Eletrólise da água

Tipos de eletrólise da água

A eletrólise da água é uma reação química que separa a água em hidrogênio e oxigênio usando eletricidade. Existem dois métodos principais para realizar essa reação; a eletrólise alcalina utiliza uma base em vez de um ácido no recipiente do eletrólito, e a eletrólise de membrana de troca protônica utiliza um ácido sólido (como uma membrana de troca protônica) que requer menos manutenção. Ambos os métodos criam gás hidrogênio, que pode ser usado como combustível para carros limpos ou armazenado para uso posterior quando houver mais energia disponível de outras fontes renováveis, como usinas eólicas.

A eletrólise da água produz combustível de hidrogênio que pode ser usado para alimentar veículos com células de combustível e armazenado como combustível para uso posterior quando mais energia estiver disponível de outras fontes renováveis, como usinas eólicas. O hidrogênio criado também pode ser usado em conjunto com reformadores que convertem outros hidrocarbonetos em combustíveis líquidos sintéticos que podem substituir a gasolina. O hidrogênio produzido por meio da eletrólise da água é mais limpo do que os produtos derivados de combustíveis fósseis porque não produz carbono durante a combustão, tornando-o uma forma eficiente de armazenar energia gerada por fontes renováveis que, de outra forma, seriam desperdiçadas. Os dois tipos de eletrólise da água são:

• Eletrólise da Água Alcalina (AWE): Neste tipo, uma solução alcalina líquida contendo hidróxido de potássio (KOH) ou hidróxido de sódio (NaOH) serve como eletrólito e ajuda a conduzir eletricidade entre dois eletrodos - geralmente feitos de níquel - onde a reação ocorre no cátodo (-ve) e ânodo (+ve).
• Eletrólise de Membrana de Troca de Prótons (PEM): Um eletrólito PEM consiste em camadas alternadas de conjuntos de eletrodo de membrana (MEAs) compreendendo membranas de troca de prótons e placas bipolares revestidas com catalisador. Este projeto maximiza as áreas de contato do eletrodo enquanto minimiza os tamanhos das células, permitindo assim pressões e eficiências mais altas.

Funções e características da eletrólise da água

O processo eletrolítico tem muitas aplicações práticas além da geração de hidrogênio. Essas aplicações incluem eletrodeposição e a produção de ácidos e soluções alcalinas para uso industrial. A tabela a seguir resume as várias funções das células eletrolíticas.

• Produção de hidrogênio: A produção de gás hidrogênio é a função mais significativa da eletrólise da água. O gás hidrogênio é coletado em laboratório e pode ser usado como combustível.
• Geração de combustível: Os formuladores de políticas em todo o mundo buscam fontes de energia limpas e renováveis. O hidrogênio, produzido a partir da eletrólise, é uma fonte de energia promissora que pode ser usada em células de combustível para gerar eletricidade. A água é o único subproduto dessa reação, tornando o combustível de hidrogênio uma fonte de energia limpa.
• Extração de metais: A eletrólise é amplamente utilizada para a extração de metais nas indústrias de mineração e metalurgia. Metais preciosos como prata e ouro também podem ser produzidos por meio da eletrólise.
• Tratamento de águas residuais: As indústrias utilizam a eletrólise para o tratamento de águas residuais. Isso ajuda a eliminar contaminantes orgânicos, íons de metais pesados e cloro dos efluentes industriais. A eletrólise também ajuda na desinfecção de águas residuais.
• Revestimento metálico: A eletrodeposição é um processo usado para revestir metais com uma fina camada de outro metal. A eletrólise é principalmente usada para esse fim e tem várias aplicações, incluindo aumento da resistência à corrosão de um metal, aprimorando sua aparência e minimizando o atrito.
• Produção de ácido e álcali: Cloro, soda cáustica e ácido sulfúrico são alguns ácidos e álcalis produzidos por eletrólise. Esses produtos químicos têm usos industriais importantes. O hidróxido de sódio, um dos produtos químicos produzidos, é essencial para a fabricação de sabão e vários detergentes sintéticos.

A eletrólise da água apresenta vários recursos:

• Célula eletrolítica: A eletrólise da água é realizada usando uma célula eletrolítica composta por um ânodo e um cátodo. Quando uma fonte de alimentação CC externa é conectada à célula, a água sofre eletrólise, produzindo gás hidrogênio no cátodo e gás oxigênio no ânodo.
• Catalisadores: A eletrólise requer catalisadores no ânodo e no cátodo para que a reação ocorra. Catalisadores adequados otimizam a reação e diminuem a energia de ativação. Níquel, platina e irídio são comumente usados para fazer esses catalisadores.
• Água pura: Para que a eletrólise ocorra de forma eficiente, é necessária água pura ou desionizada. As impurezas na água podem interferir no processo de eletrólise e formar subprodutos indesejáveis.
• Fonte de alimentação CC: A eletrólise precisa de corrente contínua (CC) para efetuar a mudança química na água. Essa corrente deve ser fornecida continuamente para que a reação ocorra.

A eficiência da produção de hidrogênio depende de vários fatores, incluindo temperatura, densidade de corrente e área de superfície do eletrodo. Avanços recentes na tecnologia de eletrólise reduziram os custos de capital associados à eletrólise da água.

Aplicações da eletrólise da água

A divisão da água (H2O) em hidrogênio e oxigênio por meio da eletrólise tem diversas aplicações. A eletrólise da água é utilizada para produzir combustível de hidrogênio (hidrogênio verde), que é crucial para a transição energética. O hidrogênio produzido por meio da eletrólise da água é usado para alimentar veículos elétricos com células de combustível. Quando o hidrogênio se combina com o oxigênio em células de combustível, ele produz apenas água como subproduto. Portanto, o hidrogênio da eletrólise pode substituir carros a gasolina e diesel por veículos com zero emissões.

Além disso, o hidrogênio produzido a partir da eletrólise da água fornece uma alternativa aos combustíveis fósseis em indústrias como a fabricação de aço e a produção de amônia. As indústrias que dependem fortemente do hidrogênio podem mudar para o uso de hidrogênio da eletrólise da água em vez de gás natural ou outras fontes à base de petróleo. Além disso, o hidrogênio da eletrólise pode gerar energia renovável armazenando o excesso de energia solar e eólica na forma de hidrogênio. Quando a demanda por energia é alta, o hidrogênio pode servir como backup gerando eletricidade por meio de células de combustível ou motores de combustão.

O hidrogênio criado por meio da eletrólise da água fornece uma forma para os países deixarem de usar combustíveis fósseis implementando políticas direcionadas à redução das emissões de carbono em todos os setores da economia que dependem de hidrocarbonetos como principais fontes de energia. Por meio desses métodos, podemos dar passos significativos em direção à criação de um futuro sustentável onde alternativas limpas estão disponíveis.

Além disso, a eletrólise da água ou H2O fornece hidrogênio e oxigênio para aplicações industriais. O oxigênio é usado na fabricação de aço, refino de petróleo e produção de vidro. Também é usado em aplicações médicas, tratamento de águas residuais e aeroespacial. O hidrogênio, por outro lado, é usado para processamento químico, fabricação de eletrônicos e produção de metais.

A eletrólise da água produz gás hidrogênio para armazenamento ou uso como combustível, fornecendo assim uma fonte de energia limpa para diversas aplicações, como aquecimento, cozimento e geração de energia. Quando armazenado, o gás hidrogênio pode ser usado para gerar eletricidade em células de combustível quando a demanda por energia aumenta ou quando a rede falha. O hidrogênio também pode ser usado como propelente em foguetes e outras espaçonaves. Abastecer motores de foguetes com hidrogênio líquido permite que eles alcancem o espaço exterior porque ele tem uma saída de energia muito alta por unidade de peso.

Além disso, o gás hidrogênio criado a partir da divisão da água / eletrólise da água pode ser convertido em diferentes combustíveis líquidos por meio de reações químicas, como gasolina sintética ou diesel, o que ajuda a substituir o uso de combustíveis fósseis no transporte. Os combustíveis líquidos feitos de fontes renováveis ajudarão a descarbonizar carros, caminhões, aviões, navios etc., que funcionam com gasolina ou diesel atualmente.

Como escolher dispositivos de eletrólise da água

Em um sistema de eletrólise da água, a água é dividida em hidrogênio e oxigênio usando uma corrente elétrica. O tipo de sistema que funcionará melhor para uma situação específica depende de quão puro o hidrogênio deve ser, quanta água se separa em hidrogênio e oxigênio e quanto o sistema custa para funcionar e comprar. Em geral, os sistemas que separarão a água em hidrogênio e oxigênio da melhor maneira também são os mais caros.

Para escolher os dispositivos de eletrólise da água para comprar, é muito importante saber que tipo de dispositivo eletrolítico de água é necessário. Esses são alguns dos fatores importantes a serem considerados ao escolher um dispositivo de eletrólise da água;

• Pureza necessária do hidrogênio produzido: Diferentes métodos de produção darão diferentes purezas de hidrogênio. Se o hidrogênio for usado em células de combustível, ele terá que ser muito puro, mas se for usado para aquecer uma caldeira, menos pureza será necessária.
• Taxa de produção de hidrogênio necessária: A quantidade produzida a cada hora ou dia é chamada de taxa de produção. A taxa de produção deve ser correspondente à quantidade que será usada.
• Capacidade de armazenamento de hidrogênio: A quantidade de hidrogênio que pode ser armazenada é chamada de capacidade de armazenamento. A capacidade de armazenamento deve ser correspondente à quantidade de hidrogênio que será necessária.
• Método de produção: Existem diferentes métodos para produzir hidrogênio. Cada método tem seus próprios custos, eficiência e pureza do hidrogênio produzido. As vantagens e desvantagens de cada método devem ser comparadas para escolher o melhor.
• Custo da eletricidade: A eletricidade deve ser paga para produzir hidrogênio. Os custos da eletricidade devem ser calculados para ver quanto custa a eletricidade para cada método de produção. O custo da eletricidade é um custo importante, portanto, é importante comparar os preços e escolher o método mais barato. Isso é chamado de relação preço da eletricidade / custo de produção de hidrogênio.
• Custo do eletrólito: O custo do eletrólito é outra despesa importante. Este é o custo do eletrólito dependendo de sua capacidade de produção e da tecnologia utilizada.
• Vida útil do eletrólito: A vida útil do eletrólito deve ser compreendida para saber com que frequência ele precisará ser substituído.
• Custo de capital: O custo de capital total de um sistema de eletrólito deve ser calculado para determinar o custo total de investimento necessário para implementar o sistema, que é o custo de todos os equipamentos e instalação.

Q & A

P: Quanta eletricidade é necessária para eletrólise da água?

R: A energia necessária para a eletrólise da água depende de vários fatores, como temperatura, pressão e eletrólitos utilizados. Em circunstâncias típicas, cerca de 4,0 a 4,8 quilowatts-hora (kWh) de energia são necessários para produzir um 1 metro cúbico de hidrogênio. Isso significa que, teoricamente, 50 a 80 watts de eletricidade contínua são necessários para 1 litro de produção de hidrogênio.

P: Quais são as aplicações do hidrogênio produzido por meio da eletrólise da água?

R: O hidrogênio produzido por meio da eletrólise da água é usado em várias indústrias, a saber, refino de petróleo, produção de amônia para fertilizantes, produção de plásticos, processos metalúrgicos e processamento de alimentos.

P: O hidrogênio produzido por meio da eletrólise da água é limpo?

R: Se a eletrólise da água usar energia renovável, a produção de hidrogênio é limpa, pois não são produzidos gases de efeito estufa ou emissões de carbono durante o processo. No entanto, a eletricidade para a eletrólise da água pode vir de fontes de combustíveis fósseis, caso em que nenhum dos sistemas de eletrólise produz hidrogênio inerentemente limpo.

P: Qual a diferença entre eletrólise e hidrólise?

R: A hidrólise é a reação da água com um ácido ou uma base para formar íons hidrogênio e íons hidróxido. É uma reação química, enquanto a eletrólise é um processo que usa eletricidade para dividir a água em hidrogênio e oxigênio.