2019 augusztus 19 - hétfő

2.4.1.6. Az elektrolizáló geometriája

Írta: Dr. Ronald Stiffler és Dr. Willis Jenkin

Az elektródák geometriai kialakítása nagymértékben befolyásolhatja a vízbontás hatásfokát. Erről ír Dr. Ronald Stiffler és Dr. Willis Jenkin az itt következő cikkben, melyet kérésemre Lajos fordított magyarra.

Vízből való hidrogénfejlesztési kísérleteink alatt valami furcsát tapasztaltunk abban a pillanatban, amikor hidrogén kezdett buborékolni a katódról. Nem mértük sem az áramot, sem a feszültséget a buborékok kialakulásánál, ehelyett arra voltunk kíváncsiak, hogy a gázfejlődés az egész elektródán egyszerre indul-e meg, vagy egy kitüntetett helyen, vagy esetleg többön indul meg a rúdelektródákon. Tudott dolog volt, hogy a kezdeti gázfejlődés nem volt egyenletes, de először nem foglalkoztunk vele, mert úgy gondoltuk, hogy a szénelektróda nem teljesen egyenletes.

Nagyon nehéz volt megállapítani, hogy a gázfejlődés szimmetrikus-e az elektródákon, mihelyt a gázfejlődés teljesen beindult. A célunk az volt, hogy megállapítsuk, hogy az elektródák alakja befolyásolja-e a gázfejlődés mennyiségét vagy hatásfokát. Vagyis melyik az a speciális elektróda forma, amelyik emeli a gázkihozatal hatásfokát anélkül, hogy a betáplált energia mennyiségét emelni kellene.

Az első kísérletünket egy katód szénelektródával és egy cső alakú rézhálóval folytattuk. A kísérletben nem a réz hatását vizsgáltuk az elektrolízisre. Az elektrolizáló összeállítását kényelmi szempontok diktálták és nem befolyásolták a következtetéseinket, annak ellenére, hogy a réz megváltoztatta a kémiai összetételét az elektrolizálónak. A kísérleti cella látható a következő képen.

elecd001 2.4.1.6. Az elektrolizáló geometriája

1. ábra. Kísérleti cella

Egy 150 ml-es laboratóriumi poharat töltöttünk meg közönséges csapvízzel és a fent említett elektródákat használtuk.

A szénelektróda 2 mm-t állt ki a vízből. Hagytuk az elektródákat 30 percig ázni a vízben a kísérlet előtt, hogy kiegyenlítődhessen a hőmérséklet és az esetleges megkötött gázok kiszabadulhassanak.

A kísérlet nagyon egyszerű volt. Lépcsősen egyre nagyobb feszültséget kapcsoltunk az elektródákra, miközben egy négyszeres nagyítóval figyeltünk a gázképződés kezdetére a katód szénelektródáján. A kísérlet a következő ábrán látható.

elecd002 2.4.1.6. Az elektrolizáló geometriája

2. ábra.

A következő paramétereket nem vettük figyelembe a kísérletben, mert nem volt közvetlen hatásuk a kísérlet kimenetére és elsődlegesen azért, mert a hatásuk azonnal megmutatkozott volna:

  • Környezeti hőmérséklet
  • A cella falának a hőmérséklete
  • A szénelektróda centrikus helyzete
  • Az elektródák aktív felülete.

Minden kísérlet csak annyi ideig tartott, hogy eltérő hőmérsékletű rétegek ne alakulhassanak ki. A kísérleteknél mindig új vizet és elektródákat használtunk.

A következő fotó mutatja hogy hol kezdődött a buborékformálódás.

elecd003 2.4.1.6. Az elektrolizáló geometriája

3. ábra. A gázképződés a szénrúd aljánál kezdődött

Az eredeti fotón a gázfejlődés olyan kicsi volt, hogy ezen a képen a jobb láthatóság kedvéért berajzoltuk a buborékokat. A kezdeti buborékok kicsik és gyorsan terjednek fölfelé az elektródákon, amint az elektrolízis elindul.

A képen a látottakat magyarázzuk meg a következőkben.

diag001 2.4.1.6. Az elektrolizáló geometriája

4. ábra. A folyamat magyarázó ábrája

Először képzeld el, hogy a szénrúd úgy néz ki mint, elektromos ellenállás, ha szabad térben van. (nincs vízben). Kezdjük a mérést az általunk választott kezdőponttól *A és mérjünk *B, *C , *D és végül *E pontnál.

Belátható, hogy egyre nagyobb ellenállásokat mérnénk a rúd végénél, *E-nél lesz a legnagyobb az ellenállas. Ohm törvénye szerint I = U/R (A, B, C, D, E). Ez azt mutatja, hogy a rúd különböző pontjain különböző erősségű áramokat vehetünk le, ha a feszültséget nem változtatjuk, vagyis a rúd ellenállása határozza meg a levehető áramot egy-egy helyen.

Az ember azt gondolná, hogy a rúd tetejénél az *A pontnál lenne a legélénkebb a gázfejlődés, mert itt áll a legnagyobb áram a rendelkezésre, nem számítva a víz ellenállását. De mihelyst figyelembe vesszük a víz közepes ellenállását, amely egy ellenállás mátrixot képez az elektróda körül, már nem tudjuk a mi egyszerű rúd teóriánkat használni.

Az *E helyen a rúd ellenállása Rt = 1/(1/R(A) + 1/R(n)… ). Azt tapasztaltuk, hogy az ellenállás teljesen megfordult és az *E ellenállása a legkisebb és *A a legnagyobb. Vagyis ilyen körülmények között a legnagyobb áram a rúd csúcsán *E helyen és a legkisebb *A helyen fog folyni.

A fentiek figyelembevételével újra feltesszük a kérdést: lehet-e a feszültség növelése nélkül az elektróda alakjának megfelelő kiválasztásával növelni a hatásfokot? A jelenleg általánosan használt tárcsák, rudak vagy lemezek hatásosak-e? Mi úgy gondoljuk, hogy nem, és kísérletileg bebizonyítottuk, hogy az elektródák különböző alakja jelentős hatással van a gáztermelés hatásfokára.

Különböző rudakkal, lemezekkel és tárcsákkal való kísérletezés után nemsokára kialakult az elképzelésünk, hogy mi lenne a legmegfelelőbb elektróda: egy tömör golyó.

Ennek bizonyítására egy csapágygolyót epoxival ráragasztottunk egy fecskendő végére úgy, hogy a golyó fele érintkezhetett az elektrolittal. Az elektromos csatlakozás a fecskendő belsejében volt úgy, hogy csak a fél golyó látszott. A következő kép ezt mutatja.

tip000 2.4.1.6. Az elektrolizáló geometriája

5. ábra. A golyóelektróda

(A képen egy orvosi fecskendő látszik a golyóval fölfelé amit később lefelé fordítva belemerítettek az elektrolitba.)

Ugyanazt az eljárást alkalmaztuk, mint az előző kísérletekben: a feszültséget fokozatosan emeltük addig, amíg az első buborék meg nem jelent. Itt most már képesek voltunk az első buborékot lefényképezni, mert szinte azonnal majdnem az egész felületen keletkezett. Tudjuk hogy a csapágygolyó felülete sokkal kisebb, mint a szénrúdé, tehát a feszültség / cm magasabb, de a későbbi kísérletekkel igazoltuk, hogy a golyó alak előnyösebb, egyforma felületeknél a többi formákhoz képest.

tip001 2.4.1.6. Az elektrolizáló geometriája

6. ábra. A gázbuborékok kialakulása golyóelektródánál

Az elméleti optimális elektróda egy gömb lenne, amely a táplálását a középpontból kapná. Ez azt jelenti, hogy a gömb felületén minden pont ugyanolyan feszültséget kapna. Ez az elmélet jelentősen különbözik az eddig alkalmazottaktól.

sphere000 2.4.1.6. Az elektrolizáló geometriája

7. ábra. A feszültség egyenletesen oszlik el

Az elektródák külalakja és anyaga jelentősen befolyásolja a buborékok tapadását az elektródákhoz, és az így szigetelt felületek hatása érezhető az áramürüségen. Amikor a buborékok az elektróda felületére tapadnak, ez az elektróda felület ideiglenesen kiesik a gáztermelésből egészen addig, amíg a buborékok elszabadulnak. A buborék által elszigetelt felületet nem éri a víz, így nem is tud részt venni a gáztermelésben. Ezt az áramméréseink is igazolták. Az áram fokozatosan nő addig, amíg a buborékok el nem kezdenek kialakulni, utána csökken, amint egyre nagyobb felület esik ki a gáztermelésből.

Több eljárás is létezik a gázbuborékok elektródától való elszakítására, azonban az általánosan alkalmazott eljárások negatívan befolyásolják az energiamérleget. (keverés és cirkuláltatás)

A keverés segíti leszakítani a buborékokat és ugyanakkor a kialakult különböző hőmérsékletű rétegeket is megszünteti, de egyúttal megváltoztatja az ion eloszlást az elektródák körül. A keverés hatására a gáztermelés rövid időre kissé megnő, és az áramfelvétel leesik az ionréteg megzavarása miatt. A kísérletek azt mutatták, hogy a keverés energetikailag nem segített, hanem rontott az eljárás hatásfokán.

A megfelelő betáplálási pont megválasztása a rúdelektródákon jelentősen befolyásolja a gázfejlődést. A betáplálás polaritásának megfigyelése megmagyarázhatja a különbséget.

Két elektróda ugyanarról a végről táplálva kevesebb gázt kelt, mint az a két elektróda, amely ellentétes végeikről van táplálva.

Új elektródaforma kialakítás csökkenti a cella ionütközés által okozott melegedését.

bpole00 2.4.1.6. Az elektrolizáló geometriája

8. ábra. Spirális elektróda

Az új spirális elektróda a hozzáadott CRE-vel egy lépéssel közelebb juttatott az igény szerinti hidrogén előállítás felé.

A fenti kép (a sorozat első tagja) réz elektródát használ, míg később rozsdamentes acélt, szén rudat és nikkelt használtunk elektródaként. A következő kép heves gázképződést mutat az új elektródaformával és a hozzáadott DET-tel (A DET titkos adalékanyag).

bpole03 2.4.1.6. Az elektrolizáló geometriája

9. ábra. Gázképződés a spirális elektródánál

Egy másik kísérletünkben 2 szénelektródát használtunk. Az anód az elektroliton kívül, a tetejéről kapta a tápot, a katód a közepéről, az elektrolitban elhelyezve. A következő kép mutatja a magától értetődő eredményt: Az összes gázképződés a katód táppontja alatt történik, amíg a végtáplált anód egész felülete részt vesz a gáztermelésben.

etrode00 2.4.1.6. Az elektrolizáló geometriája

10. ábra. A gázképződés a katód támpontja alatt történik

Az előző kép a két elektródát mutatja és a katód középponti táplálását végző sárga vezetéket. A buborékok helyét az ábrán a nyilak mutatják. A következő képen jobban láthatók.

etrode01 2.4.1.6. Az elektrolizáló geometriája

11. ábra. A buborékok közelebbről

Ezen a képen az anód a baloldalon van. Jól láthatók az O2 buborékok az anódon és a katód sárga tápvezetéke. Továbbá megfigyelhető a H2 hiánya a táppont fölött.

etrode02 2.4.1.6. Az elektrolizáló geometriája

12. ábra. A buborékképződés

Ezen a képen a buborékképződés látható (nyilakkal jelölve) a középponti táplálás alatt.

A teljes katód fele vesz csak részt a reakcióban, míg az anód, amely a táplálást a végéről kapja egész felületén oxigént termel. Így bebizonyítottuk, hogy az elektródák táplálási módja lényeges a gáztermelés szempontjából.

sphere01 2.4.1.6. Az elektrolizáló geometriája

13. ábra. Golyós elektróda

Ezen a képen egy rozsdamentes félgömb (katód) látható egy 1 literes laboratóriumi edényben, amelyet horganyzott vaslemez (anód) vesz körbe. Ebben a kísérlet sorozatban a H2/O2 kihozatal 2,13*10-2 mól/óra volt 129 V csúcsnál 50 % kitöltési tényezőnél, amihez az áramot a mi CRE készülékünk állított elő.

Dr. Jenkin jegyzete: A sok kísérlet eredményeként arra a következtetésre jutottunk, hogy csak egyféleképpen lehet egy elektrolizáló hatásfokát megállapítani, és ez a keletkezett gázok mérése. A felhasznált energiát mérni kell, de a lényeg a gázfejlesztés. A maximális gázfejlődéskor kell megmérni az áramot és összehasonlítani a bevitt energiát a kihozatallal. Ez nagyon fontos, amikor impulzusbontást használunk. A gázmennyiség mérése nem egyszerű dolog. A gáz tárolását igényli, ami veszélyekkel jár. Amennyiben fel akarjuk használni a keletkezett gázokat, szigorú biztonsági előírásokat kell követni!

Dr. Stiffler fontos eredményt ört el. A képen egy elektrolizáló látható, ahol 126 V 10 mA mellett a gázkihozatal 3,7*10-1 mól/óra. Fontos lépés az igény szerinti hidrogén fejlesztés felé.

C2E2, CCEE vagy Lépcsőzött töltéssel gerjesztett elektrolízis

cl15 2.4.1.6. Az elektrolizáló geometriája

14. ábra.

A hozzánk érkezett számos kérdésre a következő részletes leírással válaszolunk: A kísérleteinkhez rendesen desztillált vizet használunk, amit baktériumölés miatt ózonnal kezel a szállító. Ez az eljárás nem kötelező a kísérletekhez, mi egyszerűen ilyen vizet kapunk. Mi nem állítunk elő laboratóriumi minőségű desztillált vizet, mert úgy érezzük, hogy olyan vízzel kell dolgozzunk, ami mindenkinek hozzáférhető az olcsó 1dollár/gallon áron. (1 US gallon kb. 3,7854 liter)

Minden víz, amit a kísérleteinkben használtunk, 24 órát állt 500 Hgmm, nyomáson, hogy a megkötött gázok kiszabaduljanak belőle.

Időnként nedvesítő anyagot használtunk, ami a víz felületi feszültségét is csökkenti. A víz felületi feszültsége nem befolyásolja az eredményt, de a nagy, összetapadt vízmolekulák szétválasztása jobb gázkihozatalt eredményez. A mi anyagunk titkos, de kis mennyiségű mosogatószer használható egyszerűbb kísérleteknél. A mosogatószer ne legyen több, mint 1,5 ml egy liter a vízben.

További kísérleteink alatt találtunk egy egyedülálló módszert arra, hogy láthatóvá tegyük az ion becsapódások hatását a különböző elektródákon. Mivel a képeket víz alatt nem tudtuk elkészíteni, az elektródákat szabad levegőben fényképeztük. A képek halványak, de jól mutatják, mi történik az elektródákon.

ptpl01 2.4.1.6. Az elektrolizáló geometriája

15. ábra.

Ez a kép egy 1 cm * 1 cm-es rézlap és egy #26 lapos végű rézvezeték kölcsönhatását mutatja (#26 vezeték átmérője 0,4 mm). A képet egy olyan anyag segítségével készítettük, amely az ionok becsapódásakor fluoreszkál.

ptpl02 2.4.1.6. Az elektrolizáló geometriája

16. ábra.

A képen az ionok becsapódásának a hatását látjuk az 1 cm * 1 cm-es réz lemezbe. A vezeték felől nézünk a merőleges lemezfelületre. A lemez a + elektróda, a vezetek le van földelve.

ptpl03 2.4.1.6. Az elektrolizáló geometriája

17. ábra.

Ez az előző kép, a különbség annyi, hogy egy kissé megdöntöttük a kamerát, hogy láthassuk a pontelektróda végét. A képen nem látható jól a piramis alakú emisszió, amely a vezeték hegyétől a lapig tart. A képen megcseréltük az elektródák polaritását. A vezeték a +, a lap földelt.

Nem látható az ionok szétszóródása. Az ionáramlás egy egyenes mentén történik a két elektróda között.

A következő feljavított kép az ionfelhőt ábrázolja a vezetékelektróda csúcsa előtt.

ptpl04 2.4.1.6. Az elektrolizáló geometriája

18. ábra.

A vezeték elektróda a kép alján van, a kép tetején levő pont az a hely, ahol az ionáramlás belép a rézelektródába. Az ionizáció legerősebb a vezeték csúcsánál és lassan lecsökken a lapelektróda felé.

Minden kísérlethez desztillált vizet használtunk, amely pH értéke 7,00 ±
0,05 volt.

A szöveget angol nyelven itt találod.

A következő oldalon a víz és a mágnesesség kapcsolatáról olvashatsz.

Hozzászólok!

A weblap további használatával Ön beleegyezik a sütik használatába. További információ

A süti beállítások ennél a honlapnál engedélyezett a legjobb felhasználói élmény érdekében. Amennyiben a beállítás változtatása nélkül kerül sor a honlap használatára, vagy az "Elfogadás" gombra történik kattintás, azzal a felhasználó elfogadja a sütik használatát.

Bezárás