Procesos Electroquimicos

Universidad Nacional de Jujuy Facultad de Ingeniera

Catedra de Fisicoqumica Profesor Luis Miranda Garca

Procesos ElectroqumicosObtencin por Electrolisis de Hidrogeno

CRUZ Mariano Emmanuel 15 de Agosto del 2012

Procesos Electroqumicos

CRUZ MARIANO EMMANUEL


ResumenEn el siguiente trabajo va a abordarse el tema de la electroqumica, expresando sus aspectos fundamentales, centrndose en el proceso de Electrolisis. Se estudiara los fundamentos de la electrolisis (Leyes de Faraday) y el comportamiento de la misma en la prctica, destacando algunas aplicaciones de esta en la industria y en particular en el estudio de la obtencin de Hidrgeno de alta pureza por Hidrlisis alcalina del agua. Tambin se enunciaran otros mtodos de obtencin de Hidrgeno y se har una comparacin entre los mismos. Se enunciaran algunas aplicaciones prcticas del Hidrgeno obtenido, tales como el programa espacial, el uso de celdas de combustibles, el uso como combustible y algunas aplicaciones potenciales del mismo.

CRUZ MARIANO EMMANUEL


ContenidoObjetivos Introduccin Desarrollo Sistemas Electroqumicos Pilas Galvnicas Diagramas de pilas y convenios IUPAC Procesos Electroqumicos Aplicaciones de la Electrolisis Obtencin de Hidrogeno por Electrolisis Mtodos de Produccin de Hidrogeno Sistemas industriales Convencionales Los principios de la electrolisis del agua Aplicaciones del Hidrogeno Conclusin Tcnica Conclusin Personal Seguridad Bibliografa 1 1 2 2 2 3 4 5 6 7 8 9 11 13 14 15 17

CRUZ Mariano Emmanuel

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Objetivos Estudiar los fundamentos y aplicaciones de la electroqumica. Realizar el estudio del proceso de Electrolisis. Estudiar la obtencin Industrial de Hidrgeno mediante Electrolisis Alcalina del agua

IntroduccinElectroqumica, es una parte de la qumica que trata de la relacin entre las corrientes elctricas y las reacciones qumicas, y de la conversin de la energa qumica en elctrica y viceversa. En un sentido ms amplio, la electroqumica es el estudio de las reacciones qumicas que producen efectos elctricos y de los fenmenos qumicos causados por la accin de las corrientes o voltajes. Una de las aplicaciones ms importantes de la electroqumica es el aprovechamiento de la energa producida en las reacciones qumicas mediante su utilizacin como energa elctrica, proceso que se lleva a cabo en las bateras. Dentro de stas se encuentran las pilas primarias y los acumuladores o pilas secundarias. Esto nos lleva al proceso de electrolisis que tiene lugar cuando se aplica una diferencia de potencial entre 2 electrodos producindose una reaccin xido-reduccin, esta ltima consiste en reacciones de transferencia de electrones, en donde una sustancia se oxida cuando los pierde y se reduce cuando los gana, ambos procesos son dependientes y simultneos


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DesarrolloSistemas ElectroqumicosCuando un sistema contiene especies cargadas y al menos una de ellas no puede penetrar en todas las fases del sistema, algunas de estas fases pueden cargarse elctricamente. Supngase por ejemplo, que una membrana permeable a los iones K+ pero no a los iones Cl- separa una disolucin de KCl de una de agua pura. La difusin de los iones K+ a travs de la membrana producir cargas netas en cada fase y una diferencia de potencial entre ellas. La carga neta de un protn es p+=1,60218x10-19 C. La carga por mol de protones es NA p+ (donde NA es el nmero de Avogadro) y se denomina constante de Faraday F. Teniendo en cuenta que NA = 6,02214x1023 mol-1 tenemos

La carga de una partcula de la especie i es zip+ donde zi es el nmero de carga zi de la especie e i es un numero entero. Cuando dos fases diferentes conductoras de electricidad se ponen en contacto, generalmente se establece entre ellas una diferencia de potencial elctrico como resultado de transferencia de cargas entre las fases y una distribucin no uniforme de iones, orientacin de las molculas con momentos bipolares y distorsiones de la distribucin de carga de las molculas prximas a la interface. Definimos un sistema electroqumico como un sistema heterogneo en que hay una diferencia de potencial elctrico entre dos o ms fases

Pilas GalvnicasLa Fuerza Electromotriz (fem) de una fuente de fem se define como la diferencia de potencial entre sus terminales cuando la resistencia R del circuito conectado a los terminales tiene al infinito (y por lo tanto la corriente tiende a cero). La fem es, la diferencia de potencial entre dos terminales con el circuito abierto. Un tipo de fuente de fem son las pilas galvnicas. Es un sistema electroqumico multifasico en el que la diferencia de potencial en las interfaces origina una diferencia de potencial neta entre los terminales. Las diferencias de potencial entre las fases resultan de la transferencia de especies qumicas entre ellas y una pila galvnica transforma la energa qumica en energa elctrica. Las fases de una pila galvnica deben ser conductores elctricos; de otro modo, no podra fluir una corriente continua. La corriente en la fase que es impermeable a los electrones debe ser transportada por iones. Normalmente, el conductor inico de una pila galvnica es una solucin electroltica. Otras posibilidades son una sal fundida y una sal solida a una temperatura lo suficientemente alta para permitir que los iones se muevan a travs del solido a una velocidad conveniente. Resumiendo, una pila galvnica tiene los terminales hechos del mismo metal, todas sus fases son conductores elctricos, tiene al menos una fase que es un conductor inico (pero no conductor electrnico) y permite que la carga elctrica se transfiera fcilmente entre las fases.


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La pila Daniell: Un ejemplo de pila galvnica es la pila Daniell, que se utiliz en los primeros das del telgrafo. En esta pila, una pared cermica porosa separa un compartimento que contiene una varilla de Zn en una disolucin de ZnSO4 de otro compartimento en el que hay una varilla de Cu en una disolucin de CuSO4 Los electrodos de Cu y Zn estn conectados a los cables de Cu, que son los terminales. La pared porosa evita la mezcla en grandes proporciones de las disoluciones debidas a las corrientes de conveccin, pero permite que los iones pasen de una disolucin a otra.

Pilas electrolticas: En una pila galvnica, una reaccin qumica produce un flujo de corriente elctrica; la energa qumica se convierte en energa elctrica. En una pila electroltica, un flujo de corriente produce una reaccin qumica; la energa elctrica de una fuente externa se convierte en energa qumica. Se utilizan las mismas definiciones de nodo y ctodo para las pilas electrolticas y pilas galvnicas. Por lo tanto, el ctodo es el electrodo negativo. En una pila galvnica, el ctodo es el electrodo positivo. Por ejemplo, los elementos Al, Na y F2 se preparan comercialmente por electrlisis de Al2O3 fundido, NaCI fundido y HF lquido. La electrlisis se utiliza tambin para depositar un metal sobre otro. El trmino pila electroqumica se refiere tanto a una pila galvnica como a una pila electroltica.

Diagramas de pilas y convenios IUPACUna pila galvnica se representa mediante un diagrama en el que se utilizan los siguientes convenios. Una lnea vertical indica una frontera entre fases. La frontera entre dos lquidos miscibles se indica mediante una lnea vertical discontinua o de puntos. Dos especies presentes en la misma fase se separan por una coma. El diagrama de la pila Daniell es Zn / ZnSO4(ac) // CuSO4(ac) / Cu Puede completarse el diagrama indicando las molalidades de ZnSO4 y CuSO4


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Para definir la fem y la reaccin de la pila en un diagrama dado se utilizan los siguientes convenios IUPAC: (A) La fem de la pila se define como:

Donde y son los potenciales elctricos de los terminales a la derecha e izquierda del diagrama de la pila en circuito abierto. Derecha e izquierda no tienen nada que ver con la disposicin fsica de la pila en la mesa del laboratorio. (B) La reaccin de la pila se define de manera que la oxidacin se lleva a cabo en la parte izquierda del diagrama y la reduccin en el electrodo de la derecha. Una fem positiva para un diagrama de pila significa que la reaccin de la pila correspondiente a este diagrama ocurrir espontneamente cuando la pila est conectada a una resistencia. Esto es porque la oxidacin (prdida de electrones) en el electrodo izquierdo manda un flujo de electrones saliendo de este electrodo hacia el electrodo de la derecha, y los electrones fluyen espontneamente de bajo a alto de este modo, .

Procesos ElectroqumicosLa electrlisis consiste en la descomposicin qumica de una sustancia por medio de la electricidad (electro = electricidad y lisis = destruccin). El proceso de electrlisis se caracteriza porque: a) Es un fenmeno Redox no espontneo producido por una corriente elctrica. b) La reduccin se lleva a efecto en el polo negativo o ctodo y la oxidacin en el nodo o polo positivo. Si el valor de la diferencia de potencial aplicada est slo ligeramente mayor que el calculado tericamente, la reaccin es lenta o no se produce, por lo que resulta necesario aumentar el potencial aplicado. Este fenmeno se da, sobre todo, cuando en algunos de los electrodos se produce algn desprendimiento gaseoso. El potencial aadido en exceso en estos casos recibe el nombre de sobretensin. La cantidad de producto que se forma durante una electrlisis depende de los 2 factores siguientes: a) De la cantidad de electricidad que circula a travs de la pila electroltica. b) De la masa equivalente de la sustancia que forma el electrlito. La cantidad de electricidad que circula por una cuba electroltica puede determinarse hallando el producto de la intensidad de la corriente, expresada en amperios por el tiempo transcurrido, expresado en segundos. Tras efectuar mltiples determinaciones, Faraday enunci las 2 leyes que rigen la electrlisis y que son las siguientes: 4



Primera Ley de Faraday: La masa de una sustancia alterada en un electrodo durante la electrlisis es directamente proporcional a la cantidad de electricidad transferida a este electrodo. La cantidad de electricidad se refiere a la cantidad de carga elctrica, que en general se mide en culombios. Segunda Ley de Faraday: Para una determinada cantidad de electricidad (carga elctrica), la masa de un material elemental alterado en un electrodo, es directamente proporcional al peso equivalente del elemento. El peso equivalente de una sustancia es su masa molar dividida por un entero que depende de la reaccin que tiene lugar en el material. Combinando la primera y la segunda ley de Faraday se llega a la siguiente relacin:

La cual gobierna todos los fenmenos electrolticos.

Aplicaciones de la ElectrolisisLa separacin de los elementos de los electrlitos (disueltos o fundidos) se utiliza industrialmente para obtener gases puros como el hidrgeno y el oxgeno y obtener metales refinados como el hierro, cobre, aluminio, magnesio, potasio, etc. Algunos ejemplos de sus aplicaciones son: La galvanoplastia: Consiste en obtener copias metlicas de algunos objetos, con huecos y relieves. Entre los productos que se pueden citar para esta tcnica podramos sealar lozas y porcelanas. La galvanostegia: Consiste en recubrir los metales de una capa metlica resistente para darles un mejor aspecto o para aumentar su duracin y resistencia a la corrosin. Entre las aplicaciones podemos citar el galvanizado (cincado), cobreado, latonado, plateado, dorado, etc. Galvanizado: Tcnica electroltica que se realiza con el fin de cubrir metales con una capa de cinc. Por ejemplo, las planchas para techados de construcciones. Cobreado: Tcnica que se emplea para recubrir de cobre algunos objetos (se utiliza CuSO4 como electrlito). Afinacin del cobre: Los nodos de cobre en bruto se suspenden en un bao de sulfato cprico acidulado con cido sulfrico. Los ctodos son lminas delgadas de cobre puro recubierto de grafito, para que el metal depositado por la corriente elctrica pueda separarse despus fcilmente; las lminas se suspenden alternativamente con los nodos en el mismo bao. Cuando pasa la corriente, los iones cobre se descargan en el ctodo, que va engrosando gradualmente por el metal puro adherido, a la vez que en el nodo se disuelve una cantidad equivalente de cobre, formando iones cpricos. Si las impurezas del cobre son de elementos ms activos, situados encima de l en la serie electromotriz de los metales, pasan a la disolucin y quedan en ella. Si estn por debajo del cobre en dicha serie, no se disuelven, y caen al fondo del as cubas, debajo de los nodos, como barro andico, del que se recuperan el oro, la plata y el platino, muchas veces en cantidades suficientes para pagar el proceso de afinacin. 5



Electrosntesis: La electrosntesis es un procedimiento para producir sustancias por medio de reacciones de electrlisis. Resulta til para algunas sntesis que requieren un control cuidadoso de las condiciones de reaccin.

Obtencin de Hidrogeno por ElectrolisisLa electrlisis del agua es uno de los caminos ms directos para la obtencin de hidrgeno y oxgeno gaseosos con alto grado de pureza. En la mayora de las aplicaciones prcticas, el elemento que tiene mayor inters prctico es el hidrgeno pues es utilizado, entre otras cosas, para la hidrogenacin de molculas orgnicas. De esta manera, la industria alimenticia produce margarina a partir de aceites y grasas comestibles. En otros casos, el hidrgeno es usado en la fabricacin de semiconductores, en la produccin y refinacin de metales de alta pureza y, eventualmente, en la sntesis del amonaco. El proceso de electrlisis del agua consiste en la ruptura de esa molcula por una corriente elctrica que circula entre dos electrodos inertes, en una solucin electroltica adecuada. La reaccin global en la celda es:

Con base en consideraciones termodinmicas esta reaccin requiere, a temperatura ambiente, una diferencia de potencial de 1.23V para cualquier valor del pH. Esto es debido al hecho que los potenciales reversibles de las dos semirreacciones presentes (desprendimiento de hidrgeno y de oxgeno, respectivamente) se desplazan 60mV por unidad de pH, en la direccin negativa, cuando el pH aumenta. Sin embargo, la utilizacin de esa diferencia de potencial reversible no conduce a la produccin de los gases pues el sistema se encuentra en equilibrio termodinmico. Para que esos elementos sean efectivamente generados es necesario aplicar una diferencia de potencial mayor, que depender de las cantidades que se quieran obtener (corriente total circulando por la celda) y, de forma muy significativa, de los materiales electrdicos utilizados a travs de su capacidad electrocataltica frente a las respectivas semirreacciones: Ctodo: nodo: Matemticamente, la expresin de la diferencia de potencial aplicada

Donde y representan respectivamente los sobrepotenciales catdicos y andicos para cada electrodo a una densidad de corriente dada (i) y el termino corresponde a las perdidas debidas a la cada hmica en el interior de la celda (sol) as como en el circuito elctrico externo (circ).


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Mtodos de Produccin de HidrogenoProcesos Qumicos: La produccin del hidrgeno en grandes cantidades, pero con bajo grado de pureza inicial, es realizada en la industria casi exclusivamente por la reforma cataltica de gas natural, o de otros hidrocarburos ligeros, en presencia de agua y a altas temperaturas. Por ejemplo, la conversin cataltica del solo alcanza un 90% y el producto tiene que ser tratado nuevamente en un segundo reformador para alcanzar un 99.8% de conversin. Adicionalmente, el gas de salida contiene, en los casos, cerca de 10% de y de . Como estas impurezas no son aceptables en varias aplicaciones del hidrogeno, el producto de la reforma cataltica tiene que pasar por el proceso de metanacion, a travs del cual las concentraciones de y de pueden ser reducidas a niveles menores a 5ppm. Pero ahora surgen los problemas de eliminacin de y residuales, que pueden ser bastante perjudiciales para ciertas aplicaciones. Existen otros procesos de reforma de compuestos orgnicos para la generacin de Hidrogeno, sin embargo en todos estos casos, el problema de la pureza del gas de salida no est completamente resuelto y eso torna no viable la utilizacin de ese hidrogeno en sistemas de fcil envenenamiento como en las celdas de combustibles de baja temperatura. Procesos Electrolticos: Existen actualmente, a nivel industrial, tres versiones diferentes para el proceso de ruptura electroltica de la molcula de agua para la produccin de hidrgeno con alto grado de pureza, a saber: I. Electrlisis del agua con electrlitos alcalinos usando un diafragma poroso para separar los compartimentos catdico y andico, evitando as la mezcla del hidrgeno con el oxgeno (figura A). Las reacciones en los electrodos son aquellas representadas por las ecuaciones anteriores. Los electrolizadores industriales con este tipo de configuracin estn disponibles en el mercado para potencias que varan desde 10 hasta varios miles de kW. Electrlisis del agua con membrana o electrlito polimrico slido donde se utiliza una membrana de intercambio inico, conductora de protones, que acta como electrlito y como separador de los dos electrodos porosos, al mismo tiempo. El agua que va a ser disociada no precisa contener un electrlito disuelto para aumentar su conductividad, siendo adicionada al sistema del lado andico solamente (figura B). Las reacciones en los electrodos son las siguientes: nodo: Ctodo: Estos electrolizadores fueron desarrollados a partir de las celdas de combustibles y pueden ser fabricados en tamaos que van desde 1 hasta 100KW III. Electrlisis del vapor de agua a alta temperatura (700-1000 C), utilizando una cermica conductora de iones (tal como cbico estabilizado por o ). El agua que ser disociada en la celda es introducida al ctodo, en forma de vapor. De esta 7

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forma, la ruptura electroltica del agua genera una mezcla de hidrgeno con vapor de agua. Los iones son transportados a travs del material cermico hacia el nodo, donde son descargados para producir el oxgeno (figura C). Las reacciones, en este caso, son las siguientes: Ctodo: nodo: Estos sistemas se encuentran todava en fase experimental y no estn disponibles en el mercado. Esta ltima tecnologa est bastante lejos del ideal esperado mientras que las otras dos (electrlisis alcalina y electrolizadores de membrana) estn siendo ofrecidas comercialmente por un nmero considerable y creciente de fabricantes. Sin embargo, los electrolizadores alcalinos convencionales son los dominantes en la prctica industrial, sin peligro todava de una competicin seria por parte de las otras dos tecnologas.

Sistemas industriales ConvencionalesLos electrolizadores industriales existentes pueden clasificarse en dos tipos diferentes, dependiendo de la forma de construccin y operacin: los de tipo tanque (monopolares) y los filtro-prensa (bipolares). En el primer caso, un tanque grande de acero al carbn aloja un electrlito alcalino. Los electrodos son lminas planas del mismo material y con polaridades alternadas, siendo que los nodos son recubiertos por un depsito galvnico de nquel y envueltos por una bolsa de asbestos para separar el oxgeno generado del hidrgeno catdico. Esta configuracin corresponde a un conjunto de celdas en paralelo, el electrolizador trabaja a aproximadamente 2 voltios y con grandes corrientes, que dependen del tamao y del nmero de electrodos utilizados. Por otro lado, los electrolizadores tipo filtro-prensa son construidos usando capas alternadas de electrodos y diafragmas debidamente selladas y con circulacin forzada del electrlito. Los electrodos son generalmente de acero al carbono recubiertos por nquel y operan en el modo bipolar, esto es, un lado del mismo sirve como ctodo en una celda y el otro como nodo en la


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prxima celda. En este caso, los voltajes son aditivos mientras que las corrientes son relativamente bajas. Como todos los electrolizadores operan con prcticamente 100% de eficiencia en corriente, los de tipo filtro-prensa son ms eficientes que los monopolares pues las prdidas hmicas son menores. Sin embargo, su costo es ms elevado y su mantenimiento ms complicado

Los principios de la electrolisis del aguaEl principio de funcionamiento de la electrlisis alcalina del agua est ilustrado en la siguiente figura para el caso de un sistema monopolar (tipo tanque). Dos molculas de agua son reducidas en el ctodo formando una molcula de hidrgeno y dos iones oxidrilos. El hidrgeno gaseoso escapa de la superficie del ctodo mientras que los iones oxidrilos migran a travs del diafragma poroso, debido al campo elctrico existente, y se descargan en el nodo, regenerando una molcula de agua y oxgeno gaseoso en cantidades correspondientes a la mitad del hidrgeno producido. En este caso, los gases salen del electrolizador a la presin atmosfrica.

Para generar los productos a presiones elevadas es necesario recurrir a la construccin bipolar debidamente adaptada (la cual, entretanto, tambin es utilizada a presin atmosfrica en la mayora de los casos). Los electrolizadores comerciales estndar utilizan un electrlito alcalino (30% KOH en masa) y operan con densidades de corriente relativamente bajas (de 0,1 a 0,3mA cm-2). La temperatura de operacin oscila entre 70 y 90 C y los voltajes unitarios por celda tienen valores comprendidos entre 1,8 y 2,2 V. Como materiales, son utilizados ctodos de acero al carbn sin tratamiento superficial (en los monopolares) o recubiertos por nquel (en los bipolares) y nodos niquelados, en ambos casos. Los diafragmas separadores son construidos con paos o telas gruesas de asbestos. Solamente unos pocos electrolizadores trabajan a presiones elevadas, como el que fue fabricado por Lurgi, y el ms avanzado de esta categora opera a 3MPa. Para que el proceso de electrlisis del agua sea ms eficiente y, por lo tanto, ms competitivo, todas las causas que ocasionan prdidas de energa tienen que ser analizadas mientras que, al mismo 9



tiempo, se disminuye el costo total de los equipos usados. Ms detalladamente, las principales metas en investigacin y desarrollo en esta rea han sido las siguientes: i) El voltaje total aplicado en la celda debe ser reducido al mximo para poder minimizar el costo unitario de energa elctrica, dado que este es el componente principal en el costo de produccin del hidrgeno. ii) La densidad de corriente aplicada debe ser aumentada en relacin con aquella de los electrolizadores convencionales para poder disminuir los costos de inversin de capital. Estas metas pueden ser, de alguna forma, conflictivas entre s y es necesario conseguir una cierta optimizacin que atienda condiciones especficas. En particular, un aumento de la densidad de corriente (que resultar en una disminucin de los costos de inversin) tendr como consecuencia un aumento del voltaje total, pues el sistema responde a:

Donde el ltimo trmino crece linealmente con i, mientras que los sobrepotenciales son funciones logartmicas de la densidad de corriente. As, los dos requerimientos conflictivos de disminucin simultnea de los costos de energa y de inversin de capital slo pueden ser satisfechos con el desarrollo de nuevos diseos de celda que tengan intrnsecamente una resistencia interna mucho menor y de electrodos especiales que presenten un menor sobrepotencial, para altas densidades de corriente, que aquellos que se utilizan actualmente en los electrolizadores Las diversas posibilidades que existen para mejorar la tecnologa de los electrolizadores pueden ser las siguientes: i) Cambios en la configuracin y en la geometra de la celda para reducir la resistencia en un factor de 3 a 10 y as disminuir las prdidas hmicas, aun cuando la densidad de corriente es aumentada. Esto incluye el desarrollo de un nuevo concepto para los diafragmas que permita el uso de distancias interelectrodica del orden de fracciones de milmetros en lugar de varios milmetros usados actualmente. Aumento de la temperatura del proceso y de la concentracin del electrlito para aumentar la conductividad y, al mismo tiempo, aprovechar la activacin trmica en la cintica electrdica. Desarrollar electrocatalisadores nuevos y de bajo costo, que sean capaces de reducir la suma de los sobrepotenciales andicos y catdicos a cerca de 0,3 V o menos, cuando las densidades de corriente se incrementan en un factor de 3 en relacin con los sistemas actuales. En esas condiciones, el diagrama de operacin de la celda es el siguiente

ii)

iii)


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En esta ltima figura se tom en cuenta la posibilidad de usar mayores concentraciones y temperaturas para el electrlito, as como un diseo de celda basado en el concepto de zero gap. En este diseo se utilizan nuevos separadores de tipo cermico o polimrico sobre los cuales se apoyan electrodos perforados, lo que disminuye considerablemente la distancia interelectrdica y, consecuentemente, la cada hmica en el interior de la celda unitaria

Aplicaciones del HidrogenoLa mayor aplicacin energtica actual del hidrgeno es el programa espacial norteamericano. En este programa, el hidrogeno es usado como combustible primario para los cohetes balsticos y como fuente de energa elctrica durante las misiones, a travs de celdas a combustible. Muchos de los conocimientos actuales de la energa del hidrgeno son derivados de esas actividades. Sin embargo, estas experiencias no pueden ser tomadas como ejemplo para futuros desarrollos pues el factor econmico en ellas es de importancia secundaria. Otro campo de utilizacin estacionaria del hidrgeno en gran escala son las centrales elctricas (110 MW) funcionando con celdas de combustibles. Existen actualmente varias plantas de ese tipo en ensayos de operacin en el mundo, pero los resultados no son muy alentadores pues las impurezas del hidrgeno (obtenido por reforma de gas natural) acaban envenenando los catalizadores en los electrodos. En este momento, los mayores esfuerzos en investigacin y desarrollo para la utilizacin estacionaria del hidrgeno se concentran en el rea de turbinas a vapor para la produccin de energa elctrica. En estos sistemas, cuya tecnologa es derivada de los cohetes balsticos, el hidrgeno junto al oxgeno se combinan por combustin a altas presiones y temperaturas, generando grandes cantidades de calor. Con la inyeccin de agua en el reactor se genera vapor, el cual mueve una turbina especialmente diseada para soportar esas condiciones extremas. La energa mecnica producida por la turbina es entonces usada para generar energa elctrica de forma convencional. La produccin de energa elctrica usando turbinas de combustin de hidrgeno puede alcanzar eficiencias trmicas superiores al 60%. Sin embargo, los mayores problemas en esta rea de desarrollo estn relacionados con la estabilidad de los materiales usados en las cmaras de


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combustin y en las hlices del rotor debido a las condiciones extremadamente agresivas del proceso. Por eso, la aplicacin prctica de estos principios tendr que esperar algunos aos para transformarse en realidad. Cuando se analiza la utilizacin del hidrgeno en vehculos, el primer problema que debe ser considerado es el del almacenamiento del a ser usado como combustible. Este material puede ser transportado de tres formas diferentes, a saber, como gas comprimido en cilindros, en forma lquida dentro de tanques criognicos o como gas absorbido en cilindros que contienen hidruros metlicos adecuados. En este ltimo caso, el hidrgeno es recuperado usando ciclos de presin y temperatura que liberan el gas de los hidruros metlicos. En todos estos casos, adems del factor econmico, se debe tener en cuenta el peso y el volumen que estas formas de transporte del representan. Alternativamente, el hidrgeno necesario para la combustin puede ser generado a bordo del vehculo usando un reformador alimentado por un combustible lquido convencional, como la gasolina o el metanol. Esos sistemas de reforma estn disponibles en el mercado pero siempre presentan el problema de pureza del gas generado el cual, para ciertas aplicaciones (por ejemplo, celdas de combustible), es crtico. Una vez resuelto el problema del transporte de combustible, la utilizacin del hidrgeno en vehculos puede tomar dos caminos diferentes, que dependen del motor usado en los mismos. En primer lugar tenemos los vehculos elctricos, donde la energa proviene de una celda a combustible alimentada con hidrgeno y oxgeno (o aire, pero con eficiencia menor). Por otro lado, es posible adaptar los motores de combustin interna para ser movidos por hidrgeno o por mezclas de combustibles que contengan y con eso usar tecnologas ms prximas a la realidad actual. El uso de celdas de combustible como generadores de energa para transporte viene siendo estudiado, por diversas empresas, desde la dcada de los ochenta. Desde entonces, esta aplicacin tecnolgica ha crecido considerablemente y diversos proyectos se encuentran actualmente en fases avanzadas de desarrollo y, en algunos casos, hay previsiones de produccin comercial de estos vehculos. Sin embargo, hay varios problemas que tienen que ser resueltos para permitir la viabilidad de vehculos de transporte movidos por celdas de combustible de hidrgeno: el hidrgeno almacenado es muy pesado y ocupa un gran volumen; el hidrgeno lquido sufre evaporacin intensa; el precio y la distribucin del hidrgeno tienen que ser mejorados; y finalmente, las celdas de combustible son extremadamente caras.


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Conclusin TcnicaComo pudo verse a lo largo del trabajo, los procesos electroqumicos son de vital importancia en nuestra vida moderna. Las pilas y acumuladores permiten el transporte y acumulacin de energa, la cual permite el funcionamiento de muchsimos artefactos de uso cotidiano (vehculos, relojes, celulares, etc.). Por otro lado, el proceso de electrolisis permite la obtencin de materiales que solo pueden obtenerse por esa va, tal como Ni, K, Ca, Al que son de vital importancia en la industria. As tambin permite obtener productos de alta pureza, aadiendo valor a los mismos. Son muchas las aplicaciones de la electrolisis en la industria y sin esta tecnologa no sera posible sostener la vida moderna como hoy se la conoce. Por otro lado, la produccin de Hidrogeno por electrolisis de Agua es un proceso que va a ser de vital importancia en el futuro, ya que el hidrogeno es una fuente de combustible no contaminante que se integra perfectamente al ciclo del agua. El hecho de que 3/4 partes de la superficie terrestre sea agua, garantiza un elevado grado de distribucin en el planeta, eliminando las fuertes dependencias energticas existentes entre unas zonas y otras, aumentando la seguridad y el potencial de desarrollo de las poblaciones. El hidrgeno puede utilizarse como combustible para los motores de los vehculos actuales, o para alimentar las turbinas que se utilizan en aviacin, o las utilizadas en las centrales de ciclo combinado para producir electricidad. Tambin puede usarse como combustible para calderas, quemadores y otras aplicaciones trmicas A futuro, las presiones por parte de grupos ambientalistas y la calidad de vida de nuestro planeta van a lograr impulsar nuevas tecnologas a base de Hidrogeno. Por ende, los procesos de obtencin del mismo van a tener que ser estudiados en profundidad para ser optimizados al mximo y as lograr una aceptacin general (considerando en mayor parte costos y seguridad).


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Conclusin PersonalEl trabajo realizado sirvi bastante para complementar los conocimientos de electroqumica obtenidos en la materia, de forma de obtener un panorama ms amplio de las aplicaciones industriales y los problemas que existen para la obtencin de productos para aplicaciones especializadas y los problemas ambientales y sociales que estn implcitamente incluidos. Mediante la investigacin realizada, se logr conocer algunas aplicaciones potenciales muy prometedoras del hidrogeno, mediante las cuales se lograra obtener energa ms amigables con el ambiente lo cual se traduce en mejor calidad de vida y nuevas fuentes de trabajo. Por lo ende, es de vital importancia seguir estudiando y optimizando el proceso de electrolisis de Agua para la obtencin de Hidrogeno, el cual representa la primera y ms importante etapa de todo el ciclo de aplicacin. Particularmente me resulto muy importante el estudio de este proceso, ya que responde a la realidad actual donde las nuevas fuentes de energas no deben producir daos al ambiente y deben ser baratas de forma que todas las personas puedan acceder a ellas.


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SeguridadEn el proceso descrito en el trabajo, deben tomarse las mismas normas de seguridad que se toman en general en cualquier proceso industrial y prestando vital atencin a: Riesgos Elctricos Medidas de seguridad al Trabajar con Hidrogeno: Identificacin de peligros: Gas comprimido, extremadamente inflamable. Medidas de primeros auxilios: Altas concentraciones de hidrgeno de modo tal que impidan un adecuado suministro de oxgeno a los pulmones causa mareos, respiracin profunda debido a la falta de aire, posibles nuseas y eventual prdida de conocimiento. UNA RPIDA ATENCIN MDICA ES OBLIGATORIA EN TODOS LOS CASOS DE SOBRE EXPOSICIN AL HIDROGENO. EL PERSONAL DE RESCATE DEBE ESTAR EQUIPADO CON EQUIPOS DE RESPIRACIN AUTNOMA Y RECONOCER LOS RIESGOS DE FUEGO Y EXPLOSION. Inhalacin: Si la persona est consciente, deber ser trasladada fuera del rea contaminada para inhalar aire fresco. Retirarla rpido, del rea contaminada es lo ms importante. Si la vctima estuviera inconsciente, se le deber trasladar a un rea descontaminada, brindar ayuda respiratoria y suplemento de oxgeno. El tratamiento posterior ser de soporte y continuar segn los sntomas. Medidas contra incendio: La exposicin al fuego puede causar la rotura o explosin de los recipientes. Sacar los cilindros al exterior o enfriar con agua desde un lugar protegido. Si es posible detener la fuga de producto. No extinguir una fuga de gas inflamndose si no es absolutamente necesaria. Se puede producir la re-ignicin espontnea explosiva. Extinguir los otros focos de incendio. En espacios confinados utilizar equipos de respiracin autnoma de presin positiva. Medidas contra escape accidental: Utilizar equipos de respiracin autnoma cuando entren en reas confinadas a menos que est aprobado que la atmsfera es segura. Evacuar el rea. Asegurar la adecuada ventilacin del lugar. Eliminar las fuentes de ignicin. Intentar parar el escape. Si la prdida se produjera en el equipo del usuario, se deber efectuar el purgado de la caera con un gas inerte, antes de intentar reparaciones. Manejo y almacenamiento: Proteger los cilindros de cualquier dao fsico. Almacenar en un rea fresca, seca, bien ventilada, lejos de los lugares de trfico vehicular y de las salidas de emergencia. No permitir, que en el lugar de almacenaje la temperatura exceda 125F (52C). Los cilindros sern colocados parados y bien asegurados para evitar que se caigan o se golpeen. Se deben separar los cilindros llenos de los vacos. Utilizar un sistema de inventario con fecha de ingreso y egreso de las unidades para evitar que cilindros llenos queden almacenados durante perodos excesivamente largos. Coloque carteles en el rea de almacenaje con la leyenda NO FUMAR o el smbolo de LLAMAS ABIERTAS. No deben encontrarse fuentes de ignicin en el rea de almacenaje o uso. Utilizar solamente en reas muy bien ventiladas. Las tapas protectoras de las vlvulas deben estar colocadas, a menos que el cilindro posea cao de salida desde la vlvula al punto de uso. No


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arrastrar, deslizar o hacer rodar los cilindros, sino utilizar auto-elevadores o zorras para desplazarlos. Utilizar un regulador reductor de presin cuando se conectan los cilindros a una presin menor (< 3000 psig) caeras o sistemas. De ninguna manera se deben calentar los cilindros para incrementar su velocidad de descarga. Utilizar una vlvula de control o de retencin para evitar riesgos de retroceso de flujo al interior del cilindro. RECOMENDACIONES ESPECIALES DE ENVASADO: El hidrgeno es no corrosivo y puede utilizarse con cualquier material de construccin. OTRAS RECOMENDACIONES O PRECAUCIONES: Todos los equipos y lneas relacionados con el sistema de hidrgeno deben estar conectados a tierra. El equipo elctrico debe ser antichispa o a prueba de explosin. Controles de exposicin / proteccin personal proteccin respiratoria: Para casos de emergencia debe hallarse una lnea de presin positiva de aire con mscara, o equipo de respiracin autnoma. VENTILACIN: Campana de ventilacin forzada. VENTEO DEL LOCAL: Para prevenir la acumulacin encima del local. MECNICA: Conforme a los cdigos de electricidad. GUANTES DE PROTECCIN: plstico o goma. PROTECCIN OCULAR: Anteojos de seguridad o antiparras. OTROS MATERIALES DE PROTECCIN: Zapatos de seguridad, ducha de seguridad, lava ojos. Propiedades fsicas y qumicas: PUNTO DE EBULLICIN: -423 F (- 252.8 C) DENSIDAD LIQUIDA EN EL PUNTO DE EBULLICIN 4.43 lb/ft 3 (70,96 kg/m3) PRESION DE VAPOR a 70 F (21.1C) Encima de la temp. Crtica de -239.9C DENSIDAD GASEOSA A 70 F (21.1C).1 atm 0.0416 lb/ft3 (0.6670 kg/m3) PUNTO DE CONGELACION - 434.6 F (-259.2 C) SOLUBILIDAD EN AGUA Muy pequea APARIENCIA Y OLOR: Gas incoloro e inodoro. Reactividad y estabilidad: Forma mezclas explosivas o inflamables con la mayora de los oxidantes, (oxgeno, cloro, flor etc.) Es extremadamente inflamable en aire, en un amplio rango. Informacin toxicolgica: El hidrgeno es inactivo biolgicamente y principalmente no txico, de esta manera su principal propiedad es la de impedir un adecuado suministro de oxgeno a los pulmones. El hidrgeno no est listado en el IARC, NTP, o por OSHA como carcinognico o potencial carcinognico. Las personas enfermas, cuya afeccin podra verse agravada, por la exposicin al hidrgeno no deben ser autorizadas a trabajar o manipular este producto. Informacin ecolgica: No se conocen daos ecolgicos causados por este producto.


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BibliografaElectroqumica y Electrocatalisis Volumen IB Nicols Alonso-Vante Fsicanet www.fisicanet.com.ar Fisicoqumica Volumen 2 Ira N. Levine Fisicoqumica - Peter William Atkins Linde Gas - www.linde-gas.com.ar Quimicaredox quimicaredox.blogspot.com.ar Wikipedia www.wikipedia.com


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Procesos Electroquimicos

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