Hversu mikla orku þarf til að rafgreina vetni úr vatni? Við hvaða straum næst besta nýtnin?

Nafn þitt

Netfang þitt

Netfang móttakanda

Ruslpóstvörn =

Svar

Hversu mikla orku þarf til að rafgreina vetni úr vatni? Við hvaða straum næst besta nýtnin?
Við rafgreiningu á vatni er rafstraumi hleypt frá straumgjafa eða spennugjafa gegnum vatn. Þetta má gera með þeim hætti sem sýnt er á meðfylgjandi mynd, þar sem rafleiðslur eru tengdar frá skautum rafhlöðu eða rafhlaða í rafskaut í vatni. Þá leiðir rafstraumur frá skautunum í gegnum vatnið. Afleiðing þessa er sú að sameindir vatnsins (H₂O(l)) rofna og mynda súrefnissameindir (O₂(g)) og vetnissameindir (H₂(g)), hvort tveggja á loftkenndu formi. Súrefnið myndast við rafskautið sem tengt er við (+)-skaut rafhlöðunnar (nefnt katóða) en vetnið við (-)-skautið (anóðuna).

Með því að notast við glerbúnað af því tagi sem sýndur er á meðfylgjandi mynd er unnt að einangra súrefnið efst í rörinu ofan við katóðuna en vetnið í rörinu ofan við anóðuna. Þá kemur í ljós að rúmmál vetnisins er tvöfalt meira en rúmmál súrefnisins sem myndast. Þetta kemur heim og saman við hlutfall frumeindanna í vatnssameindinni (H₂O) sem er H:O = 2:1 og ferli rofnunar sameindanna sem skrifa má með eftirfarandi hætti:

2H₂O(l) -> 2H₂(g) + O₂(g)

Jafnframt er rúmmálshlutfallið dæmi um þá almennu staðreynd að rúmmál kjörgasa við sameiginlegan hita og þrýsting er í beinu hlutfalli við fjölda sameinda í gasinu.

Raforkan sem rafhlöðurnar gefa frá sér nýtist í að rjúfa vatnssameindir og mynda í senn vetnisgas og súrefnisgas. Orkan sem til þarf er háð ýmsu þáttum, svo sem hitastigi, loftþrýstingi, sýrustigi vatnsins og hugsanlegum aukaefnum sem kunna að vera í vatninu. Fyrir rafgreiningu á hreinu og ómenguðu vatni við staðalskilyrði (25°C og 1 bar loftþrýstingur) þarf að lágmarki 1,23 volta rafspennu. Það svarar til orku sem nemur um 13 200 Joule per millilítra af vatni eða sem nemur um 2,7 kílóvattstunda raforkunotkun fyrir hverja þúsund lítra af vetnisgasi sem myndast við staðalskilyrði.

Orkunýting við rafgreiningu á hreinu vatni er þó léleg. Við framleiðslu á vetni sem fram fer í Áburðarverksmiðjunni hér á landi fer rafgreining fram í vatnslausn sem inniheldur basískt efni, kalínhydroxíð (KOH) sem hefur hærra sýrustig en hreint vatn (sjá svar sama höfundar við spurningunni Hvað er sýrustig (pH)?). Við þær aðstæður er þörf á meiri rafspennu, eða sem næst 1,80 voltum og um 4,8 kílóvattstunda raforkunotkun fyrir hverja þúsund lítra af vetnisgasi sem myndast við staðalskilyrði. Erfitt er að tilgreina hver rafstraumurinn er við þær aðstæður því að hann er háður vatnsmagni og gerð rafskauta sem getur verið breytilegt.

Sjá einnig svar sama höfundar við spurningunni Hvers vegna er vetni svona eldfimt?

Heimildir

(1) W.L. Masterton og E.J. Slowinski, Chemical Principles, 4. útg., W.B. Saunders Company, 1977.

(2) Teitur Gunnarsson Áburður og framleiðsla hans, Áburðarverksmiðjan og Landbúnaðarháskólinn á Hvanneyri, 1998....