Célula de membrana electrolítica

Tipos de células de membrana electrolítica

La célula de membrana electrolítica es esencial para dividir los compartimentos de reacción química y permitir que solo iones específicos pasen a través de ella. Existen cuatro tipos principales de células de membrana electrolítica, basados en la membrana y el diseño de la célula.

• Electrólisis de solución de NaCl por células de membrana de intercambio iónico

  Este tipo de célula produce principalmente hidróxido de sodio, cloro e hidrógeno a través de la electrólisis de soluciones de NaCl. Las membranas de intercambio iónico se han utilizado durante unos 40 años para separar los compartimentos electrolíticos. Por ejemplo, el polímero fluorado DF-121 puede resistir el ambiente corrosivo del cloro en el lado del ánodo y permitir selectivamente el paso de iones Na+. Este diseño de celda tiene dos reacciones de semicelda separadas por una membrana de intercambio aniónico. La concentración de NaCl en el electrolito puede ser baja, incluso a nivel de saturación, para mejorar la vida útil de la membrana y el rendimiento de eliminación de burbujas de gas.

• Electrólisis de agua con células de membrana de intercambio de protones

  Las membranas de intercambio de protones (PEM) permiten el flujo de protones. La fórmula general de una PEM es HO(SO3H) n OH. En las células de electrólisis PEM, el agua se descompone en oxígeno e hidrógeno mediante una corriente eléctrica. Un componente esencial de las PEM es el electrolito polimérico sólido, que actúa como separador y conductor. Nafion es un ejemplo de electrolito polimérico sólido que puede conducir protones a altos niveles de pureza. Además, Nafion exhibe estabilidad térmica y resistencia a las reacciones químicas de oxidación y reducción. Esta característica permite el uso seguro y eficiente de la membrana como separador dentro del reactor electroquímico.

• Electrólisis de sal fundida con membranas conductoras cerámicas

  Las membranas conductoras iónicas cerámicas suelen estar presentes en los procesos de electrólisis a alta temperatura. Facilitan el transporte de iones utilizando materiales electrolíticos de estado sólido como la zirconia estabilizada con itria (YSZ). El electrolito YSZ tiene una alta conductividad iónica. Esta característica es adecuada para operar a temperaturas extremas para producir el movimiento del oxígeno y los iones en consecuencia. Las pilas de combustible de óxido sólido y las células de electrólisis suelen emplear YSZ como electrolito. El oxígeno en la célula electrolítica reacciona con el ánodo, formando así vacantes de red que permiten que los iones de oxígeno se desplacen a través de la membrana desde el ánodo hasta el cátodo.

• Células electroquímicas y con plantilla para la reformado directo de metano con vapor

  Las TEM (membranas electroquímicas porosas asistidas por plantillas) son nuevos materiales de membrana formados por nanoestructuras porosas que comprenden el electrolito. Los materiales cerámicos conductores sirven como material de plantilla. Las reacciones electroquímicas tienen lugar en la membrana. La TEM sólida es segura, fiable y respetuosa con el medio ambiente. La investigación muestra que la membrana de reformado electroquímico de metano puede producir hidrógeno. El electrolito de óxido sólido en la célula de membrana electroquímica tiene una buena resistencia y durabilidad, y puede trabajar a altas temperaturas con propiedades químicas estables.

Especificaciones y mantenimiento de las células de membrana electrolítica

Las principales especificaciones de las células de membrana electrolítica son la densidad de corriente, la tensión de la célula, la capacidad de producción, el consumo de energía, la temperatura de funcionamiento y la presión.

• Densidad de corriente: La densidad de corriente es la cantidad de corriente eléctrica (densidad) que pasa por cada unidad de área del electrodo (cátodo y ánodo) en la célula electrolítica por unidad de tiempo. La densidad de corriente suele expresarse en unidades de amperios por metro cuadrado (A/m2). La densidad de corriente tiene un impacto significativo en varios aspectos, como la capacidad de producción, el consumo de energía y la estabilidad de la célula.
• Tensión de la célula: La tensión de la célula se refiere a la tensión producida por las reacciones químicas y la transferencia de iones dentro de la célula electrolítica durante el proceso de electrólisis. La tensión afecta directamente a la entrada de energía y al consumo de energía de la célula electrolítica.
• Capacidad de producción: Suele referirse a la cantidad de producto generado por la célula en un período de tiempo determinado, como la cantidad de hidrógeno e hidróxido producidos mediante la electrólisis del agua.
• Consumo de energía: El consumo de energía corresponde a la cantidad de electricidad consumida durante el proceso de electrólisis, que suele expresarse en kilovatios-hora por tonelada de producto o alguna otra unidad.
• Temperatura de funcionamiento: La temperatura de funcionamiento de una célula electrolítica se refiere a la temperatura a la que la célula funciona durante el proceso de electrólisis. Esta temperatura afecta a la cinética de reacción de la célula, la conductividad y el rendimiento general.
• Presión de funcionamiento: La presión de funcionamiento de la célula electrolítica se refiere a la presión a la que la célula funciona durante el proceso de electrólisis. La presión influye en la velocidad de reacción de la célula, la transferencia de masa y la estabilidad.

El mantenimiento de la célula de membrana electrolítica puede prolongar la vida útil y mantener un rendimiento de funcionamiento óptimo. Los métodos de mantenimiento son la limpieza, la inspección y reparación, la sustitución de piezas, el mantenimiento del sistema y las precauciones de seguridad.

• Limpieza: Limpie regularmente las superficies del interior y el exterior de las células electrolíticas para eliminar la suciedad y los depósitos. Utilice agentes de limpieza y equipos adecuados para garantizar una limpieza a fondo y enjuague en seco.
• Inspección y reparación: Inspeccione regularmente las células electrolíticas para detectar deformaciones, fugas, corrosión y otros problemas. Si se detecta algún problema, repare o reemplace las piezas a tiempo para garantizar la estabilidad y la fiabilidad de la célula.
• Sustitución de piezas: Según el estado de funcionamiento del equipo y los planes de mantenimiento, sustituya las piezas de la célula electrolítica, como los electrodos, las membranas, etc. Asegúrese de que la calidad y las especificaciones de las piezas sustituidas cumplan los requisitos.
• Mantenimiento del sistema: Preste también atención al mantenimiento de los sistemas de la célula electrolítica, como los sistemas de alimentación eléctrica, los sistemas de circulación del electrolito, etc. Inspeccione y mantenga regularmente estos sistemas auxiliares para garantizar su correcto funcionamiento y estabilidad.
• Precauciones de seguridad: Garantice la seguridad del personal de mantenimiento siguiendo las instrucciones de funcionamiento de mantenimiento y las precauciones de seguridad. Manipule correctamente los materiales peligrosos y asegúrese de un entorno de trabajo seguro.

Aplicaciones de las células de membrana electrolítica

Las células de membrana electrolítica desempeñan funciones diversas y esenciales tanto en la industria química como en los laboratorios de investigación.

• Electrólisis de cloruro de sodio para la producción de cloro:

La industria cloro-álcali demuestra una aplicación principal de las células de membrana en la electrólisis del cloruro de sodio específicamente para producir gas cloro, hidróxido de sodio y gas hidrógeno. Las células de membrana separan deliberadamente los gases hidrógeno y cloro producidos para evitar reacciones explosivas y facilitar una manipulación segura.

• Producción de hidróxido de potasio:

Al igual que el hidróxido de sodio, el hidróxido de potasio también puede producirse mediante el proceso cloro-álcali utilizando membranas específicas para la separación de los iones potasio.

• Producción de hipoclorito de sodio:

La utilización de células de membrana para electrolizar soluciones de cloruro de sodio no solo produce hidróxido de sodio, sino también hipoclorito de sodio, que se emplea habitualmente como desinfectante y blanqueador.

• Apoyo a la síntesis química:

Las células de membrana electrolítica también sirven como equipo crítico para las reacciones químicas sintéticas. Por ejemplo, en la producción de compuestos orgánicos o polímeros específicos, estos compuestos pueden requerir el uso de reactivos electrogenerados o la utilización de vías electroquímicas para su síntesis.

• Tecnología de pilas de combustible:

Las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC) emplean membranas de electrólisis para la conversión de energía química, que proviene del hidrógeno, en energía eléctrica. Esta conversión se produce mediante reacciones electroquímicas. Las pilas de combustible funcionan de forma eficiente a bajas temperaturas, lo que las convierte en candidatas adecuadas para su aplicación en vehículos y dispositivos electrónicos portátiles.

• Producción de hidrógeno verde:

Las células de electrólisis de membrana son muy prometedoras para la producción sostenible de hidrógeno, que se conoce como hidrógeno verde. Mediante la aplicación de la electrólisis del agua, las células de membrana pueden generar hidrógeno, representando así una fuente de energía limpia con sostenibilidad ambiental, ya que no liberan dióxido de carbono durante el proceso de producción.

Cómo elegir una célula de membrana electrolítica

Elegir las células de membrana electrolítica adecuadas para los requisitos de los clientes puede ser complicado debido a las numerosas posibilidades y al impacto en el producto final.

Al decidir qué sistemas de células de membrana seleccionar para un proceso de producción, los compradores deben tener en cuenta lo siguiente:

• Tipos de membrana: El tipo de membrana utilizada en las células determina la compatibilidad con diversas materias primas, temperaturas y presiones de funcionamiento, y el coste. Los compradores deben investigar y analizarlas cuidadosamente.
• Durabilidad y vida útil de la célula: La durabilidad de la membrana y la vida útil de la célula pueden variar, por lo que los compradores deben seleccionar aquellas con una larga vida útil y menores necesidades de mantenimiento. Si se produce una falla en la membrana o una avería en la célula, esto provocará gastos de reparación y reemplazo y tiempo de inactividad para el proceso de producción.
• Coste: El precio de los materiales, la construcción de la célula, los gastos operativos y los posibles ahorros derivados de la durabilidad o la eficiencia de la membrana afectarán al coste total del sistema de células electrolíticas.
• Reputación del proveedor: Elija un proveedor de confianza con un historial probado de producción de membranas y células de alta calidad para garantizar un rendimiento fiable y una asistencia adecuada durante toda la vida útil de la célula. Compruebe también si ofrecen servicios de consultoría para optimizar el diseño de la membrana y la célula, o para resolver cualquier problema que surja durante el funcionamiento.
• Asistencia técnica: Es crucial contar con un sólido apoyo técnico del proveedor, que también debe poder ayudar en caso de que haya algún problema con la membrana o el diseño de la célula. Una membrana que no sea compatible con la célula, o viceversa, puede provocar pérdidas de producción significativas.
• Investigación y desarrollo: La innovación en I+D en relación con las membranas, los materiales para membranas y el diseño de células debe ser un factor crítico a la hora de decidir qué proveedor elegir. La colaboración a largo plazo necesaria para una producción sostenible dependerá del compromiso del proveedor para mejorar el producto en beneficio de los compradores a largo plazo.

Preguntas y respuestas

P1 ¿Cuál es la tendencia general del mercado de las células electrolíticas?

A1 Es probable que el mercado de las células electrolíticas experimente un crecimiento estable en los próximos años debido a la expansión de las industrias existentes de fabricación de células.

P2 ¿Cuáles son los tres tipos de células electrolíticas?

A2 Los tres tipos de células electrolíticas son la electrólisis de sal fundida, la electrólisis de soluciones acuosas y la electrólisis de óxidos fundidos.

P3 ¿Cuál es la finalidad de una célula electrolítica?

A3 Una célula electrolítica se utiliza para inducir un cambio o reacción química en un compuesto haciendo pasar una corriente eléctrica a través de él. Los cambios químicos en los compuestos iónicos son el principal objetivo de las reacciones que tienen lugar en el interior de las células electrolíticas.

P4 ¿Cuáles son las ventajas de las células electrolíticas?

A4 La célula electrolítica prepara compuestos a partir de materias primas fácilmente disponibles. Además, el proceso es energéticamente eficiente.