ELETROLISADOR ALCALINO BIPOLAR: AVALIAÇÃO DE
ELETRODOS A BASE DE ESPUMA DE NÍQUEL E
COMPORTAMENTO DA MEMBRANA SEPARADORA
N. O. SANTIAGO1, H. M. LABORDE2, A. P. A. SILVA3, M. P. B. THEMOTEO4 1,2,3
Universidade Federal do Campina Grande, Centro de Ciências e Tecnologia, Departamento de Engenharia Química
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Universidade Federal do Campina Grande, Centro de Ciências e Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica
E-mail para contato: nathy.santhiago@hotmail.com
RESUMO – Os graves problemas climáticos causados pelo uso desenfreado de combustíveis fósseis têm influenciado o uso do H2 como combustível do futuro. Devido à sua alta eficiência de conversão,
reciclagem e natureza não poluente, atrai uma atenção substancial. Apesar de não se encontrar na natureza, pode ser produzido a partir de uma fonte variada de compostos. Este trabalho apresenta a produção de H2 através da eletrólise da água em meio alcalino (KOH) num reator de tipo bipolar
com eletrodos de espuma de níquel. O reator cilíndrico é constituído de uma célula unitária usando uma membrana de tipo lona para evitar a mistura dos gases hidrogênio e oxigênio. Foi avaliado através do fluxo de H2 produzido em função da tensão aplicada, variando a concentração do KOH.
Foi encontrado o ponto ótimo de funcionamento do reator, obtido com 16,6% de KOH e uma tensão aplicada de 2,6 V, produzindo 0,84 L/h de H2. A partir dos parâmetros analisados, o reator sem
membrana apresentou uma maior produção de H2 com a mesma tensão aplicada, mostrando um
efeito de resistência maior criado pelo uso desta membrana.
1. INTRODUÇÃO
A sociedade moderna enfrenta graves problemas ambientais em todo o planeta, entre eles, aquecimento global, poluição do ar, o esgotamento dos combustíveis fósseis e a degradação do meio ambiente. O hidrogênio pode ser também uma grande fonte de energia, a ideia do seu uso como combustível passou a ser cogitada a partir da década de 1970, com a crise provocada pelo aumento do petróleo. Esta crise e os níveis alarmantes de poluição ambiental mobilizaram a comunidade internacional, trazendo à tona a conversão eletroquímica de energia, com o uso de células a combustível (APPLEBY et al, 1993).
O hidrogênio é o elemento mais leve e mais abundante no universo, mas não é encontrado de forma livre na natureza e pode ser obtido de várias maneiras, através de fontes convencionais ou renováveis como o vento, água, luz solar e biomassa. Um exemplo do potencial energético do hidrogênio está na
fonte de força do sol que compõe 30% da massa solar. Em combinação com o oxigênio (na água) ou com outros elementos (nos compostos orgânicos), o hidrogênio compõe 70% da superfície terrestre. Como é quimicamente muito ativo, raramente permanece sozinho como um único elemento, em suspensão ou à parte, estando presente nos compostos do petróleo, carvão, álcool, água, gás natural, biodiesel, entres fontes. Possui grande potencial como meio de estocagem, transporte e conversão de energia, sendo estas propriedades amplamente reconhecidas nos últimos anos (SERVICE, 2002); (SUSAN et al, 2003).
1.1. Eletrólise
Um dos processos mais comuns de produzir o hidrogênio é a eletrólise da água, que separa a molécula de H2O em hidrogênio e oxigênio. Os desafios para a utilização generalizada de eletrólise da água são para reduzir o consumo de energia, custo e manutenção e aumentar a confiabilidade, durabilidade e segurança.
Em pequenas escalas pode ser muito bem aproveitada. Se a eletricidade utilizada nesse processo é gerada por fonte renovável de energia, a poluição é praticamente nula, por isso existe uma grande vantagem na produção de hidrogênio a partir da água, utilizando energia térmica e elétrica a partir de uma fonte limpa.
A unidade básica da eletrólise da água é constituída por um ânodo, um cátodo, fonte de alimentação, e um eletrólito, tal como ilustrado na Figura 1. Uma corrente contínua (CC) é aplicada para manter o balanço de energia elétrica e os elétrons fluem do terminal negativo de uma fonte de CC para o cátodo na qual os elétrons são consumidos por íons de hidrogênio (prótons) de modo a formar o gás. Mantendo a carga elétrica (e de valência) em equilíbrio, os íons hidróxido (ânions) se transferem da solução do eletrólito através de ânodo, pelo qual doam elétrons e estes elétrons retornarem ao terminal positivo da fonte de corrente contínua.
Figura 1 – Representação esquemática da eletrólise.
1.2. Eletrodo de níquel
O níquel é um dos materiais de eletrodo mais usado devido à sua elevada atividade e disponibilidade, bem como o seu baixo custo. O níquel apresenta uma alta condutividade de 10,41 S/mm² e uma resistividade de 0,087 Ωmm²/m, o que facilita a passagem dos íons (PEREIRA, 2015). O uso do níquel esponjoso faz com que a superfície se torne mais porosa e de fácil reação. Além do
efeito de molhabilidade ser menor do que no caso de uma superfície plana, como a do aço inox, dificultando a formação de bolhas. A formação de bolhas cria uma resistência nesse processo.
1.3. Eletrólito
O hidróxido de potássio é o eletrólito mais comum na eletrólise da água, consiste geralmente de íons com uma mobilidade elevada, evitando a forte corrosão causada pelo uso de eletrólitos ácidos (LEROY, 1983). Concentrações tipicamente de 25% em massa a 80 °C até 40% a 160 °C, possibilitam a produção de hidrogênio gasoso com uma eficiência que varia entre 60 a 100 %. O custo dessa produção depende basicamente da fonte primária de energia utilizada, que pode ser uma fonte renovável, inesgotável, como o sol ou o vento (ZENG et al, 2010).
Os estudos presentes neste trabalho partiram da análise do comportamento de uma célula eletrolítica utilizando eletrodo de espuma de níquel visando acelerar a produção de hidrogênio. Também se fez uso de uma membrana para auxiliar na separação dos gases. Discutidas a partir de um método estatístico de otimização através de um Planejamento Composto Central (PCC). Estabelecendo uma pesquisa mais ampla e um nível de confiabilidade dos dados de 95%.
2. METODOLOGIA
2.1. Reagentes e materiais
O eletrólito é uma solução de hidróxido de potássio, KOH, (H2002.01.AH - Lentilhas P.A. 1000g) em água deionizada (MilliQ, Millipore) com diferentes concentrações de porcentagem em massa e os eletrodos são construídos a partir da espuma de níquel (Xiamen Tob New Energy Tecnology Company, Ltda). Para a realização dos testes, uma fonte de alimentação do reator (E3633 da Agilent), um sistema de aquisição dos dados (34972A da Agilent) acoplado a um notebook (Toschiba) usando o software (Benchlink Data Logger 3), um regulador de pressão, manômetro e um fluxômetro foram usados. O tratamento dos dados foi realizado com o uso de alguns softwares (Excel da Microsoft e MINITAB).
2.2. Reator eletrolítico
O reator eletrolítico é composto por eletrodos de espuma de níquel soldados em placas de aço com área eletrolítica de 121,93 cm² correspondente à área disponível para reação. A membrana é uma espécie de lona em tecido com 3 mm de espessura.
A estrutura do reator, além do eletrodo e da membrana é composta por moldes em PVC que serve de sustentação e placas finais de aço para estabilização da montagem, e parafusos para garantir a pressão evitando vazamentos junto ao silicone usado na colagem. A montagem foi finalizada apresentando saída para o gás hidrogênio e oxigênio separadamente, sendo composto por apenas uma célula unitária.
A estrutura de montagem para leitura dos dados está apresentada no fluxograma da Figura 2.
Figura 2 – Fluxograma dos testes do reator eletrolítico.
A fonte de alimentação pode ser de energia renovável emitida, por exemplo, por painéis fotovoltaicos ou energia elétrica emitida pela fonte. Alimentado, o reator passa a produzir hidrogênio que pode ser armazenado em cilindros. A leitura dos dados de tensão e corrente dá-se através do medidor (MDTC P-F) e então para o sistema de aquisição de dados. Em paralelo, o fluxômetro faz a leitura da quantidade de hidrogênio que está sendo produzido no momento do teste. O computador capta todos os valores e através dos softwares são realizados os gráficos.
O PCC foi realizado mediante o uso do software MINITAB. Foram escolhidos pontos máximos e mínimos em dois planejamentos diferentes. O primeiro planejamento experimental foi elaborado com baixas concentrações de KOH e valores de tensão ideais para o uso de apenas uma célula eletrolítica. De acordo com os resultados desse primeiro planejamento, foi elaborado o segundo planejamento com variáveis de maiores valores para tensão, na qual foi a variável determinante do primeiro planejamento e observou-se o comportamento de ambos.
3. RESULTADOS
A Tabela 1 apresenta os níveis máximos e mínimos para cada experimento dos dois planejamentos, gerados pelo software MINITAB.
Tabela 1 – Planejamento Experimental
% MASSA TENSÃO (V) RESPOSTA 𝑯𝟐(L/h)
Experimentos 1º PCC 2ºPCC 1º PCC 2º PCC 1º PCC 2º PCC
1 7,00 7,50 2,00 3,00 0,189 0,323
3 4 5 6 7 8 9 10 11 7,00 15,00 5,30 16,60 11,00 11,00 11,00 11,00 11,00 7,50 11,90 6,23 13,00 10,60 10,60 10,60 10,60 10,60 2,50 2,50 2,25 2,25 1,89 2,60 2,25 2,25 2,25 4,00 4,00 3,50 3,50 2,79 4,20 3.50 3,50 3,50 0,556 0,685 0,269 0,508 0,136 0,396 0,280 0,230 0,237 0,475 0,350 0,178 0,280 0,154 0,549 0,289 0,307 0,332
Ambos os valores para a ANOVA (Análise de Variância) dos dois planejamentos comportam-se como um modelo quadrático de acordo com suas equações de modelo, confirmando a presença de curvatura. Os dois planejamentos apresentaram o valor de R = 0,92, representando um experimento próximo ao perfeito. Especificamente, no segundo planejamento, houve efeito significativo na variável tensão.
As curvas de polarização do primeiro e do segundo planejamento utilizando energia da fonte elétrica estão representadas na Figura 3.
Figura 3 – Curva de polarização para o 1ºPCC (a) e o 2º PCC (b).
Obtêm-se no primeiro planejamento um início de produção de hidrogênio, caracterizada pelo valor da corrente, a partir de uma tensão aplicada de 1,50 V, próximo a indicado pela literatura (1,48 V). Não existe uma produção significante relacionando as 2 variáveis existentes, massa (%) e tensão (V). Os experimentos analisados apresentam uma produção abaixo 0,400 L/h. Observa-se que aumentando em 27% a concentração do eletrólito, de 11,00 para 15,00 %, o valor da corrente dobra, comprovando a importância da concentração no processo eletrolítico.
Para a análise do segundo planejamento, o experimento 7 (10,60% - 2,79V) atingiu o menor valor de tensão aplicado, dentre os outros estudados. Considerando que reatores eletrolíticos industriais operam com tensões até 2,10V por célula, podemos dizer que este experimento atingiu o valor mais próximo. Os valores adotados para a concentração do eletrólito podem ter sido baixos relacionado com o usual (ZENG et al, 2010). Obtendo um aumento de um pouco mais que 29% (7,50 para 10,60%) na concentração de KOH, pode-se atingir até 18 mA a mais de corrente.
Comparando os dois planejamentos, a quantidade de energia fornecida em Wh/m³, de acordo com a Tabela 2, é notavelmente maior (63,52% a mais) no segundo planejamento do que no primeiro. Esse fato pode ser explicado pela diferença de concentração de KOH, cerca de 43,36% mais concentrado no primeiro planejamento, mesmo aplicando uma tensão mais baixa (2,60 V). Dessa forma, isto comprova que o meio condutivo mais concentrado favoreceu a reação eletroquímica.
Em relação às eficiências da célula eletrolítica, em ambos os planejamentos, a eficiência farádica, bem como a térmica, teve seus resultados ótimos quando aplicadas tensões menores. Mas ainda, pode-se dizer que o primeiro planejamento atingiu valores mais próximos da realidade atual, entre 70 e 85%.
Considera-se, então, que o primeiro planejamento é o mais indicado para uma produção em larga escala, sabendo que há a necessidade de alguns ajustes, como a troca da membrana, por exemplo. Com
uma concentração de 16,60% e aplicando uma tensão de 2,60 V, o reator gera cerca de 0,841 L/h de hidrogênio, o maior valor obtido nesta pesquisa.
Tabela 2 – Melhores resultados
1º PCC Energia (Wh/m³) (conc./tensão) Potência (W) (conc./tensão) Efic. Farád. (%) (conc./tensão) Efic. Térm. (%) (conc./tensão) Fluxo (L/h) (conc./tensão) Exp. 8 – 278,78 (11%/2,60V) Exp. 4 – 0,18 (15%/2,50V) Exp. 7 - 65,08 (11%/1,89V) Exp. 7 - 78,31 (11%/1,89V) Exp. ótimo – 0,841 (16%/2,60V) 2º PCC Exp. 5 – 764,29 (6,23%/3,50V) Exp. 8 – 0,30 (10,6%/4,20V) Exp. 7 - 43,38 (11%/1,89V) Exp. 7 - 52,20 (11%/1,89V) Exp. 8 – 0,549 (10,6%/4,20V)
A membrana utilizada neste trabalho criou, em particular, uma alta resistência elétrica. Portanto, foram elaborados experimentos com e sem a presença da membrana. Os experimentos foram realizados nas condições ótimas correspondentes às do primeiro planejamento (16,60 % - 2,60 V). A Figura 4 apresenta este resultado.
Figura 4 – Testes com e sem o uso da membrana.
aplicando a mesma tensão de 2,60 V. A corrente para um reator sem membrana também foi favorável, considerando que houve aumento de 0,042 A (com membrana) para 0,158 A (sem membrana) em média, comprovando a resistência causada pelo uso da membrana considerada muito espessa, e consequentemente dificultando a passagem dos íons e a produção efetiva de hidrogênio.
4. CONCLUSÃO
Os dois planejamentos analisados ajudaram a relacionar o comportamento do reator eletrolítico em diferentes concentrações e níveis de tensão baixos e elevados. A produção de hidrogênio ficou abaixo do esperado considerando que as tensões aplicadas foram relativamente elevadas.
A variável tensão foi o fator que mais alterou o resultado. A concentração é um parâmetro importante e deve ser levado em conta, pois auxilia e acelera o processo junto a temperatura. O melhor ponto de funcionamento foi obtido com uma concentração em massa de KOH de 16,60% e uma tensão de 2,60V. O teste sem a membrana permitiu verificar que a mesma apresentou uma resistência alta, justificando o valor elevado das tensões.
5. REFERÊNCIAS
APPLEBY, A.J e FOULKES, F.R., Fuel Cell Handbook, Krieger Publishing Company Malabar,
Flórida. 1993.
LEROY, R. L. Industrial water electrolysis – present and future. Int. J. Hydrogen Energy, 8, 401-417,
1983.
PEREIRA, D. I. S. Avaliação de um reator constituído por eletrodos porosos de níquel para produção de
hidrogênio eletrolítico. Dissertação de Mestrado de Engenharia Química, UFCG, 2015.
SERVICE; R.F. Shrinking Fuel Cells Promise Power in Your Pocket; Science; 5571; 1222-1224, 2002. SUSAN; M. A. B. H; NODA, A; MITSUSHIMA, S; WATANABE, M. Brønsted acid–base ionic
liquids and their use as new materials for anhydrous proton conductors; Chemical Communication; 8; 938-939, 2003.
ZENG, K; ZHANG, D. Recent progress in alkaline water electrolysis for hydrogen production and
