CC BY
33
УДК 621.9.047/.048
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЩЕЛОЧНОГО ЭЛЕКТРОЛИТА
М. Б. Лещинский, Г. И. Лещинская, В. Р. Загацкий, Т. Р. Никулин STUDY OF ELECTROCHEMICAL PROPERTIES OF ALKALINE ELECTROLYTE M. B. Leschinsky, G. I. Leschinskaya, V. R. Zagatsky, T. R. Nikulin
В ходе проведения исследований по разработке мобильного электролизно-водного генератора (ЭВГ) была поставлена задача по выбору и оптимизации режимов его работы [1, 2]. Для достижения поставленной цели необходимо было изучить электрохимические свойства щелочного электролита, в связи с чем проанализированы используемые методики исследования аналогичных щелочных электролитов [3]. Важнейшим свойством, влияющим на характеристики процесса электролиза, служит проводимость рабочей среды, поэтому был выбран метод определения сопротивления (величины, обратной проводимости) электролита, находящегося между электродами. Измерялось падение напряжения на них при пропускании через ячейку стабильного по величине тока, рассчитывалась проводимость. При этом исследовались факторы, влияющие на проводимость: концентрация раствора щелочи, его температура [4]. В ходе первичных испытаний выявлен недостаток метода, а именно: сохранение заряда у измерительной ячейки, что вносило погрешность в результаты измерений. С целью устранения этой проблемы было принято использовать для питания ячейки импульсы тока переменной полярности, а также предложена конструкция термостата на основе элемента Пельтье для регулирования температуры электролита [5, 6]. В результате проведенных экспериментов проанализированы и получены данные по влиянию концентрации и температуры электролита на его проводимость, построены графики зависимости проводимости электролита от концентрации и температуры, выбраны оптимальные диапазон температур и концентрация щелочного электролита для использования в мобильном электролизно-водном генераторе.
электролизно-водный генератор, электролиз, электролит, проводимость электролита
In the course of researching a mobile water electrolytic generator (WEG), a task was set to select and optimize modes of operation of the WEG. To achieve this goal, it was necessary to research electrochemical properties of the alkaline electrolyte. The methods used to study similar alkaline electrolytes were analyzed. The most important property affecting the characteristics of the electrolysis process is conductivity of the working medium. Therefore, a method was chosen for determining the resistance (magnitude, back conductance) of the electrolyte located between the electrodes. The voltage drop across them was measured by passing a stable current through the cell, and the conductivity was calculated. At the same time, the factors influencing
the conductivity, namely the concentration of the alkali solution, and its temperature were studied. In the course of the initial tests, the drawbacks of the method were identified, namely the preservation of the charge in the measuring cell, which introduced an error in the measurement results. To solve this problem, a decision was taken to use current pulses of variable polarity to supply the cell. Also, a thermostat design based on the Peltier element was proposed to control the temperature of the electrolyte. As a result of the conducted experiments, the data on the influence of the concentration and temperature of the electrolyte on its conductivity were obtained and analyzed. Plots of the dependence of the electrolyte conductivity on the concentration and temperature are constructed. The optimal range of temperatures and concentrations of alkaline electrolyte to be used in the mobile electrolysis and water generator were chosen.
water electrolytic generator, electrolysis, electrolyte, conductivity of electrolyte
ВВЕДЕНИЕ
Одним из важных компонентов эффективной работы электролизно-вод-ного генератора являются электрохимические свойства электролита.
В зависимости от используемой плотности раствора щелочи изменяется производительность процесса электролиза. В соответствии с вышеизложенным необходимо измерить оптимальное процентное содержание щелочи в растворе электролита.
В процессе работы электролизно-водного генератора в широком диапазоне меняется температура электролита, поэтому необходимо также исследовать электрохимические свойства последнего при различных температурах для проведения оптимизации режимов работы, повышения эффективности ЭВГ.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Первоначально планировалось определять сопротивление (величина, обратная проводимости) электролита, находящегося между электродами, по напряжению на них при пропускании через ячейку стабильного по величине тока. В таком случае напряжение прямо пропорционально сопротивлению. При этом ток должен быть достаточно мал, чтобы не допустить образования на электродах пузырьков газа, которые уменьшают площадь контакта между электродами и электролитом [3].
Однако первые же эксперименты показали, что такая измерительная ячейка обладает всеми свойствами конденсатора, т. е. она постепенно приобретает заряд, который, в свою очередь, ограничивает протекающий через неё ток.
Выход был найден в использовании для питания ячейки импульсов тока переменной полярности, причём между импульсами ячейка должна быть замкнута накоротко для снятия заряда, приобретённого ею от предыдущего импульса.
В таком случае измеряется комплексное сопротивление, имеющее активную и реактивную составляющие. В связи с этим встал вопрос об оптимальной частоте следования питающих импульсов. Эксперименты показали, что при частотах до 100 Гц сопротивление электролита в зависимости от концентрации щёлочи в растворе и его температуры меняется очень мало, затрудняя измерения и
снижая их точность. С другой стороны, при частотах от 800 Гц и выше существенно увеличивается реактивная составляющая комплексного сопротивления, что приводит к значительным искажениям результатов измерений. В результате по итогам предварительных экспериментов оптимальной оказалась частота следования импульсов 400 - 500 Гц [5].
Практическая реализация
Для решения задачи было разработано и изготовлено устройство, схема которого представлена на рис. 1.
1 - 2
Рис. 1. Схема электрическая функциональная для измерения проводимости электролита: 1 - генератор импульсов; 2 - счетчик Джонсона; 3 - дифференциальный усилитель; 4 - бустер выходного тока; 5 - электролизер; 6 - термостат;
7 - милливольтметр; 8 - осциллограф Fig. 1. Electrical functional diagram for measuring conductivity of electrolyte: 1 - pulse generator; 2 - Jones counter; 3 - differential amplifier; 4 - output current booster;
5 - electrolyser; 6 - thermostat; 7 - millivoltmeter; 8 - oscilloscope
Устройство состоит из задающего генератора (рис. 2), собранного на ИМС NE555, вырабатывающего короткие импульсы с частотой следования около 3 кГц, счетчика Джонсона - на ИМС К561ИЕ8, делящего частоту на шесть отрезков и формирующего на разных выходах одинаковые, но сдвинутые по фазе импульсы, и дифференциального усилителя на микросхеме К140УД17А. Усилитель с одного выхода счётчика Джонсона только увеличивает амплитуду импульсов, с другого -ещё и инвертирует их. В итоге мы получаем требуемую для исследования последовательность разнополярных импульсов. Поскольку выходное сопротивление дифференциального усилителя высоко, вследствие чего он не в состоянии обеспечить требующиеся величины токов, после него установлен транзисторный буферный каскад [6].
Рис. 2. Схема электрическая принципиальная генератора испытательного сигнала Fig. 2. Schematic diagram of the electric generator of the test signal
Для исследования электрохимических свойств электролита при разных температурах был разработан и изготовлен специальный термостат (рис. 3).
Рис. 3. Термостат Fig. 3. Thermostat
Его работа основана на использовании элемента Пельтье, позволяющего как подводить тепло к объекту, так и отводить его. Благодаря этому разработанный термостат позволяет простыми средствами достигать температур ниже температуры окружающей среды.
Основной узел термостата - два теплообменника (радиатора), между которыми элемент Пельтье и находится. При этом нижний теплообменник снабжён вентилятором для отвода лишнего тепла при охлаждении жидкости, находящейся в калориметре, и для забора тепла из окружающего воздуха при её нагреве. Верхний теплообменник перенаправляет тепло между элементом Пельтье и калориметром. Внутрь этого теплообменника установлен датчик температуры.
Электронная схема отслеживает разницу между температурой верхнего теплообменника и температурой, заданной регулятором. Когда температура верхнего теплообменника ниже заданной, элемент Пельтье передаёт ему тепло от нижнего теплообменника, в противном случае - перенаправляет его в нижний теплообменник. При такой схеме заданная температура достигается быстрее и поддерживается стабильнее.
Калориметр представляет собой тонкостенную ёмкость (250 мл), изготовленную из нержавеющей стали и обёрнутую в два слоя аллюминированной теплоизоляционной плёнки из вспененного полиэтилена. Сверху калориметр закрыт крышкой из того же материала, снизу между ним и верхним теплообменником находится тонкий слой теплопроводной пасты.
Внутрь калориметра во время исследования наливается электролит заданной концентрации, в который помещаются измерительная ячейка и контрольный термометр.
Методика проведения исследований
Установка для проведения исследований собирается в соответствии с функциональной схемой, представленной на рис. 1.
В калориметр наливается электролит исследуемой концентрации, в который погружается измерительная ячейка, механически связанная с термометром так, чтобы его накопительная колба находилась на одном уровне с её электродами.
После включения термостата необходимо установить регулятором требуемую температуру и дождаться, когда показания термометра прекратят изменяться, что может потребовать времени (до нескольких минут в зависимости от разницы между реальной и заданной температурами).
После регистрации показаний (температуры и напряжения) устанавливается другая температура и процесс повторяется.
По окончании эксперимента с электролитом одной плотности его удаляют из калориметра. Сам калориметр и измерительную ячейку необходимо промыть дистиллированной водой во избежание изменения концентрации электролита, который будет исследоваться следующим.
На основе полученных данных были построены графики зависимостей проводимости электролита от его концентрации и температуры.
U, мВ
600
14 24 34 44 54 64 74 84 94 Т'°С
Рис. 4. Зависимость проводимости электролита от его температуры Fig. 4. Dependence of electrolytic conductance on its temperature
U,MB
500
450
400
350
300
15%
Рис. 5. Зависимость проводимости электролита от его концентрации Fig. 5. Dependence of electrolytic conductance on its concentration
200С
300С
400С
500С
25%
35%
45% 55%
концентрация электролита, %
На рис. 5 видно, что с увеличением температуры электролита уменьшается его проводимость. Поэтому для оптимальной работы ЭВГ рабочая температура регламентируется комплектующими электролизера в диапазоне 20-400С.
Учитывая, что комплексное сопротивление электролита обратно пропорционально КПД проводимого электролиза, оптимальной плотностью раствора щелочи является 35 %.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Разработано устройство для исследования электрохимических свойств щелочного электролита.
2. После анализа полученных данных выбрана оптимальная концентрация раствора щелочи в электролите, равная 35%.
3. Оптимальным температурным режимом работы ЭВГ является диапазон 20-40 0С.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Корж, В. Н. Обработка металлов водородно-кислородным пламенем / В. Н. Корж, Ю. С. Попиль. - Киев: Екотехнология, 2010. - 194 с.
2. Патент на полезную модель РФ №152029, B23K5/22 B23K7/10 C25B 1/02. Устройство для газопламенных работ / М. Б. Лещинский, В. Р. Загацкий. -Опубликовано в бюл. «Патенты и полезные модели». - № 12, 2015.
3. Потапов, В. Н. Органическая химия: пособие для учителей / В. Н. Потапов. - Москва: Просвещение, 1976. - 367 с.
4. Якименко, Л. М. Электролиз воды / Л. М. Якименко, И. Д. Модылевская, З. А. Ткачек. - Москва: Химия, 1970. - 264 с.
5. Платэ, Н. А. Основы химии и технологии манометров: учеб. пособие / Н. А. Платэ, Е. В. Сливинский. - Москва: Наука: МАИК Наука / Интерпериодика, 2002. - 696 с.
6. Фолкенберри, Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС: пер. с англ. Л. М. Наймаркап, М. В. Гальперина / Л. Фолкенберри. - Москва: Мир, 1985.
REFERENCES
1. Korzh V. N. Popil' Ju. S. Obrabotka metallov vodorodno-kislorodnym plamenem [Metal treatment with hydrogen-oxygen flame]. Kiev, Ekotehnologija, 2010, 194 p.
2. Leshhinskij M. B., Zagackij V. R. Patent na poleznuju model' RF № 152029, B23K5/22 B23K7/10 C25B 1/02. Ustrojstvo dlja gazoplamennyh rabot. [Device for gas-flame works]. Opublikovano v bjul. «Patenty i poleznye modeli", no. 12, 2015.
3. Potapov V. N. Organicheskaja himija [Organic chemistry]. Moscow, Pros-veshhenie, 1976, 367 p.
4. Jakimenko L. M., Tkachek Z. A. Jelektroliz vody [Water electrolysis]. Moscow, Himija, 1970, 264 p.
5. Platje N. A. Slivinskij E. V. Osnovy himii i tehnologii manometrov [Basics of chemistry and technology of manometers]. Moscow, Nauka, MAIK, Nauka Interperiodika, 2002, 696 p.
6. Folkenberri L. Primenenija operacionnyh usilitelej i linejnyh IS [Applications of operational amplifiers and linear ICs]. Moscow, Mir, 1985.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Лещинский Марк Борисович - Калининградский государственный технический университет; кандидат технических наук, доцент; зав. кафедрой «Автоматизированное машиностроение»; E-mail: mark.leschinsky@klgtu.ru
Leschinsky Mark Borisovich - Kaliningrad State Technical University; PhD in Engineering, Associate Professor; Head of the Department of Automated Machine Building; E-mail: mark.leschinsky@klgtu.ru
Лещинская Галина Иосифовна - Калининградский государственный технический университет; кандидат технических наук, доцент кафедры «Высшая математика»
Leschinskaya Galina Iosifovna - Kaliningrad State Technical University; PhD in Engineering, Associate Professor at the Department of Higher Mathematics
Загацкий Владимир Рувимович - Калининградский государственный технический университет; кандидат технических наук, доцент кафедры «Кораблестроение»;
E-mail: zagazc@mail.ru
Zagatsky Vladimir Ruvimovich - Kaliningrad State Technical University; PhD in Engineering, Associate Professor at the Department of Shipbuilding;
E-mail: zagazc@mail.ru
Никулин Тимофей Русланович - Калининградский государственный технический университет; аспирант кафедры «Автоматизированное машиностроение»;
E-mail: nikulintr@gmail.com
Nikulin Timofei Ruslanovich - Kaliningrad State Technical University; PhD student at the Department of Automated Machine Building; E-mail: nikulintr@gmail.com
