HIDROGÊNIO A PARTIR DA ELETRÓLISE

Atualmente apenas 2% do hidrogênio produzido mundialmente provêm da eletrólise. A eletrólise é um processo que separa os elementos químicos de um composto por aplicação de uma corrente elétrica. Há uma dissociação do composto em íons pela passagem de uma corrente elétrica contínua através deste, obtendo-se ao final do processo os componentes químicos separados. Em muitos casos, dependendo da substância a ser eletrolisada e do meio em que ocorre a eletrólise, além da formação dos componentes químicos há também a formação de novos compostos. O processo da eletrólise é uma reação de oxidação-redução oposta àquela que ocorre numa pilha sendo, portanto, um fenômeno físico-químico não espontâneo.

A produção comercial do hidrogênio através deste processo tem uma eficiência entre 70% e 75% que pode ser melhorada pela adição de sais ao eletrólito de modo a aumentar a condutividade, bem como utilizar a eletrólise do vapor substituindo parcialmente a eletricidade por energia térmica. Dado que a quantidade de energia necessária à produção de hidrogênio é elevada (4,5 a 5 kWh/m³ de hidrogênio), o seu custo também é elevado, sendo a eletricidade responsável por dois terços deste custo. Por isso, a produção do hidrogênio por este processo não é economicamente favorável, porém, com o avanço da tecnologia de células a combustível, este processo está se tornando cada vez mais eficiente e os custos cada vez menores. A energia elétrica produzida nas hidrelétricas é de longe a maior fonte de energia renovável, representando em torno de 92% da energia renovável produzida e têm grande potencial na produção de hidrogênio através da eletrólise da água. Por exemplo, o Estado do Quebec, no Canadá, possui uma produção de energia elétrica, através de hidrelétricas, de 200 TWh/ano. Caso essa energia fosse utilizada para produzir hidrogênio através da eletrólise da água, cerca de quatro

bilhões de quilogramas de hidrogênio poderiam ser produzido por ano, o suficiente para abastecer 22 milhões de veículos todos os dias do ano.

As leis de Faraday permitem o conhecimento da quantidade de gás que foi produzido em função da corrente e do tempo no qual ocorreu a eletrólise.

Segundo a 1ª Lei de Faraday: “a massa de uma substância transformada

durante uma eletrólise é diretamente proporcional à quantidade de eletricidade que atravessa a solução”. Esta lei está expressa nas equações 33 e 34:

Q K m= ₁× (33) t i Q = × (34) onde

m - massa da substância produzida [g];

1

K - constante de proporcionalidade determinada experimentalmente;

Q - carga em Coulomb; i - corrente elétrica [A];

t - tempo de duração da reação [s].

De acordo com a 2ª Lei de Faraday: “a massa de uma substância

transformada durante a eletrólise é diretamente proporcional a sua massa molar dividida pela variação do equivalente-grama envolvido”. Esta lei está expressa na

equação 35: E K m= ₂× (35) onde 2

K - também é uma constante de proporcionalidade;

E - razão entre a massa molar e a variação do Nox da substância envolvida na

reação.

A quantidade de carga elétrica equivalente a 1 mol de elétrons corresponde a 1 Faraday, que é igual a 1 equivalente-grama e 96500 C. Finalmente, a partir das equações 33 e 35 tem-se a equação fundamental da eletrólise:

96500

t i E

m= × × (36)

A substância a que se referem as constantes anteriormente indicadas poderia ser a água, caso a eletrólise fosse desta (GOMES NETO, 2005; NEVES JÚNIOR, 2001; HURLEY; NMSEA, 2004).

2.3.2.1 ELETRÓLISE DA ÁGUA

A eletrólise decompõe a água em seus componentes constituintes, hidrogênio e oxigênio, através da eletricidade. A decomposição da molécula de água é realizada passando-se uma corrente elétrica através desta. No eletrodo negativo, o cátodo, existe uma carga negativa fornecida por uma bateria, da qual resulta numa corrente elétrica entre a água e o cátodo. No eletrodo positivo, o ânodo, existe uma carga positiva que atrai os elétrons. Como a condutividade da água é fraca, ao invés da circulação de corrente ao longo de todo o circuito, as moléculas da água são separadas em íons hidrogênio e hidróxido, como sugere a figura 12.

FIGURA 12 - ELETRÓLISE DA ÁGUA

A eletrólise da água pode ser representada pela seguinte reação: 2 2 2 2 2H O O H energia+ → + (37)

Era de esperar que a água se separasse em partículas neutras H e OH, mas tal não acontece dado que a eletro-negatividade do átomo de oxigênio é muito superior a do hidrogênio, ou seja, o oxigênio captura o elétron do hidrogênio, ficando na forma mais estável com suas órbitas todas preenchidas. O +

H é capaz de

capturar um elétron do cátodo, doador de elétrons, passando a átomo neutro, de acordo com a equação 38:

H e

H+ + _ → (38)

Este átomo de hidrogênio encontra outro átomo de hidrogênio e forma uma molécula de gás hidrogênio, conforme a equação 39.

2

H H

H + → (39)

O íon migra para o ânodo e perde o elétron capturado do hidrogênio. A produção de oxigênio e de água é conseguida a partir de quatro íons de acordo com a seguinte reação:

_ OH _ OH _ 2 2 _ 4 2 4OH →O + H O+ e (40)

A liberação de oxigênio é observada pelas bolhas que surgem na solução. Assim, um circuito fechado é obtido, envolvendo elétrons no circuito externo e íons hidróxido na água. A energia cedida pela bateria é armazenada sob a forma de hidrogênio.

O hidrogênio produzido no processo de eletrólise possui alto grau de pureza, o que é necessário em aplicações eletrônicas, farmacêuticas e indústrias de produtos alimentícios. Potencialmente, a eletrólise pode prover maior qualidade energética através do uso de fontes renováveis de energia não poluentes. Em outras

circunstâncias, a eletrólise pode ser associada à geração hidrelétrica para reduzir os custos da eletrólise (NMSEA, 2004).

2.3.2.2 FOTO-ELETRÓLISE

2.3.3.1

Foto-eletrólise é uma cadeia integrada de conversão da energia luminosa em elétrica e em energia química pela via eletrolítica. Trata-se de uma combinação de dispositivos fotovoltaicos, semicondutores e eletrolisadores destinados à produção de hidrogênio. O foto-eletrolisador é posto em água e quando exposto a luz solar começa a produzir hidrogênio. O dispositivo fotovoltaico, associado aos semicondutores, melhora o sistema com um aumento na quantidade de hidrogênio produzida. O hidrogênio é então coletado e armazenado. Muitas investigações estão sendo feitas neste campo, como no Estado do Colorado (EUA), no Laboratório de Energia Renovável (FUEL CELL STORE, 2006).