Деполяризация анодного процесса SO₂ в электрохимическом синтезе водорода

Abstract

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.17.03 – техническая электрохимия. Национальный технический университет "Харьковский политехнический институт", Харьков, 2015. Диссертация посвящена решению важной прикладной задачи – снижению удельного расхода электроэнергии при производстве водорода электролизом водных растворов H₂SO₄ с деполяризацией анодного процесса SO₂. Водно-щелочной метод электролиза уже исчерпал свой потенциал по снижению удельного расхода электроэнергии. Значительно снизить удельный расход можно лишь за счет изменения природы анодного процесса, что и происходит при реализации сульфатнокислотного цикла. Практическое внедрение сульфатнокислотного цикла сдерживалось из-за отсутствия доступных каталитически активных электродных материалов и стойких протонпроводящих мембран для разделения катодного и анодного пространств. Реализация сульфатнокислотного метода предусматривает организацию ресурсосберегающего замкнутого цикла, в котором не происходит образования вторичных продуктов. Кроме того, метод помогает решить экологическую проблему – утилизацию выбросов SO₂ производств химической и энергетической отраслей. Для решения поставленной задачи, на основании термодинамического анализа, установлены условия реализации деполяризации анодного процесса с участием газообразного SO₂, а не продуктов его взаимодействия с анолитом. Доказано участие кислородсодержащих частиц радикального характера в окислении SO₂ на поверхности платинового анода. Исследовано влияние материала анода, концентрации и температуры электролита на кинетические показатели окисления SO₂. В качестве активного покрытия пористой графитовой основы предложено использовать композицию активированного углерода (АУ) с платиной и оксидами переходных металлов (RuO₂, WO₃, MoO₃), которая позволяет снизить анодный потенциал на 0,3 – 0,4 В по сравнению с неактивированным графитом. Нанесение активных покриттий композициями АУ з Pt, RuO₂, MoO₃, WO₃ оказало синергетический эффект снижения анодного потенциала по сравнению с покрытием индивидуальными Pt, RuO₂, MoO₃, WO₃ на 0,12 – 0,13 В. По каталитической активности добавки расположены в следующий ряд Pt > PtO > RuO₂ > MoO₃ > WO₃ > АУ. Показана возможность повышения каталитической активности композиций на основе АУ + MoO₃ и АУ + WO₃ путем введения в электролит соединений, содержащих I¯. Обоснован количественный состав активного покрытия газодиффузионного анода, а также способ нанесения активного покрытия. Показано, что максимальная каталитическая активность и синергетический эффект соответствует содержанию добавок (мг⋅см¯²): Pt – 1,8...2,0; RuO₂ – 1,8...2,1; WO₃ – 3,8...4,0; MoO₃ – 13...15. По результатам испытаний износостойкости гравиметрическим и электрохимическим способами все материалы, используемые в качестве активного покрытия, отнесены к стойким. Результаты работы лабораторного электролизера подтвердили выводы, сделанные на основании кинетических исследований. Определены технологические параметры проведения электролиза с целью получения водорода, а также с целью утилизации SO₂. Определено, что удельный расход электроэнергии составил 2,6 ... 3,1 кВт∙ч на 1 нм³ Н₂ при плотности тока 500 ... 1000 А∙м¯². Проведены опытно-промышленные испытания, которые показали перспективность реализации деполяризации анодного процесса SO₂ в сульфатнокислотном методе получения водорода.Thesis for the Degree of Candidate of Technical sciences in specialty 05.17.03 – Technical Electrochemistry. – National Technical University "Kharkiv Polytechnical Institute", Kharkоv 2015. The thesis deals with the anodic depolarization of SO₂ in hydrogen by electrolysis of solutions of sulphate acid. Based on thermodynamic analysis set conditions for the implementation of anodic depolarization process with SO₂. Proved part oxygenated radical nature of the particles in the oxidation of SO₂ on the surface of the platinum anode. The effect of the anode material, electrolyte concentration and temperature on the kinetic parameters of oxidation of SO₂. The composition of the active coating of the gas diffusion anode, exhibits high kinetic parameters in a wide range of current densities, and a method of its application were proposed. The durability of anode materials have been tested. The results of kinetic studies confirmed the laboratory cell. The possibility of using sulphur-acid method of producing hydrogen for utilization of SO₂. It was determined that the specific energy consumption was 2.6 ... 3.1 kW ∙ h ∙ nm³ H₂ at a current density of 500 ... 1000 A∙m¯². Conducted pilot tests, which proved the feasibility of the depolarization of the anodic process of SO₂ in sulphur-acid method of producing hydrogen.