电解水机制氢气的原理
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电解水机制氢气的原理
一、氢气的工业制法 在工业上通常采用如下几种方法制取氢气： 一是将水蒸气通过灼热的焦炭（碳还原法），得到纯度为75%左右的氢气； 二是将水蒸气通过灼热的铁，得到纯度在97%以下的氢气； 三是由水煤气中提取氢气，得到的氢气纯度也较低； 四是电解水法，制得的氢气纯度可高达99%以上；电解水制氢技术主要有三种：1、碱性水电解(AEC)，2、固体氧化物水电解（solid oxide electrolyticcells，SOEC），3、固体聚合物电解质水电解（SPE）。二、电解水制氢原理1、电解水原理在一些电解质水溶液中通入直流电时，分解出的物质与原来的电解质完全没有关系，被分解的是作为溶剂的水，原来的电解质仍然留在水中。例如硫酸、氢氧化钠、氢氧化钾等均属于这类电解质。在电解水时，由于纯水的电离度很小，导电能力低，属于典型的弱电解质，所以需要加入前述电解质，以增加溶液的导电能力，使水能够顺利地电解成为氢气和氧气。氢氧化钾等电解质不会被电解，现以氢氧化钾为例说明：（1）氢氧化钾是强电解质，溶于水后即发生如下电离过程：KOH?K++ OH -于是，水溶液中就产生了大量的K+和OH-。 （2）金属离子在水溶液中的活泼性不同，可按活泼性大小顺序排列如下K＞Na＞Mg＞Al＞Mn＞Zn＞Fe＞Ni＞Sn＞Pb＞H＞Cu＞Hg＞Ag＞Au在上面的排列中，前面的金属比后面的活泼。（3）在金属活泼性顺序中，越活泼的金属越容易失去电子，否则反之。从电化学理论上看，容易得到电子的金属离子的电极电位高，而排在活泼性大小顺序前的金属离子，由于其电极电位低而难以得到电子变成原子。H+的电极电位H= -1.71V，而K+的电极电位H = -2.66V，所以，在水溶液中同时存在H+和K+时，H+将在阴极上首先得到电子而变成氢气，而K+则仍将留在溶液中。（4）水是一种弱电解质，难以电离。而当水中溶有KOH时，在电离的K+周围则围绕着极性的水分子而成为水合钾离子，而且因K+的作用使水分子有了极性方向。在直流电作用下，K+带着有极性方向的水分子一同迁向阴极，这时H+就会首先得到电子而成为氢气。 2、水的电解方程 在直流电作用于氢氧化钾水溶液时，在阴极和阳极上分别发生下列放电反应。（1）阴极反应。电解液中的H+（水电离后产生的）受阴极的吸引而移向阴极，接受电子而析出氢气，其放电反应为：4e +4H?O=2 H?↑+4OH-（2）阳极反应。电解液中的OH-受阳极的吸引而移向阳极，最后放出电子而成为水和氧气，其放电反应为：4OH- =2H?O+O?↑+4e阴阳极的总反应式为：2H?O=2 H?↑+ O?↑三、电解电压在电解水时，加在电解池上的直流电压必须大于水的理论分解电压，以便能克服电解池中的各种电阻电压降和电极极化电动势。电极极化电动势是阴极氢析出时的超电位与阳极氧极出时的超电位之和。因此，水电解电压U可表示为：U=U0+IR+H+o式中U0——水的理论分解电压，V；I——电解电流，A；R——电解池的总电阻，Ω；H——氢超电位，V；0——氧超电位，V。从能量消耗的角度看，应该尽可能地降低电解电压。下面讨论影响电解电压的几个因素：（1）水的理论分解电压U0。热力学的研究得出：原电池所做的最大电功等于反应处自由能变的减少，即：-△Gm0=nFE0式中△Gm0 ——标准状态下电池反应的吉布斯自由能变，J/moln——反应中的电子转移数；F——法拉第常数，96500C/mol；E0——标准状态下反应的标准电动势，V。在生成水的化学反应中，自由能变为-474.4kJ/mol，即△Gm0=-474.4kJ/mol2H2（g）+O2（g）=2H2O (1)这是一个氧化还原反应，在两个电极上的半反应分别为：阳极O2+4H++4e=2H2O ，阴极2H2=4H++4e电子转移数n=4，由△Gm0 =-nFE0得- 474.4×103 = - 4×96500E0可见，在0.1MPa和25℃时，U0=1.23V；它是水电解时必须提供的最小电压，它随温度的升高而降低，随压力的升高而增大，压力每升高10倍，电压约增大43mV.（2）氢超电位和氧超电位。影响氢超电位和氧超电位的因素很多。首先，电极材料和电极的表面状态对它的影响较大，如铁、镍的氢超电位就比铅、锌、汞等低，铁、镍的氧超电位也比铅低。与电解液接触面积越大或电极表面越粗糙，产生的氢超电位和氧超电位就越小。其次，电解时的电流密度增大，超电位会随之增大，温度的上升也会引起超电位的增大。此外，超电位还与电解质的性质、浓度及溶液中的杂质等因素有关，如在镍电极上，稀溶液的氧超电位大于浓溶液的氧超电位。为了降低氢超电位和氧超电位，可以采取一些方法。如提高工作温度及采用合适的电极材料等。此外，适当增大电极的实际表面积或使电极表面粗糙，都可在不同程度上降低电极电阻和超电位，从而达到降低工作电压的目的。（3）电阻电压降。电解池中的总电阻包括电解液的电阻、隔膜电阻、电极电阻和接触电阻等，其中前两者为主要因素。隔膜电阻电压降取决于材料的厚度和性质。采用一般的石棉隔膜，电流密度为2400A/m2时，隔膜电阻上的电压降约为0.25~0.30V，当电流密度再增大时，该电压降还会增大到0.5V左右。电解液的导电率越高，电解液中的电压降就越小。对电解液来说，除要求其电阻值小以外，还要求它在电解电压下不分解；不因挥发而与氢、氧一并逸出；对电解池材料无腐蚀性；当溶液的pH值变化时，应具有一定的缓冲性能。多数的电解质在电解时易分解，不宜在电解水时采用。硫酸在阳极生成过硫酸和臭氧，腐蚀性很强，不宜采用。而强碱能满足以上要求，所以工业上一般都以KOH或NaOH水溶液作为电解液。KOH的导电性能比NaOH好，但价格较贵，在较高温度时，对电解池的腐蚀作用亦较NaOH的强。过去我国常采用NaOH作电解质，但是，鉴于目前电解槽的材料已经能抗KOH的腐蚀，所以，为节约电能，已经普遍趋向采用KOH溶液作为电解液。此外，在电解水的过程中，电解液中会含有连续析出的氢、氧气泡，使电解液的电阻增大。电解液中的气泡容积与包括气泡的电解液容积的百分比称作电解液的含气度。含气度与电解时的电流密度，电解液粘度、气泡大小、工作压力和电解池结构等因素有关。增加电解液的循环速度和工作压力都会减少含气度；增加电流密度或工作温度升高都会使含气度增加。在实际情况下，电解液中的气泡是不可避免的，所以电解液的电阻会比无气泡时大得多。当含气度达到35%时，电解液的电阻是无气泡时的2倍。降低工作电压有利于减少电能消耗，为此应采取有效措施来降低氢、氧超电位和电阻电压降。一般情况下，在电流较小时，前者是主要因素；而在电流较大时，后者将成为主要因素。电解槽在高工作压力下运行时，电解液含气度降低，从而使电解液电阻减小，为此已经研制出可在3MPa压力下工作的电解槽。但是工作压力也不宜过高，否则会增大氢气和氧气在电解液中的溶解度，使它们通过隔膜重新生成水，从而降低电流效率。提高工作温度同样可以使电解液电阻降低，但随之电解液对电解槽的腐蚀也会加剧。如温度大于90℃时，电解液就会对石棉隔膜造成严重损害，在石棉隔膜上形成可溶性硅酸盐。为此，已经研制出了多种抗高温腐蚀的隔膜材料，如镍的粉末冶金薄片和钛酸钾纤维与聚四氟乙烯粘结成的隔膜材料，它们可以在150℃的碱液中使用。为了降低电解液的电阻，还可以采取降低电解池的电流密度，加快电解液的循环速度，适当减小电极间距离等方法。四、制氢设备的制氢量衡算和电能消耗1、法拉第定律电解水溶液制氢时，在物质量上严格遵守法拉第定律：各种不同的电解质溶液，每通过C的电量，在任一电极上发生得失1 mol电子的电极反应,同时与得失1 mol电子相对应的任一电极反应的物质量亦为1mol。 F=C/mol称为法拉第常数，它表示每摩尔电子的电量。在一般计算中，可以近似取F=96500C/mol。根据拉第定律，可以得到下式：M=kIt=kQ式中 k——表示1h内通过1A电流时析出的物质量，g/(A·h)I——电流，A；t——通电时间，h；m——电极上析出的物质的质量，g；Q——通过电解池的电荷量，A·h。由于库仑单位很小，所以工业上常用的电荷量单位是安培·小时，它与法拉第常数F的关系是：1F==26.8 A·h2、制氢量衡算从法拉第定律可知，26.8A·h电荷量能产生0.5mol的氢气，在标准状态下，0.5mol氢气占有的体积是11.2L，则1A·h电荷量在一个电解小室的产气量应为=11.2L/26.8A·h=0.418L/(A·h)=0.000418 m3如果考虑电流效率，那么每台电解槽每小时的实际产氢量应为：=0.000418mltηm3式中 m——电解槽的电解小室数，I——电流，A；t——通电时间，h；η——电流效率，%。同样地，可以计算出氧气的产气量，它正好是氢气产气量的1/2。=0.000209 mltηm33、电能的消耗电能消耗W与电压U和电荷量Q成正比，即：W=QU根据法拉第定律，在标准状况下，每产生1m3的氢气的理论电荷量Q0为：因此，理论电能消耗W0为：W0= Q0U0==2943W·h式中：U0为水的理论分解电压，U0=1.23V。在电解槽的实际运行中，其工作电压为理论分解电压的1.5~2倍，而且电流效率也达不到100%，所以造成的实际电能消耗要远大于理论值。目前通过电解水装置制得1m3氢气的实际电能消耗为4.5~5.5KW·h。4、电解用水消耗电解用水的理论用量可用水的电化学反应方程计算：2H2O=2H2↑+O2↑式中：x为标准状况下生产1m3氢气时的理论耗水量，g；22.4L为1mol氢气在标准状况下的体积。x/18= x=804g在实际工作过程中，由于氢气和氧气都要携带走一部分水分，所以实际耗水量稍高于理论耗水量。目前生产1m3氢气的实际耗水量约为845~880g。 电解还原水有三大特点： 1、小分子团水，溶解性强，利于细胞吸收； 2、弱碱性水，清除体内酸毒，改变酸性体质； 3、还原电位达 -250Mv以下，（含有丰富活性氢）清除人体内多余自由基。 以上专业文章作者 于来强 ，转自公众号 氢莱美尔，如有不妥请联系删除。
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下列说法不正确得是A．电解水可以得到氧气，是因为水中含有溶解的氧气B．电解水制取氢气要消耗大量的电能，应该
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提问人：匿名网友
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下列说法不正确得是A．电解水可以得到氧气，是因为水中含有溶解的氧气B．电解水制取氢气要消耗大量的电能，应该寻找更好的方法使水电解出氢气C．燃放烟花爆竹产生的物质会对空气造成污染D．任意排放工业废水和生活污水，滥用化肥和农药，都会导致水体污染
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富氢水机-电解水制氢机-电解水饮水机-富氢饮水
产品名称：氢气氢水一体机
产品型号：HH-828
产品尺寸：主机420*390*450mm，下柜420*400*800mm
机器重量：上柜16kg，下柜16kg
输入电压：110V/220V，50-60HZ
产品功耗：200W（加热时800W）
出水流量：0.3-0.8L/min
水箱容量：2.2L
1、&&SPE纯水制氢、高压纳米溶氢、超高浓度氢水、RO纯水直饮无需等待；
2、&&饱和氢水模式：常温水氢溶存量5.0ppm，40℃温水3.8ppm；
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喝氢水不仅能抗氧化，还能改善生活方式远离慢性病。例如，有助于解酒，能杀菌消炎，还可防口臭。同时，用富氢水煮饭、烧鱼能使菜更可口，用于清洗蔬菜、瓜果，可起到保质、保鲜作用。
根据不同人体状态和习惯，使用富氢水的数量和方法是有区别的，身体正常时，随平时习惯；身体有不适或者疾患时，加大饮水量一倍甚至数倍、同时需要快速喝完。
1、亚健康人群每天三次：早、中、晚餐前半小时各300-500ml；
2、爱饮酒的朋友哦每次饮酒后半小时饮用500-1000ml；
3、喜欢运动的人群，运动前两小时饮用600ml、休息时间饮用600ml、运动结束半小时后饮用600ml
4、便秘、肠胃不适、免疫力低下（过敏）、排毒养颜的人群，要大口大口地喝上几口水，吞咽动作要快，富氢水中的氢气能够尽快地到达结肠，刺激肠蠕动，促进排便。千万不要小口小口地喝，那样水流速度慢，水很容易在胃里被吸收，产生小便。每天5-6次，起床空腹、早、中、晚餐前半小时，睡前半小时、中餐与晚餐之间各300-500ml；
5、代谢综合症（高血压、高血脂、高血糖）、关节炎（风湿、类风湿）、口腔（牙疼、牙病）疾患氢气具有还原作用，据研究观察，饮用富氢水对糖尿病或糖耐量异常患者脂肪和葡萄糖代谢。氢气可以修复、保护胰岛细胞，提高胰岛素受体的敏感性，恢复机体正常的糖脂代谢功能，预防动脉硬化，有效防止心脑血管等并发症的发生。
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