referans

1. (en) « Catalytic Coating », sur De Nora.
2. Pwodiksyon idwojèn pa elektwoliz dlo, , pdf.
3. « Diferan teknoloji elektwolizè yo », GuidEnR HQE.
4. « Pwodiksyon idwojèn pa elektwoliz dlo » [PDF], sur afhypac.org, septanm 2019.
5. en E. S. Andreiadis, P.-A. Jacques, P. D. Tran, A. Leyris, M. Chavarot-Kerlidou, B. Jousselme, M. Matheron, J. Pécaut, S. Palacin, M. Fontecave, V. Artero, « Molecular Engineering of a Cobalt-based Electrocatalytic Nano-Material pou H₂ Evolisyon anba Kondisyon Fully Aqueous", Nati Chimi, 2012, Modèl:DOI.
6. S. Cobo, J. Heidkamp, ​​​​P.-A. Jacques, J. Fize, V. Fourmond, L. Guetaz, B. Jousselme, R. Salazar, V. Ivanova, H. Dau, S. Palacin, M. Fontecave , V. Artero, "A Janus cobalt-based catalytic materials for electro-splitting of water", Nature Materials, n^o 11, 2012, p. 802, Modèl:DOI.
7. Idwojèn pwodiksyon: si cobalt ranplase platinum, Joseph-Fourier University, 31 oktòb 2012.
8. Idwojèn: sektè endistriyèl franse a ap parèt , ' 'Les Échos, 11 jen 2021.
9. -bas-carbone. -mais-220922 Yon "momantòm k ap grandi" pou pwodiksyon idwojèn ki ba-kabòn men..., Konesans enèji, 22 septanm 2022.
10. Grégoire Noble, « Pa gen asetilèn ankò, kounye a nou soude ak dlo », 25 fevriye 2019.
11. en “Idwojèn ak Fuel Cell News”, sou hyweb.de.
12. (id) Bjørnar Kruse, Sondre Grinna ak Cato Buch, Idwojèn, .
13. « Dokiman travay - Enèji » [PDF], jiyè 2020, p. 24.
14. Direktif IED se fizyon direktiv 2008/1/EC sou prevansyon ak kontwòl polisyon entegre, ke yo rekonèt kòm "direktiv IPPC", ak sis lòt sektè. direktiv: direktiv sou gwo plant ki degaje konbisyon (2001/80/EC), direktiv sou ensinerasyon fatra (2000/76/EC), direktiv sou emisyon sòlvan s (1999/13/EC) ak twa direktiv. ki gen rapò ak endistri diyoksid Titàn (78/176/EEC, 82/883/EEC, 92/112/EEC).
15. -revision-directive-emissions-industrielles-39414.php4 "Bruxèl devwale pwojè li pou revize direktiv sou emisyon endistriyèl”, sou actu-environnement.com, 6 avril 2022.
16. Gade Anèks I pwen 4.2(a).
17. « Direktif 2010/75/EU nan Palman an Ewopeyen an ak nan Konsèy la nan 24 Novanm 2010 sou emisyon endistriyèl (entegre prevansyon polisyon ak rediksyon) », gade Anèks I, pwen 4: Direktiv IED a kouvri sèlman pwodiksyon idwojèn nan kantite endistriyèl.
18. « Electrolyzers ki kouvri pa yon Directive Ewopeyen an », 21 avril 2022.

Gade tou

Sous

• « Electrolysis dlo »
• « Electrolysis dlo »