Кислородный генератор. Электролизер с сепарацией. - Аквафорум - форум акваріумістів та тераріумістів
На сайт Всеукраинской Ассоциации аквариумистов
На главную страницу форума



 


Вернуться   Аквафорум - форум акваріумістів та тераріумістів > Дневники > ТоптуновПотапов
Аукцион Регистрация Дневники Справка Пользователи Календарь Поиск Сообщения за день Все разделы прочитаны

Важная информация

Оценить эту запись

Кислородный генератор. Электролизер с сепарацией.

Запись от ТоптуновПотапов размещена 09.06.2020 в 16:43
Обновил(-а) ТоптуновПотапов 13.04.2021 в 11:38

Кислородный генератор. Электролизер с сепарацией.

Электролизер с раздельным получением продуктов электролиза.

Часть первая. Теоретическая.
Электролиз воды протекает по уравнению:

2H2O -> 2H2 + O2

В основе соотношения между силой тока и количеством газов лежит второй закон Фарадея. В рамках данной статьи используем лишь следствия из этого закона - 1 моль воды разлагается на кислород и водород при прохождении 26.8 а*ч электричества. 1 моль воды это 18 грамм. В этом количестве воды содержится 11.2 л газообразного кислорода и 22.4 л газообразного водорода.
Теоретически напряжение (ЭДС) при котором начинается процесс электролиза воды составляет 1.23 В. На практике напряжение разложения заметно больше. И составляет 1,8-2,5 В, в зависимости от силы и плотности тока на электродах, а также материала самих электродов.

Часть вторая. Практическая

Принципиально электролизер состоит из корпуса разделенного непроницаемой перегородкой на две ячейки, представляющих собой газовые колокола, сообщающиеся в нижней части. Ячейки служат для размещения электродов и накопления выделяющихся газов. Схематично электролизер показан на рисунке 1.


Где:
светло-голубым обозначен электролит на основе щелочного металла (водный раствор NaOH или KOH)
Зеленым цветом обозначена ячейка с водородом
Синим цветом обозначена ячейка с кислородом
Катод – электрод с отрицательным потенциалом
Анод – электрод с положительным потенциалом

Каждая ячейка содержит электрод для электрохимического выделения газа, а также газоотводную трубку. Электроды изготавливаются из нержавеющей стали AISI304 или аналогов, содержащих никель.

Часть третья. Принцип работы.

При подаче на электроды небольшого напряжения, примерно 2.5 – 3 вольта через электролит начинает протекать электрический ток. На Катоде будет выделятся водород, а на Аноде кислород. Для увеличения электропроводности в электролит добавляют хорошо растворимое, сильно диссоциирующее вещество. Важно, чтобы в процессе электролиза само вещество не расходовалось, а только придавало электрическую проводимость электролиту. В качестве такого вещества используем гидроксид натрия или калия. [палемику о выборе оставлю за рамками статьи]. Чистые газы скапливаются в верхней части ячейки и отводятся через патрубки.
В процессе работы возникает небольшое избыточное давление в электролизере. Его величина определяется давлением необходимым для поступления кислорода в проточный реактор. В первом приближении это давление складывается из давления водного столба от верхнего края воды в аквариуме до проточного реактора и сопротивления обратного клапана в реактор. Ориентировочно 1.05-1.1 атм. При этом из ячейки с кислородом газ при достижении нужного давления расходуется в реактор, а газ из ячейки с водородом необходимо стравливать.

Вариант с периодическим стравливанием избытка водорода.

При пропускании электрического тока через электролит выделяющийся кислород свободно выходит в проточный реактор из кислородной ячейки, а водород постепенно накапливается. При этом, за счет вытеснения части электролита в ячейку с кислородом уровень электролита меняется. В водородной ячейке уровень падает, а в кислородной возрастает. Схематично показано на рисунке 2.



Если не остановить процесс электролиза электролит в ячейке с кислородом неизбежно попадёт в магистраль для подачи кислорода, а следом в проточный реактор. Чтобы этого не происходило необходимо вовремя стравливать избыток водорода. Стравливание может быть осуществлено через клапан, подсоединенный к газоотводной трубке в водородной ячейке. Для управления клапаном в ячейку для кислорода монтируется дополнительный контактный электрод Кэ. Схематично показано на рисунке 3.

Помимо этого, для предотвращения попадания щелочного электролита в проточный реактор через кислородную магистраль, можно использовать предохранительную емкость. Дополнительно к этому объем электролита следует выбирать таким, чтобы при достижении нижнего края электрода в водородной ячейке верхний уровень электролита в кислородной ячейке был ниже выходного патрубка для кислорода на 1-2 см. Это позволит чисто механически разорвать цепь в случае нештатных ситуаций и исключит попадание электролита в кислородную магистраль. Аналогично работает и для обратной ситуации – если по каким-то причинам кислород не выходит в кислородную магистраль, электролит в кислородной ячейке опустится до нижнего края анода и прохождение тока станет невозможным, цепь разомкнется, процесс электролиза остановится.

Управление работой клапана с помощью контактного электрода Кэ.

Принципиальная электрическая схема питания и управления клапаном стравливания водорода приведена на рисунке 4. В основе работы лежит простой принцип: при повышении уровня электролита до контактного электрода Кэ на нем появляется высокий потенциал от близкорасположенного к нему другого электрода. Сигнал поступает на базу транзистора Т1 и открывает его, тот в свою очередь закрывает транзистор Т2. Напряжение на резисторе R2 соединенным с коллектором транзистора Т2 становится равным напряжению питания и это открывает транзистор Т3 который управляет электромагнитным клапаном. Схема работает в «ключевом» режиме. Клапан открывается, водород начинает выходить, уровень электролита в кислородной ячейке снижается и контактный потенциал на электроде Кэ пропадает, сигнал поступающий на базу транзистора Т1 пропадает и он закрывается, а следом закрывается клапан стравливания. Цикл заканчивается.


Рисунок 4 Принципиальная электрическая схема управления электромагнитным клапаном
Для того, чтобы клапан стравливания не закрывался сразу после начала снижения уровня электролита, в базу транзистора Т1 введена цепь R3C4 которая задаёт время, в течение которого транзистор Т1 открыт. Для номиналов, указанных на схеме это время составляет примерно 1 минуту. Столько времени остается открытым клапан стравливания. За это время уровень электролита в кислородной ячейке постепенно упадет, а в водородной на столько же поднимется. Цикл начнется снова.
В качестве клапана используется клапан обратный омывателя стекла автомобиля ВАЗ 2108.


С течением времени, по мере расхода воды на электролиз, уровень электролита будет понижаться. Необходимо периодически доливать дистиллированную воду для компенсации расхода.

Часть четвертая. Особенности работы требующие учета.

- Важнейшей составляющей работы устройства является напряжение между электродами. Даже незначительное колебания напряжения приводят к заметному изменению силы тока и, как следствие, количеству выделяемого кислорода. Для исключения колебаний питающего напряжения использован на микросхеме КР142ЕН22А. Её можно заменить на ЕН12 или другие с регулируемым выходным напряжением. На ток не менее чем в 2 раза больший чем тот, который вы предполагаете использовать.
Для питания схемы управления клапаном использован отдельный стабилизатор, так как питание этой части схемы от источника тока для электролиза ведет к неправильной его работе на низких напряжениях. При напряжениях выше 3,5 В можно подключать напрямую к стабилизатору для электролиза. Для исключения ошибок в работе рекомендую сделать отдельный стабилизатор.

- При электролизе концентрированных растворов щелочей может образовываться пена. Чем больше концентрация раствора щелочи, тем более устойчивая пена образуется. При этом пена остается электропроводящей и замыкает контактный электрод, что приводит к срабатыванию электромагнитного клапана раньше, чем уровень электролита достигнет контактного электрода. Оптимальной концентрацией можно считать 10-15% раствор, при этом его электропроводность достаточно высока, а пена образуется в меньшей степени. После многочасовой проработки электролита пена перестаёт образовываться, но после достаточно длительного простоя образуется снова. [почему?]

- При электролизе образуются мельчайшие пузырьки, которые лопаясь, образуют мелкие капли отлетающие на стенки и крышку электролизера, образуя электропроводящую плёнку. Эта пленка может приводить к ложному срабатыванию схемы управления. Для исключения этого явления контактный электрод монтируется в длинную трубку располагаясь в ней коаксиально. Между электродом и трубкой необходим зазор, в котором не может удерживаться электролит за счет капиллярных сил. Из практических соображений этот зазор должен составлять 3-5 мм, т.е. трубка имеет внутренний диаметр 6-10 мм. Таким образом исключается образование проводящих плёнок и ложное срабатывание управляющей схемы. Электроды для исключения реакции с электролитом выполняются из нержавеющей стали. (сварочная проволока содержащая никель)

Рабочий объем электролита 1 литр. Правильное заполнение камер.


Рабочий объем электролита 1 литр. Выровненные уровни.


Остаточный объем 800 мл. Минимальный уровень для работы электролизера.


Остаточный объем 800 мл. Выровненные уровни.


Для более равномерной работы электролизера в кислородной магистрали возможно включение ресивера, объемом 1-2л. Это позволяет увеличить периоды между срабатываниями клапана.

Для контроля за устройством удобно включить в нижней части электролизера подсветку. Например из светодиодной ленты на 3-5 светодиодов. В кислородной магистрали установить "счетчик" пузырьков, аналогичный счетчику для подачи СО2. В цепи питания электролизера установить амперметр и переменное сопротивление R6 вынести на панель с амперметром, для удобства регулировки тока идущего на электролиз. Параллельно клапану включить светодиод, показывающий что клапан в данный момент открыт/закрыт.
Размещено в Без категории
Просмотров 10087 Комментарии 0
Всего комментариев 0

Комментарии

 



Текущее время: 07:51. Часовой пояс GMT +3.


Powered by vBulletin® Version 3.8.7
Copyright ©2000 - 2024, Jelsoft Enterprises Ltd. Перевод: zCarot
(с)Бешлега Олександр Анатолійович, 2002-2024. Використання матеріалів сайту без посилання на джерело заборонено.
Дякуємо за ліцензійну версію форума компанію Барбус, представника торгової марки Sera в Україні.

Друзі форуму: Зоомагазин byCOLLAR.com; waudog.ua

AQA.ru  - все об аквариумах