OBTENCIÓN DE HIDROGENO POR ELECTRÓLISIS DE AGUA DE MAR, CON LA FINALIDAD DE SU USO COMO COMBUSTIBLE O VECTOR ENERGETICO AUTORES: Palacios Espinoza, Jeffers Flores Sánchez, Edgar Días Espinoza, Carlos Galarza Medina, Pablo
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ASESOR: Ing. Aldo Delgado Acevedo
[email protected] Ing. Cesar Quispe Gonzáles
[email protected] E.A.P. INGENIERIA MECANICA DE FLUIDOS, FACULTAD DE CIENCIAS FISICAS, UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS. Av. Venezuela cuadra 34 s/n – Lima Telefono 6197000 anexo 3806 RESUMEN En la siguiente investigación se plantea el análisis de una forma adecuada para el Perú de obtener hidrogeno por medio de la descomposición electrolítica del agua de mar, para su posterior uso como combustible alternativo puesto que el hidrógeno puede ser quemado como cualquier combustible, incluso puede utilizarse como un portador energético, para generar nuevamente energía eléctrica mediante las llamadas celdas de combustible, precisando que en estas el único residuo es vapor de agua. Es así que las grandes potencias mundiales e incluso países muy cercanos al nuestro como Argentina, Brasil y Chile ya están inmiscuidos en el desarrollo de esta tecnología, colocando al hidrogeno como principal alternativa energética. Es por ello que el Perú no debe ser ajeno a estos avances y debería fomentar mecanismos para un desarrollo limpio, que puedan impulsar la autosuficiencia como país productor de su propia energía. ABSTRACT In the following investigation he/she thinks about the analysis in an appropriate way for the Peru of obtaining I hydrogenate by means of the electrolytic decomposition of the seawater, for their later use as alternative fuel since the hydrogen can be burnt as any fuel, it can even be used as an energy payee, to generate electric power again by means of the calls cells of fuel, specifying that in these the only residual is vapor of water. It is so the big world powers and even very near countries to ours as Argentina, Brazil and Chile are already mixed in the development of this technology, placing to the I hydrogenate as main energy alternative. It is for it that the Peru should not be unaware to these advances and it should foment mechanisms for a clean development that you/they can impel the self-sufficiency like country producing of its own energy. INTRODUCCION El uso de combustibles fósiles va trayendo serias consecuencias, no solo por la crisis de reservas y su respectiva alza de precios, sino también por los graves sucesos acontecidos por el calentamiento global. Es por eso que el uso de hidrocarburos se viene replanteando por energías no convencionales, de entre ella el hidrogeno se viene perfilando como principal sucesor, pero se requiere un método eficiente para su obtención, en la mayoría de los casos se obtiene por reformado reformado del gas natural, pero pero estos procesos todavía emanan emanan gases tóxicos al medio ambiente. Otros métodos que se están desarrollando son por gasificación de biomasa y electrólisis, este ultimo es usado en algunos países, los cuales usan la electricidad proveniente de aerogeneradores o paneles solares, lo cual es asequible de acuerdo a la condición climática y geográfica de cada país. El Perú es un país donde los pisos altitudinales marcan diferencias de relieve, clima, suelo, vegetación; además existen factores que hacen que nuestro país presente una gran variedad de climas, como la cordillera de los andes, el anticiclón del pacifico sur, corriente oceánica peruana, corriente de “El niño”, entre otros. Es por estas razones que no se puede hablar de una condición uniforme de trabajo para aerogeneradores o paneles solares, más aun la aplicación de estos dispositivos son limitados a zonas donde presenten las condiciones necesarias para su uso. Analizando esta situación utilizaremos para este caso, la energía eléctrica de la red de distribución y nos centraremos en brindar un aporte mediante el aprovechamiento del agua de mar (sabiendo que es un recurso muy abundante y poco utilizado) como electrolito en la obtención de hidrogeno de alta pureza mediante electrólisis.
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DESARROLLO DEL TRABAJO 1. Análisis fisicoquímico del agua de mar. Como sabemos el agua de los océanos no es pura, sino que contiene en solución una gran variedad de elementos y compuestos químicos llamados sales, en una proporción de 96.5% y 3.5% de estos últimos. Las sales disueltas en el océano están formadas por 10 elementos principales por encontrarse en mayores proporciones: cloro, sodio, magnesio, azufre, calcio, potasio, bromo, estroncio, boro y flúor. •
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El cloro y el sodio son los constituyentes fundamentales del agua de mar y se encuentran en forma de cloruro de sodio que se conoce como sal común. Representa el 80% de las sales en solución. Después del cloro y el sodio, el magnesio es el elemento más abundante en el agua del mar, se encuentra en una relación constante respecto al cloro. Se combina con otros elementos formando cloruro de magnesio, sulfato de magnesio y bromuro de magnesio. El azufre se encuentra en forma de sulfatos, compuestos cuya concentración varia poco, aunque pueden cambiar notablemente sus proporciones en las aguas próximas al litoral debido a la influencia de las aguas fluviales, más ricas en sulfatos que las marinas. La cantidad de calcio que contienen las aguas oceánicas es menor que la de los elementos anteriores y su relación con el cloro permanece relativamente constante. El sexto elemento en abundancia es el potasio, que tiene su relación constante con el cloro. En las zonas litorales la cantidad de potasio puede modificarse al ser asimilado por los vegetales marinos que tapizan el fondo costero. En la cantidad de potasio también intervienen otros factores como: aportes de agua dulce, presencia en el agua del mar de sustancia orgánica en descomposición llamada detritus y formación de compuestos arcillosos.
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El bromo forma bromuros, aunque su proporción es pequeña, se ha logrado extraerlo en cantidades industriales y se utiliza como detonante e los combustibles líquidos. El estroncio es un elemento que se ha encontrado en el agua oceánica pero ha sido poco estudiado, se detecta junto con el calcio por la dificultad técnica para poder separarlo. El boro esta formado de acido bórico y colabora en el equilibrio de los carbohidratos. El flúor constituye fluoruros conociéndose poco sobre su significado en el mar.
Además de estos elementos que se encuentran en mayor proporción y en concentraciones constantes en el agua del mar, existen otros que están disueltos en pequeñas cantidades resultando difícil identificarlos con técnicas sencillas de análisis químicos. 2. Balance energético y volumétrico del proceso electrolítico. Se debe tomar en cuenta las leyes de Faraday: •
Primera Ley de Faraday Faraday:: “La masa de un elemento depositada en un electrodo es proporcional a la cantidad de electricidad que pasa a través de la solución del electrolito o del electrolito fundido”. m = ζ .i.t …………………..(1)
Donde ζ es una constante que depende del catión y se denomina equivalente electroquímico •
Segunda Ley de Faraday Faraday:: “Las masas de elementos que se depositan en los electrodos son proporcionales a los equivalentes químicos”.
Ambas conclusiones en términos matemáticos pueden ser expresadas mediante una sola relación en la forma: n=
i.t e F . …………………….(2)
Donde n es el número de moles depositados en el electrodo, i. t es es la carga total en coulombs que circula por la disolución y F es esa
cantidad de carga denominada faraday, que equivale a la carga eléctrica de un mol de electrones, es decir: 1 faraday = NA e- = 96500 C Finalmente e representa, en la fórmula, el número de cargas del Ion en cuestión. Para tener una alta producción de hidrogeno, también hay que tomar en cuenta que la electrolisis cumple con la ley de Ohm. Los amperes determinan la cantidad de hidrogeno en gramos producido, el cual se calcula con la ley de Faraday. La electrolisis se comporta como una resistencia en un circuito eléctrico y esta misma esta dada por tres cosas: a) El diámetro (y comunicación) de los electrodos. b) La distancia distancia entre electrodos. electrodos. c) La fuerza y concentración del acido o base utilizada. La hidrólisis del agua depende de la ley de Ohm, donde la cantidad de Volt, puede ser muy alta pero lo que determina la máxima eficiencia de producción de hidrogeno, es el aumento de electrones que pasan de un electrón a otro.
MATERIALES
INSTRUMENTOS / EQUIPOS Ánodo: grafito Termómetro Termómetro Cátodo: fierro fundido Ph meter con níquel. Material sellante: Fuente de poder 24 amp. silicona y poxilina. 27 volt Mangueras Balanza digital Probetas Multi tester Buretas Recipientes Plásticos Muestra de agua de mar: 1litro Tabla 1. Materiales para la electrolisis.
El proceso consiste en aplicar una corriente continua en una solución acuosa (agua de mar) mediante dos electrodos, ocasionando reacciones de oxido reducción, que permiten obtener hidrogeno gaseoso (el cual será captado por una bureta y luego transportada al recipiente en el cual se almacenara) y sales precipitadas en el cátodo, cloro gaseoso (igual que en el caso del hidrogeno, se captara con una bureta y se transportara a su respectivo recipiente) en el ánodo, e hipocloritos en solución residual.
3. Selección de los electrodos. Una vez conocidos los componentes del agua de mar y los parámetros del balance energético, se procederá a una selección adecuada de los electrodos: •
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El material mas adecuado encontrado en este estudio para actuar como cátodo es el fierro fundido con níquel, puesto que es un buen conductor eléctrico, es inerte a la reacción electrolítica de la solución y no cambia sus propiedades a lo largo del proceso. El material mas adecuado para actuar como ánodo es el grafito, puesto que no se oxida, libera perfectamente el cloro, es buen conductor de electricidad y no presenta mayores variaciones en su estructura.
4. Electrólisis. Para el la electrolisis se utilizaron los siguientes materiales:
Figura 1. Esquema del proceso de electrolisis.
En general la conductividad eléctrica de las soluciones se debe a la disociación electrolítica; es decir que los iones son los portadores de la electricidad en el seno de la solución. Al aplicar una diferencia de potencial entre los electrodos, los aniones y los cationes se mueven en sentidos opuestos y a velocidades características, transportando fracciones diferentes de la intensidad de corriente total que circula por la solución. Como se sabe para hacer conductora el agua es necesario añadirle alguna sustancia iónica, las mas comunes son el acido sulfúrico y el hidróxido de sodio. Sales que en nuestro caso serán suplidas por el agua de mar que presenta una variedad de ellas.
5. Análisis y aplicación del hidrogeno y subproductos obtenidos. Los métodos actuales para producir hidrogeno, tales como el reformado, se apoyan en el uso del gas natural y otros hidrocarburos, estando este impactado por los asuntos de emisiones del anhídrido carbónico y el incremento de los precios del petróleo. Soluciones alternativas como la electrolisis a través del agua del mar, que presentamos en este proyecto, podría convertirse en una solución dado que se obtiene hidrogeno y productos que podrían ser utilizados en la industria. Carbón 18%
eléctrica y vapor de agua. Las pilas también conocidas como celdas de combustible, son un dispositivo que ya vienen siendo utilizadas para mover vehículos y que es mucho menos contaminante que los motores de combustión.
electrólisis 4% petróleo 30%
Gas natural
Figura 3. Principio de funcionamiento de una pila de combustible alimentada con hidrogeno y oxigeno.
48%
Figura 2. Producción actual de hidrogeno •
El hidrogeno es un combustible limpio cuando se quema con aire y produce emisiones no contaminantes, excepto para algunas relaciones H2/aire donde la temperatura elevada de la llama produce concentraciones significativas de NOx en la combustión. Las emisiones en los gases de escape de los motores, tales como hidrocarburos no quemados (HC), monóxido de carbono (CO) y óxidos de nitrógeno (NOx) son las responsables de problemas de contaminación contaminación localizados. El uso del hidrogeno nos va permitir aprovechar una energía limpia. No libera partículas que causan asma y enfermedad pulmonar, ni emiten gases de efecto invernadero. No contamina monumentos históricos y culturales con hollín. No contamina las aguas freáticas ni se adhiere a la ropa o al interior de los automóviles1. Para tener una idea de la magnitud del problema basta examinar el crecimiento experimentado por el parque automovilístico mundial. Así, mientras la población humana se ha duplicado desde 1950, el número de automóviles se ha multiplicado por siete. Además de la combustión directa, muy recientemente se ha empezado a desarrollar una tecnología basada en pilas de combustibles en las que se transforma la energía química, almacenada en el enlace H-H de la molécula H2, en energía
El proceso se esquematiza de la siguiente manera:
Figura 4. Esquema de la reacción en una pila de combustible.
Las pilas de combustible están constituidas por un conjunto de celdas apiladas, cada una de las cuales posee un ánodo o electrodo negativo y un cátodo o electrodo positivo, separados por un electrolito que facilita la transferencia iónica entre los electrodos. Cada una de las sustancias que participan en la reacción es alimentada a un electrodo distinto. Así, el combustible, generalmente rico en hidrógeno, es alimentado de forma continua al ánodo, y el oxidante, normalmente el oxígeno del aire, al cátodo. Allí los reactivos se transforman electroquímicamente, de acuerdo con las semireacciones: Ánodo: Cátodo:
Reacción global: Figura 5. Semireacciones en la pila de combustible.
Se genera de esta forma una corriente eléctrica entre ambos electrodos que, a diferencia de lo que ocurre en una pila o
batería convencional, no se agota con el tiempo de funcionamiento, sino que se prolonga mientras continúe el suministro de los reactivos. Aparte de las aplicaciones del hidrogeno como combustible, también se puede utilizar en la refinación del petróleo, síntesis del amoniaco, síntesis del metanol, manufactura de productos químicos orgánicos, refrigerante en alternadores, para soldar bajo el agua, como reductor en la obtención de metalurgia en plomo, reducir aceites en grasas, en la hidrogenación catalítica de aceites vegetales, líquidos insaturados para obtener grasas sólidas. •
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El cloro, al licuarlo se postula utilizarlo como agente de blanqueo y desinfectante en las industrias papelera, textil y química. Las sales de magnesio y sodio, pueden ser utilizadas también en la industria química. El hipoclorito de sodio, formada en la descomposición del agua y del cloruro de sodio presentes en el agua de mar por el paso de la corriente eléctrica queda en solución. Su utilización se da como agente desinfectante y antibacteriano. El acido clorhídrico, pudiera ser obtenido por la absorción de los gases cloro e hidrogeno en una torre de absorción utilizando agua blanda en contracorriente (el agua blanda puede ser obtenida por un atrapa nieblas), su utilización es en industrias químicas y para limpieza de baños (como acido muriático). muriático).
RESULTADOS Y DISCUSIONES Analizando los resultados es posible obtener hidrogeno, cloro, hipoclorito de sodio y sales, ya que el análisis cualitativo así lo demuestra (ver Tabla 1).
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El consumo de corriente varia según el área del electrodo, la distancia entre ellos y los electrolitos presentes en la solución. En este caso se consideraron electrodos de 49.5cm2 y se mantuvieron separados una distancia de 5cm.
PRODUCTOS
SUBPRODUCTOS
(g./litro de agua de mar)
(40g./litro de agua de mar)
Hidrogeno 1.347
Sales de magnesio Sales de sodio Hipoclorito de sodio Acido clorhídrico
Cloro 7.916
Tabla 2. Productos y subproductos obtenidos en la electrolisis con agua de mar.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Debido a la alta concentración de cloruro de sodio en el agua de mar (y de otras sales), el uso de esta como electrolito ha sido eficiente para obtener hidrogeno de alta pureza y subproductos que pueden ser utilizados en la industria. •
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Analizando las reacciones que ocurren en la electrólisis del agua de mar, puede verse que parte del cloro formado reacciona con el cloruro de sodio en el agua, para formar hipoclorito de sodio y no hay formación de oxigeno como ocurre con el agua pura. La distancia de los electrodos es determinante en la producción de hidrógeno y cloro, observando que mientras mas distante se encuentren menos serán los productos. Se debe mantener una distancia de electrodos constante, en nuestro caso igual a 5cm.
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En la electrolisis del agua de mar, se observó que parte del cloro formado reacciona con el cloruro de sodio del agua, para formar hipoclorito de sodio y no hay formación de oxigeno como ocurre con el agua pura. El consumo de corriente en el proceso fue de 0.143KWh, teniendo en cuenta que el precio unitario es de 0.3043 S/. /KWh (EDELNOR agosto 2007) lo cual nos dio un gasto de S/.0.0457 en energía eléctrica.
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Se debe controlar el paso de corriente por los electrodos. Al utilizar al agua de mar como electrólito, efectivamente hemos obtenido hidrógeno y cloro en estado gaseoso, este último tendrá que ser licuado para que no reaccione con los gases presentes en la atmósfera. Se debe procurar almacenar los gases recubriendo primero a los electrodos con buretas y teniendo un cuidado especial con las uniones de estos y los recipientes en los cuales se van almacenar. La reacción de los electrodos con el agua de mar debe ocurrir solamente dentro de
las buretas, para que se almacene la mayor cantidad posible de estos gases. Para esto se deberá aislar el cable que conecta al electrodo respectivo con la fuente de poder. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Dassler, Adolf. Electroquímica: tomo I. México: Unión Tipográfica Editorial Hispano-Americana (UTEHA); 1962. Russel, John. Química General. Colombia: Mc Graw Hill; 1985. Shevre R. Fabricación electrolítica de la soda cáustica y del cloro. Industria de Procesos Químicos; 1954. •
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Aprea, José Luís. Hidrogeno por Electrolisis. Revista Hidrogeno. Boletín oficial de la Asociación de Hidrogeno [revista virtual] 2006 Julio. [fecha de acceso 26 de mayo de 2007] En: http://www.aah2.org.ar http://www.fisicanet.com.ar/ http://www.fisicanet.com.ar/ http://www.energiasostenible.net/ http://www.energiasostenible.net/ http://www.ariema.com/foro/_disc7/00000 145.htm http://www.lenntech.com/espanol/Desinfe ccion-del-agua/desinfectantes-cloro.htm http://www.mcgraw-hill.es
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ANEXOS Temperatura de autoignición
858 K
Mínima energía para la ignición
0.02 mJ
Límites de inflamabilidad en el aire
4.1 – 75 (vol. %)
Límites de detonabilidad en el aire
18.3 – 59 (vol. %)
Temperatura de la llama
2318 K
Velocidad de detonación
1.48 – 2.15 km/s
Sobrepresión de la detonación
1470 kPa
Calor de combustión inferior
120 kJ/g
Calor de combustión superior
142 kJ/g
Velocidad de combustión a NTP
265 – 325 cm/s
Porcentaje de energía térmica radiada
≈ 21 %
Flujo de calor emitido
1.53 x 10-2 kJ/cm²·s
Energía de explosión
2 kg TNT/m³
Velocidad ascensional NTP
1.2 – 9 cm/s
Velocidad de difusión en el aire a NTP
≈ 2 cm/s
Coeficiente de difusión a NTP
0.61 cm²/s
Composición estequiométrica a NTP
29.53 vol. %
Limitación de oxígeno
5 vol.%
Viscosidad del gas a NTP
8.9 x 10-5 g/cm·s
Quenching gap a NTP
0.06 cm
Densidad del gas
0.0838 kg/m³
Peso Molecular
2.02 g/mol
Punto de ebullición
20.3 K
Toxicidad
No es tóxico
Tabla 3. Propiedades del hidrogeno gaseoso.
Tabla 4. Propiedades del gas natural.
CARACTERISTICA
DESCRIPCIÓN
Densidad Densidad respecto al aire
Es el más ligero de los elementos. El hidrógeno gaseoso a temperatura ambiente tiene mucha menos densidad que el aire. Aunque el trasporte de gas por difusión, es mucho menor que el debido a la diferencia de densidad con el aire, el hidrógeno se difunde en el aire mucho más deprisa que otros gases combustibles. El hidrógeno como el metano y propano es incoloro, inodoro e insípido y no tóxico. El hidrógeno es inflamable en el aire en un amplio rango de concentraciones y arde, en ausencia de impurezas, con una llama casi invisible. El hidrógeno puede entrar en ignición con una cantidad de energía muy pequeña El hidrógeno puede detonar en un rango de concentración bastante amplio cuando este confinado, pero es muy difícil que detone en espacios abiertos. El hidrógeno hidrógeno para concentraciones medias, tiene una velocidad de llama mayor que otros combustibles. El hidrógeno tiene mayor temperatura de ignición que los combustibles comunes.
Difusión
Color, olor, gusto y toxicidad Inflamabilidad y características de la llama Energía de ignición Límites de detonación
Velocidad de la llama Temperatura de ignición
Tabla 5. Comparación de las características del hidrogeno con otros gases y combustibles.
Hidrógeno Petróleo crudo Diesel oil Nafta Metanol Metano Gas natural (82-93 % CH4) Propano Butano
Volumen 3,00 kWh/Nm_ 1 toe/t 10 kWh/litro 8,8 kWh/litro 4,44 kWh/litro 9,97 kWh/Nm_ 8,8 - 10,4 kWh/Nm_ 25,89 kWh/Nm_ 34,39 kWh/Nm_
Peso 33,33 kWh/kg 11,6 kWh/kg 11,9 kWh/kg 12,0 kWh/kg 5,47 kWh/kg 13,9 kWh/kg 10,6 - 13,1 kWh/kg 12,88 kWh/kg 12,7 kWh/kg
Tabla 6. Comparación del poder calorífico inferior del hidrogeno con distintos combustibles.
Tabla 7. Tipos de pilas de combustible.
