Elektroliz Nedir? Elektroliz, suyun hidrojen ve oksijene ayrıştırılması işlemidir ve temiz enerji üretimi için muazzam bir potansiyele sahiptir. Bildiğimiz gibi su, iki hidrojen ve bir oksijen atomundan oluşur (H₂O). Doğru akım kullanılarak suyun bu temel bileşenlerine ayrıştırılması işlemine elektroliz denir. Elektroliz, elektrik enerjisi kullanarak gerçekleştirilen kimyasal bir ayrıştırma işlemidir.
Elektroliz ile hidrojen üretimi, en basit ve sade yöntemdir. Bu yolla ortaya çıkan hidrojen gazı, hidrojen yakıtı olarak kullanılabilir veya oksijenle birleştirilerek oksi-hidrojen gazı oluşturulabilir. Oksi-hidrojen gazı ise kaynak ve diğer uygulamalarda kullanılır.
Bir elektroliz hücresinde, genellikle düz bir metal veya karbon levhadan oluşan iki elektrot ve bunların içine daldırıldığı, elektrolit adı verilen iletken bir sıvı bulunur.
Suyun Ayrışması: Elektroliz Nedir ve Süreci Nasıl İşler?
Doğru akım kaynağı bu elektrotlara bağlandığında, akım iletken sıvı içinde, artı uçtan eksi uca doğru hareket eder. Bu sayede elektrolit içindeki su, katotta toplanan hidrojen ve anotta toplanan oksijene ayrışır. Burada suyun ayrıştırılması hedeflenirken, su iyi bir iletken değildir. Bu nedenle elektrolitin içine iletkenliği artıran potasyum oksit eklenir.
Suyun elektrolizi için, normal basınç ve sıcaklıkta, ideal olarak 1,23 volt yeterlidir. Tepkimenin yavaş ilerlemesi ve diğer etkenler sebebiyle elektroliz işleminde daha yüksek gerilimler kullanılır.
Hidrojen üretim hızı, doğrudan akım şiddetiyle orantılıdır. Bu sebeple ekonomik nedenlerle yüksek akım yoğunlukları tercih edilir. Bu yüzden pratikte suyun ayrıştırılması için hücre başına uygulanan gerilim, genellikle 2 volt düzeyindedir.
Sudan bir miktar akım geçtiğinde, açığa çıkan hidrojenin hacmi, oksijenin iki katıdır. Su, iki hidrojen ve bir oksijen atomundan oluşur. Suyun elektrolizinde anotta (+) oksijen, katotta (-) hidrojen gazı birikir. Çünkü hidrojen iyonu (H⁺) artı yüklü, oksijen (O⁻²) eksi yüklü olduğundan, eksi uç artı yüklü iyonu çeker.
Önemli Bilgi: Elektroliz kabından 1 Coulomb yük geçtiğinde, anotta 0,06 cm³ O₂, katotta 0,12 cm³ H₂ açığa çıkar.
Elektroliz ile Hidrojen Üretimi
Kuramsal olarak, her metreküp oksijen elementi için 2,8 kW-saat elektrik enerjisi yeterlidir. Uygulamada kullanılan elektrik enerjisi miktarı, bir metreküp hidrojen üretimi için 3,9-4,6 kW-saat aralığındadır. Bu doğrultuda elektroliz işleminin verimi %70 seviyelerindedir. Günümüzde bu alanda yapılan çalışmalar ve gelişen teknoloji ile %90 verim elde edilmiştir. Elektroliz hücrelerinde, nikel kaplı çelik elektrotlar kullanılmaktadır.
Nükleer yakıtlardan veya fosil yakıtlardan enerji elde edilir. Bu enerjinin elektroliz yoluyla suyun hidrojene dönüştürülmesinin verimi, bu yakıtlardan sağlanacak elektrik enerjisinin verimine bağlıdır.
Elektrik üretim verimi, modern fosil yakıt santralleri için %38 ve nükleer tesisler için %32 düzeyindedir. Suyun elektroliz hücresinin %80 verimle çalıştığı düşünülürse; fosil yakıtlardan elektroliz yoluyla hidrojen elde etmede toplam verim %25-30 olmaktadır.
Elektrik üretiminde ortaya çıkan ısı enerjisi, suyun ayrıştırılması için kullanıldığında, daha yüksek verim elde edilebilir. Ancak suyun ısı enerjisi ile ayrıştırılması için en az 25000°C’lik bir sıcaklık gereklidir.
Elektroliz ile Hidrojen Elde Edilmesi
Çeşme suyunun %10’luk H₂SO₄ (sülfürik asit) veya Ba(OH)₂ (baryum hidroksit) çözeltisi ile iletkenlik kazanması sağlanır. Sonrasında içerisinden doğru akım geçirilir. Bu şekilde platin elektrotlardan iki hacim elde edilir. Bir hacim sudan saf olarak H₂ gazı ve bir hacim de O₂ gazı elde edilmiş olur.
$$ 2H₂O \xrightarrow{\text{elektroliz}} 2H₂ + O₂ $$
Maliyet açısından bu yöntem pahalıdır. 1 ton suyun elektrolizi için bir saatte 4480kW elektrik harcanmaktadır.
Elektroliz ile Oksijen Elde Edilmesi
Elektrolit eklenmiş suyun içerisinden elektrik akımı geçirilir. Bu durumda saf olarak katotta hidrojen gazı, anotta ise oksijen gazı toplanır.
$$ 2H₂O → 2H₂ + O₂ $$
Örnek: 100 ml suyun elektrolizinden %20 kayıpla normal koşullarda kaç litre oksijen gazı elde edilebilir? (H=1, O=16)
Çözüm: Tepkime denklemi;
$$
\text{Kimyasal tepkime:} \quad \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_2 + \frac{1}{2} \text{O}_2
$$
Başlangıç miktarları ve oksijen hacmi hesaplaması:
$$
18 \, \text{ml H}_2\text{O} \quad \longrightarrow \quad \frac{22.4}{2} = 11.2 \, \text{L O}_2
$$
$$
100 \, \text{ml H}_2\text{O} \quad \longrightarrow \quad X \, \text{L O}_2
$$
Hacim hesaplama:
$$
X = \frac{100 \times 11.2}{18} = 62.2 \, \text{L O}_2
$$
Kayıp oranı %20 olduğunda net oksijen miktarı:
$$
\text{Toplam miktarın %100’ü:} \quad 62.2 \, \text{L O}_2
$$
$$
\text{Toplam miktarın %80’i:} \quad X = 0.8 \times 62.2 = 49.78 \, \text{L O}_2
$$
Sonuç:
$$
\text{Kayıp sonrası elde edilen oksijen miktarı:} \quad 49.78 \, \text{L O}_2
$$
NE ÇIKARSA BAHTINIZA RASTGELE TEKNİK İÇERİK İÇİN TIKLAYIN!
Suyun Ayrıştırılması ve Enerji Verimi
Suyun ayrıştırılması işlemi boyunca enerji verimliliğini artırmanın bir yöntemi vardır. Su buharı moleküllerini parçalamak için 2500-3000°C gibi yüksek sıcaklıklara çıkmak zorunda değiliz. Su 2500°C’ ye kadar ısıtıldığında, molekülleri elektroliz olmadan da parçalanır. Buna ısıl parçalanma denir.
Eğer 300-1000 °C sıcaklıklarda çok daha soğuk bir su buharı toz haline getirilmiş demirin üzerinden geçirilirse, demir oksijeni tutarak demir oksit oluşturur ve hidrojeni serbest bırakır. Daha sonra demir oksit oksijeni serbest bırakır ve yeniden oksitsiz toz halde demir bırakacak şekilde ısıtılabilir.
Bu işlem çok büyük miktarlarda toz demir ile tekrarlanarak yeterince hidrojen gazı elde edilebilir. Bu, termokimyasal yönteme bir örnektir. Ancak bu kadar yüksek sıcaklıklara çıkmak zordur. Bunun için, suyun örneğin 100 – 850°C’ ye kadar ısıtılıp, sonra elektroliz yapılması hedeflenmektedir.
Böylece, ayrıştırma işlemi biraz ısı, biraz da elektrolizle gerçekleştirilir. Isıtma işleminde, tek enerji kaybı ısı kaçaklarından olduğu için, verim yüksektir. Elektriğin buhar döngüsüyle eldesi ise, yaklaşık 1/3 termodinamik verim ile gerçekleşmektedir. Bu nedenle ayrıştırma işlemi biraz ısı ve biraz da elektrolizle gerçekleştirildiğinde, toplam enerji verimi artırılabilir.
