Electrolizador (ionizador o activador) vs Generadores de agua con hidrógeno

Cómo funcionan los inonizadores y los generadores de agua H₂

A menudo, los electrolizadores también se denominan ionizadores o activadores de agua. Sin embargo, es más exacto llamarlos electrolizadores, ya que este nombre refleja la esencia de los procesos que ocurren en los dispositivos. ¿Cuál es la diferencia en el funcionamiento de los ionizadores de agua y los generadores de agua con hidrógeno?

¿Qué es un electrolizador (ionizador o activador)? ¿Qué es el agua activada o alcalina?

En el agua potable “flotan”:

Ca^₂+, Mg^₂+, Na⁺, K⁺, H⁺ cargados positivamente

HCO₃^-, SO₄^2-, Cl^-, OH^- cargados negativamente

La lista de iones siempre viene indicada en las etiquetas del agua embotellada.

Bajo la influencia de un campo eléctrico, los iones comienzan a moverse hacia el electrodo con carga opuesta, donde se producen reacciones químicas con ellos.

Aclaremos que los electrodos deben ser inertes, es decir, durante la electrólisis solo sirven como transmisores de electrones. El material de dichos electrodos no participa en los procesos de los electrodos (puede ser, por ejemplo, Pt (platino), Ir (iridio), es decir, los electrodos en sí no participan en la reacción. De lo contrario, el electrodo en sí reaccionará primero y se destruido (disuelto): Me (metal) —> Me⁺ + e^-, antes de que comiencen otras reacciones. Es comprensible que los electrodos hechos de platino o iridio sean muy caros, por lo que solo se fabrican con un recubrimiento de platino, y la calidad de este recubrimiento es. de importancia crítica.

Dado que todos los metales cuyos iones están presentes en nuestra agua potable (Ca, Mg, Na, K) se encuentran en la serie electroquímica:

Li→Cs→Rb→K→Ba→Sr→Ca→Na→Mg→Al→Ti→Mn→Zn→Cr→Fe→Cd→Co→Ni→Sn→Pb→H→Sb→Bi→Cu→Hg→Ag→Pd→Pt→Au

a la izquierda del aluminio inclusive, el metal no se reduce en el cátodo, pero el hidrógeno del agua sí se reduce. Esto sucede de la siguiente manera:
En el cátodo (-), 2 moléculas de agua se combinan con electrones para formar gas hidrógeno e iones OH-, es decir, un ambiente alcalino.

K(-) 2H₂O + 2e‾ → H₂ + 2OH^-

se forma cloro gaseoso

2Cl^- - 2e → Cl₂

Entonces, en el electrodo negativo se produce gas hidrógeno y un ambiente alcalino, en el electrodo positivo, gases de oxígeno y cloro y un ambiente ácido. Es importante señalar que el cloro es un gas venenoso.

Sin embargo, es importante que los productos de reacción se mezclen y reaccionen entre sí.

Durante esta mezcla, se forma hipoclorito mediante la reacción:

Cl₂ + 2OH^- → Cl^- + ClO^- + H₂O

Luego, a temperatura ambiente en una solución ácida, se forma clorato (un compuesto de ácido cloroso) mediante la reacción:

2HClO + ClO^- → ClO₃^- + 2H⁺ + 2Cl^-

¿Por qué es esencial que los generadores de agua con hidrógeno tengan una membrana SPE/PEM?

Ventajas de la membrana SPE/PEM de intercambio de protones

Gracias a la presencia de la membrana PEM/SPE, el hidrógeno se separa de los subproductos de la electrólisis: oxígeno y otras impurezas (como ozono y cloro). Esto significa que el usuario no necesita controlar meticulosamente la composición del agua. Sin membrana de intercambio de protones, utilizando agua con presencia de sales de cloro, el proceso de electrólisis iría acompañado de la emisión de un fuerte olor a cloro. La membrana de intercambio de protones actúa como un electrolito de polímero sólido, donde se produce la electrólisis, es decir, la electrólisis ocurre dentro de la membrana, y el agua no es el electrolito sino que solo está saturada con hidrógeno. Esto permite el uso de agua destilada o agua purificada por ósmosis inversa (agua RO). En dispositivos sin membrana PEM/SPE, el uso de agua destilada o RO no producirá hidrógeno.

Las membranas de intercambio de protones están hechas de electrolitos poliméricos sólidos (SPE). Estos electrolitos, que comprenden materiales con estructura polimérica, incluyen grupos funcionales capaces de disociarse para formar cationes o aniones. El movimiento dirigido de estos iones dentro de la estructura del polímero es lo que le da conductividad iónica.

2H₂O ——► O₂ + 4H⁺ + 4e^-

Luego se elimina el oxígeno de la zona de reacción. Los protones (H+) atraviesan la membrana hacia el cátodo, donde se reducen para formar hidrógeno gaseoso:

2H⁺ + 2e^- — ► H₂

En pocas palabras, en un generador de agua hidrogenada, los protones se conducen desde el ánodo (electrodo cargado positivamente) al cátodo (electrodo cargado negativamente).

Al mismo tiempo, la membrana de intercambio de protones sirve como aislante para los electrones y barrera para reactivos como oxígeno, hidrógeno, ozono y cloro.

La función principal de la membrana de intercambio de protones en un conjunto de electrodos de membrana (MEA) es separar reactivos y transferir protones a través de la membrana mientras bloquea el camino directo de los electrones a través de la membrana.

El uso de PEM para electrólisis fue introducido por primera vez en la década de 1960 por General Electric, que desarrolló esta tecnología para superar los inconvenientes de la tecnología de electrólisis alcalina.

El proceso de electrólisis mediante membrana de intercambio de protones (PEM) tiene varias ventajas:

Operaciones de alta densidad de corriente: uno de los beneficios más importantes de la electrólisis PEM es su capacidad para operar a altas densidades de corriente. Esta capacidad se debe al uso de un electrolito polimérico que permite que el electrolizador PEM funcione con una membrana muy delgada (aproximadamente 100-200 micrómetros) bajo alta presión. Esta configuración da como resultado pérdidas óhmicas bajas, principalmente debido a la conducción de protones a través de la membrana (0,1 S/cm), y conduce a un alto rendimiento de hidrógeno.

Alta pureza del producto: la membrana de electrolito polimérico, con su estructura sólida, tiene una baja tasa de permeación de gas. Este atributo contribuye a la altísima pureza del hidrógeno producido. La baja permeabilidad garantiza una contaminación cruzada mínima de los gases, lo cual es crucial en aplicaciones donde se requiere hidrógeno de alta pureza.

Estas características hacen que la electrólisis PEM sea particularmente adecuada para escenarios donde se requiere alta eficiencia, alta pureza y producción de hidrógeno a alta presión. Además, la naturaleza compacta del electrolizador, debido a la delgada membrana, permite que el sistema ocupe menos espacio en comparación con otras tecnologías de electrólisis.