Электролизер (ионизатор или активатор) против генераторов водородной воды

Как работают ионизаторы и генераторы водородной воды

Часто электролизеры также называют ионизаторами или активаторами воды. Однако более точно их называть электролизерами, так как это название отражает суть процессов, происходящих в устройствах. Какова разница в работе ионизаторов воды и генераторов водородной воды?

Что такое электролизер (ионизатор или активатор)? Что такое активированная или щелочная вода?

Часто электролизеры также называют ионизаторами или активаторами воды. Однако более точно их называть электролизерами, так как это название отражает суть процессов, происходящих в устройствах.

В электролизерах (ионизаторах) вода делится на два типа - щелочная вода с pH выше 8 и кислая вода с pH ниже 6.

• Принцип работы водных электролизеров (ионизаторов)
  Водный ионизатор — это устройство, в котором два или более электрода погружены в солевой раствор в воде.
  Если электродов два: Анод - положительно заряженный электрод А(+) и Катод С(-) - отрицательно заряженный электрод, схема электролизера следующая: looks like this:

По сути, генераторы водородной воды без протонообменной мембраны являются самыми простыми ионизаторами водородной воды с двумя электродами.

Для усиления процессов более дорогие электролизеры используют несколько электродных пластин.

 Какие процессы происходят в электролизере?

Как следует из названия, процесс, происходящий в электролизере, - это электролиз. Электролиз — это разложение вещества на составные части с помощью электрического тока. Ток проходит через химически чистую (дистиллированную или даже более чистую, деионизированную) воду очень слабо, поэтому электролиз чистой воды затруднителен. Попробуйте залить дистиллированную воду в бытовой ионизатор; он не будет работать.

Наиболее распространенные соли в питьевой воде — бикарбонаты, сульфаты кальция, магний, хлорид натрия (поваренная соль). При растворении в воде соли диссоциируют на ионы - частицы с электрическим зарядом. Кроме того, молекулы воды также частично диссоциируют на H⁺ и OH^-.
В питьевой воде "плавают":
положительно заряженные Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺, H⁺
негативно заряженные HCO₃^-, SO₄^2-, Cl^-, OH^-.
Список ионов всегда указывается на этикетках бутилированной воды.

Под воздействием электрического поля ионы начинают двигаться к электроду с противоположным зарядом, где с ними происходят химические реакции.
Уточним, что электроды должны быть инертными, что означает, что во время электролиза они служат только передатчиками электронов. Материал таких электродов не участвует в электродных процессах (это может быть, например, Pt (платина), Ir (иридий), что означает, что сами электроды не участвуют в реакции. В противном случае сам электрод сначала реагирует и разрушается (растворяется): Ме (металл) —> Ме+ + е-, прежде чем начнутся другие реакции. Понятно, что электроды из платины или иридия очень дороги, поэтому они изготавливаются только с платиновым покрытием, и качество этого покрытия критически важно.

Поскольку все металлы, ионы которых присутствуют в нашей питьевой воде - Ca, Mg, Na, K - расположены в электрохимическом ряду:

Li→Cs→Rb→K→Ba→Sr→Ca→Na→Mg→Al→Ti→Mn→Zn→Cr→Fe→Cd→Co→Ni→Sn→Pb→H→Sb→Bi→Cu→Hg→Ag→Pd→Pt→Au

слева от алюминия включительно, металл не восстанавливается на катоде, а восстанавливается водород из воды. Это происходит следующим образом:
На катоде (-) две молекулы воды соединяются с электронами для образования водородного газа и ионов OH^- — то есть, щелочной среды.

K(-) 2H2O + 2e‾ → H2 + 2OH-

На аноде (+) происходит несколько реакций:

Поскольку присутствует анион кислородсодержащей кислоты (SO₄^2-), происходит окисление атомов кислорода из воды в молекулы кислорода, также образуются ионы водорода H+:
2H₂O - 4e → O₂ + 4H⁺, 
кислород выделяется в виде газа и формируется кислая среда - ионы водорода H⁺. В нашем случае также присутствует анион неоксигенированной кислоты (Cl^-). Его окисление до простого вещества происходит:
образуется газообразный хлор
2Cl- - 2e → Cl₂
Таким образом, на отрицательном электроде образуются водородный газ и щелочная среда, на положительном электроде - газы кислород и хлор и кислая среда. Важно отметить, что хлор является ядовитым газом.

Однако важно, что продукты реакции будут смешиваться и реагировать друг с другом.

Во время этого смешения образуется гипохлорит в результате реакции:
Cl₂ + 2OH- → Cl^- + ClO- + H2O
Затем, при комнатной температуре в кислой среде, образуется хлорат (соединение хлористой кислоты) в результате реакции:
2HClO + ClO- → ClO^3- + 2H⁺ + 2Cl^-

Почему наличие мембраны SPE/PEM в генераторах водородной воды является важным?

Преимущества протонообменной мембраны SPE/PEM

Благодаря наличию мембраны PEM/SPE водород отделяется от побочных продуктов электролиза - кислорода и других примесей (таких как озон и хлор). Это означает, что пользователю не нужно тщательно контролировать состав воды. Без протонообменной мембраны при использовании воды с содержанием хлорных солей процесс электролиза сопровождался бы выбросом сильного запаха хлора. Протонообменная мембрана действует как твердый полимерный электролит, где происходит электролиз, то есть электролиз происходит внутри мембраны, а вода не выступает в качестве электролита, а лишь насыщена водородом. Это позволяет использовать дистиллированную воду или воду, очищенную обратным осмосом (RO вода). В устройствах без мембраны PEM/SPE использование дистиллированной или RO воды не приведет к выделению водорода.

Протонообменные мембраны изготавливаются из твердых полимерных электролитов (SPE). Эти электролиты, состоящие из материалов с полимерной структурой, включают функциональные группы, способные диссоциировать для образования катионов или анионов. Направленное движение этих ионов внутри полимерной структуры обеспечивает ионную проводимость.

В наших устройствах мембрана представляет собой фторуглеродный полимер, содержащий функциональные сульфоновые группы, способные обмениваться электростатически связанными катионами (положительно заряженные частицы, такие как протоны, ядра атомов водорода) с внешней средой. Ионная проводимость протонообменной мембраны, являющейся типом твердого полимерного электролита (SPE), обусловлена движением катионов, которые уже составляют ее состав. Во время прямого электролиза солевого раствора проводимость облегчается ионами этих солей в водном растворе.
2H₂O ——► O₂ + 4H⁺ + 4e^-

Затем кислород удаляется из зоны реакции. Протоны (H+) перемещаются через мембрану к катоду, где они восстанавливаются, образуя газообразный водород:
2H⁺ + 2e^- —► H₂

​
Простыми словами, в генераторе водородной воды протоны проводятся от анода (положительно заряженного электрода) к катоду (отрицательно заряженному электроду).

Протон, пройдя через протонообменную мембрану к катоду, получает электрон от катода и становится атомом водорода. Немедленно два атома водорода соединяются, образуя молекулу водорода, которая затем растворяется в воде.

Непроницаемость PEM мембраны для кислорода предотвращает его проникновение в пространство катода, тем самым предотвращая образование потенциально взрывоопасной смеси кислорода и водорода.

Катодные и анодные реакции ускоряются за счет введения катализаторов, таких как тонко рассеянная платина и оксид иридия (IV) на границах электрод/мембраны, делая процесс электролиза более эффективным.

Одновременно протонообменная мембрана служит изолятором для электронов и барьером для реагентов, таких как кислород, водород, озон и хлор.

Основная функция протонообменной мембраны в мембранно-электродной сборке (MEA) - разделять реагенты и переносить протоны через мембрану, блокируя прямой путь электронов через мембрану.

Использование PEM для электролиза было впервые введено в 1960-х годах компанией General Electric, которая разработала эту технологию для преодоления недостатков технологии щелочного электролиза.

Процесс электролиза с использованием протонообменной мембраны (PEM) имеет несколько преимуществ:

Высокие плотности тока: Одно из наиболее значительных преимуществ PEM-электролиза - его способность работать при высоких плотностях тока. Эта возможность обусловлена использованием полимерного электролита, который позволяет PEM-электролизеру работать с очень тонкой мембраной (примерно 100-200 микрометров) под высоким давлением. Такая конфигурация приводит к низким омическим потерям, в основном из-за проводимости протонов через мембрану (0,1 S/см), и обеспечивает высокий выход водорода.

Высокая чистота: Мембрана полимерного электролита с твердой структурой обладает низкой скоростью проникновения газа. Это свойство способствует очень высокой чистоте производимого водорода. Низкая проницаемость обеспечивает минимальное перемешивание газов, что крайне важно когда требуется чистый водород.

Эти характеристики делают PEM-электролиз особенно подходящим для сценариев, где требуется высокая эффективность, высокая чистота и высокое давление производства водорода. Кроме того, компактность электролизера благодаря тонкой мембране позволяет сократить размер системы по сравнению с другими технологиями электролиза.