OBTENCIÓN DE HIDROGENO POR ELECTRÓLISIS DE AGUA DE MAR

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OBTENCIÓN DE HIDROGENO POR ELECTRÓLISIS DE AGUA

OBTENCIÓN DE HIDROGENO POR ELECTRÓLISIS DE AGUA DE

DE

MAR, CON LA FINALIDAD DE SU USO COMO COMBUSTIBLE O

MAR, CON LA FINALIDAD DE SU USO COMO COMBUSTIBLE O

VECTOR ENERGETICO

VECTOR ENERGETICO

AUTORES: AUTORES: Palacios Espinoza,

Palacios Espinoza, JeffersJeffers  jfrs_x@hotmai jfrs_x@hotmail.coml.com

Flores Sánchez, Edgar

Flores Sánchez, Edgar imffloressanchez_85@hotmail.comimffloressanchez_85@hotmail.com

Días Espinoza, Carlos

Días Espinoza, Carlos carloslem16@hotmail.comcarloslem16@hotmail.com

Galarza Medina, Pablo

Galarza Medina, Pablo katto_30@hotmail.comkatto_30@hotmail.com

ASESOR: ASESOR: Ing. Aldo Delgado Acevedo

Ing. Aldo Delgado Acevedo alddelgado@gmail.comalddelgado@gmail.com

Ing.

Ing. Cesar Cesar Quispe Quispe Gonzáles Gonzáles cquispeg@yahoo.comcquispeg@yahoo.com

E.A.P. INGENIERIA MECANICA DE FLUIDOS, FACULTAD DE CIENCIAS FISICAS, E.A.P. INGENIERIA MECANICA DE FLUIDOS, FACULTAD DE CIENCIAS FISICAS,

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS. UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS.

Av. Venezuela cuadra 34 s/n – Lima Av. Venezuela cuadra 34 s/n – Lima

Telefono 6197000 anexo 3806 Telefono 6197000 anexo 3806

RESUMEN RESUMEN

En la siguiente investigación se plantea el análisis de una forma adecuada para el Perú de obtener hidrogeno por En la siguiente investigación se plantea el análisis de una forma adecuada para el Perú de obtener hidrogeno por medio de la descomposición electrolítica del agua de mar, para su posterior uso como combustible alternativo medio de la descomposición electrolítica del agua de mar, para su posterior uso como combustible alternativo  puesto

 puesto que que el el hidrógeno hidrógeno puede puede ser ser quemado quemado como como cualquier cualquier combustible, combustible, incluso incluso puede puede utilizarse utilizarse como como unun  portador

 portador energético, energético, para para generar generar nuevamente nuevamente energía energía eléctrica eléctrica mediante mediante las las llamadas llamadas celdas celdas de de combustible,combustible,  precisando que en

 precisando que en estas el único estas el único residuo es vapor residuo es vapor de agua. de agua. Es así que Es así que las grandes potencias mundiales las grandes potencias mundiales e inclusoe incluso  países

 países muy muy cercanos cercanos al al nuestro nuestro como como Argentina, Argentina, Brasil Brasil y y Chile Chile ya ya están están inmiscuidos inmiscuidos en en el el desarrollo desarrollo de de estaesta tecnología, colocando al hidrogeno como principal alternativa energética. Es por ello que el Perú no debe ser tecnología, colocando al hidrogeno como principal alternativa energética. Es por ello que el Perú no debe ser ajeno a estos avances y debería fomentar mecanismos para un desarrollo limpio, que puedan impulsar la ajeno a estos avances y debería fomentar mecanismos para un desarrollo limpio, que puedan impulsar la autosuficiencia como país productor de su propia energía.

autosuficiencia como país productor de su propia energía. ABSTRACT ABSTRACT

In the following investigation he/she thinks about the analysis in an appropriate way for the Peru of obtaining I In the following investigation he/she thinks about the analysis in an appropriate way for the Peru of obtaining I hydrogenate by means of the electrolytic decomposition of the seawater, for their later use as alternative fuel hydrogenate by means of the electrolytic decomposition of the seawater, for their later use as alternative fuel since the hydrogen can be burnt as any fuel, it can even be used as an energy payee, to generate electric power since the hydrogen can be burnt as any fuel, it can even be used as an energy payee, to generate electric power again by means of the calls cells of fuel, specifying that in these the only residual is vapor of water. It is so the again by means of the calls cells of fuel, specifying that in these the only residual is vapor of water. It is so the  big

 big world powers world powers and even and even very near very near countries to countries to ours as ours as Argentina, Brazil Argentina, Brazil and Chile and Chile are already are already mixed in mixed in thethe development of this technology, placing to the I hydrogenate as main energy alternative. It is for it that the Peru development of this technology, placing to the I hydrogenate as main energy alternative. It is for it that the Peru should not be unaware to

should not be unaware to these advances and it should foment mechanisms for a clean development that these advances and it should foment mechanisms for a clean development that you/theyyou/they

can impel the self-sufficiency like country producing of its own energy.

can impel the self-sufficiency like country producing of its own energy.

INTRODUCCION INTRODUCCION

El uso de combustibles fósiles va trayendo serias consecuencias, no solo por la crisis de reservas y su respectiva El uso de combustibles fósiles va trayendo serias consecuencias, no solo por la crisis de reservas y su respectiva alza de precios, sino también por los graves sucesos acontecidos por el calentamiento global. Es por eso que el alza de precios, sino también por los graves sucesos acontecidos por el calentamiento global. Es por eso que el uso de hidrocarburos se viene replanteando por energías no convencionales, de entre ella el hidrogeno se viene uso de hidrocarburos se viene replanteando por energías no convencionales, de entre ella el hidrogeno se viene  perfilando como principal sucesor,

 perfilando como principal sucesor, pero se requiere un pero se requiere un método eficiente para su método eficiente para su obtención, en obtención, en la mayoría de la mayoría de loslos casos

casos se obtiene por reforse obtiene por reformado del gas natural, permado del gas natural, pero estos procesos todavía emo estos procesos todavía emanan gases tóxicos al medioanan gases tóxicos al medio ambiente. Otros métodos que se están desarrollando son por gasificación de biomasa y electrólisis, este ultimo es ambiente. Otros métodos que se están desarrollando son por gasificación de biomasa y electrólisis, este ultimo es usado en algunos países, los cuales usan

usado en algunos países, los cuales usan la electricidad proveniente de aerogeneradores o paneles solares, lo cualla electricidad proveniente de aerogeneradores o paneles solares, lo cual es asequible de acuerdo a la condición climática y geográfica de cada país. El Perú es un país donde los pisos es asequible de acuerdo a la condición climática y geográfica de cada país. El Perú es un país donde los pisos altitudinales marcan diferencias de relieve, clima, suelo, vegetación; además existen factores que hacen que altitudinales marcan diferencias de relieve, clima, suelo, vegetación; además existen factores que hacen que nuestro país presente una gran variedad de climas, como la cordillera de los andes, el anticiclón del pacifico sur, nuestro país presente una gran variedad de climas, como la cordillera de los andes, el anticiclón del pacifico sur, corriente oceánica peruana, corriente de “El niño”, entre otros. Es por estas razones que no se puede hablar de corriente oceánica peruana, corriente de “El niño”, entre otros. Es por estas razones que no se puede hablar de una condición uniforme de trabajo para aerogeneradores o paneles solares, más aun la aplicación de estos una condición uniforme de trabajo para aerogeneradores o paneles solares, más aun la aplicación de estos dispositivos son limitados a zonas donde presenten las condiciones necesarias para su uso. Analizando esta dispositivos son limitados a zonas donde presenten las condiciones necesarias para su uso. Analizando esta situación utilizaremos para este caso, la energía eléctrica de la red de distribución y nos centraremos en brindar situación utilizaremos para este caso, la energía eléctrica de la red de distribución y nos centraremos en brindar un aporte mediante el aprovechamiento del agua de mar (sabiendo que es un recurso muy abundante y poco un aporte mediante el aprovechamiento del agua de mar (sabiendo que es un recurso muy abundante y poco utilizado) como electrolito en la obtención

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DESARROLLO DEL TRABAJO DESARROLLO DEL TRABAJO

1.

1. Análisis fisicoquímico del agua de mar.Análisis fisicoquímico del agua de mar. Como sabemos el agua de los océanos no es Como sabemos el agua de los océanos no es  pura,

 pura, sino sino que que contiene contiene en en solución solución una una grangran variedad de elementos y compuestos químicos variedad de elementos y compuestos químicos llamados sales, en una proporción de 96.5% y llamados sales, en una proporción de 96.5% y 3.5% de estos últimos.

3.5% de estos últimos.

Las sales disueltas en el océano están formadas Las sales disueltas en el océano están formadas  por

 por 10 10 elementos elementos principales principales por por encontrarseencontrarse en mayores proporciones: cloro, sodio, en mayores proporciones: cloro, sodio, magnesio, azufre, calcio, potasio, bromo, magnesio, azufre, calcio, potasio, bromo, estroncio, boro y flúor.

estroncio, boro y flúor.

• El cloro y el sodio son losEl cloro y el sodio son los

constituyentes fundamentales del agua constituyentes fundamentales del agua de mar y se encuentran en forma de de mar y se encuentran en forma de cloruro de sodio que se conoce como cloruro de sodio que se conoce como sal común. Representa el 80% de las sal común. Representa el 80% de las

sales en solución.

sales en solución.

• Después del cloro y el sodio, elDespués del cloro y el sodio, el

magnesio es el elemento más magnesio es el elemento más abundante en el agua del mar, se abundante en el agua del mar, se encuentra en una relación constante encuentra en una relación constante respecto al cloro. Se combina con respecto al cloro. Se combina con otros elementos formando cloruro de otros elementos formando cloruro de magnesio, sulfato de magnesio y magnesio, sulfato de magnesio y  bromuro

 bromuro de de magnesio.magnesio.

• El azufre se encuentra en forma deEl azufre se encuentra en forma de

sulfatos, compuestos cuya

sulfatos, compuestos cuya

concentración varia poco, aunque concentración varia poco, aunque  pueden

 pueden cambiar cambiar notablemente notablemente sussus  proporciones en las

 proporciones en las aguas próximas alaguas próximas al litoral debido a la influencia de las litoral debido a la influencia de las aguas fluviales, más ricas en sulfatos aguas fluviales, más ricas en sulfatos

que las marinas.

que las marinas.

• La cantidad de calcio que contienenLa cantidad de calcio que contienen

las aguas oceánicas es menor que la las aguas oceánicas es menor que la de los elementos anteriores y su de los elementos anteriores y su relación con el cloro permanece relación con el cloro permanece

relativamente constante.

relativamente constante.

• El sexto elemento en abundancia es elEl sexto elemento en abundancia es el

 potasio,

 potasio, que que tiene tiene su su relaciónrelación constante con el cloro. En las zonas constante con el cloro. En las zonas litorales la cantidad de potasio puede litorales la cantidad de potasio puede modificarse al ser asimilado por los modificarse al ser asimilado por los vegetales marinos que tapizan el vegetales marinos que tapizan el fondo costero. En la cantidad de fondo costero. En la cantidad de  potasio

 potasio también también intervienen intervienen otrosotros factores como: aportes de agua dulce, factores como: aportes de agua dulce,  presencia

 presencia en en el el agua agua del del mar mar dede sustancia orgánica en descomposición sustancia orgánica en descomposición llamada detritus y formación de llamada detritus y formación de

compuestos arcillosos.

compuestos arcillosos.

• El bromo forma bromuros, aunque suEl bromo forma bromuros, aunque su

 proporción

 proporción es es pequeña, pequeña, se se ha ha logradologrado extraerlo en cantidades industriales y extraerlo en cantidades industriales y se utiliza como detonante e los se utiliza como detonante e los

combustibles líquidos.

combustibles líquidos.

• El estroncio es un elemento que se haEl estroncio es un elemento que se ha

encontrado en el agua oceánica pero encontrado en el agua oceánica pero ha sido poco estudiado, se detecta ha sido poco estudiado, se detecta  junto

 junto con con el el calcio calcio por por la la dificultaddificultad

técnica para poder separarlo.

técnica para poder separarlo.

• El boro esta formado de acido bóricoEl boro esta formado de acido bórico

y colabora en el equilibrio de los y colabora en el equilibrio de los carbohidratos.

carbohidratos.

• El El flúor flúor constituye constituye fluorurosfluoruros

conociéndose poco sobre su

conociéndose poco sobre su

significado en el mar.

significado en el mar.

Además de estos elementos que se encuentran Además de estos elementos que se encuentran en mayor proporción y en concentraciones en mayor proporción y en concentraciones constantes en el agua del mar, existen otros que constantes en el agua del mar, existen otros que están disueltos en pequeñas cantidades están disueltos en pequeñas cantidades resultando difícil identificarlos con técnicas resultando difícil identificarlos con técnicas sencillas de análisis químicos.

sencillas de análisis químicos. 2.

2. Balance energético y volumétrico delBalance energético y volumétrico del proceso electrolítico.

proceso electrolítico.

Se debe tomar en cuenta las leyes

Se debe tomar en cuenta las leyes de Faraday:de Faraday:

• Primera Ley dePrimera Ley de FaradayFaraday:: “La masa de un “La masa de un

elemento depositada en un electrodo es elemento depositada en un electrodo es  proporcional

 proporcional a a la la cantidad cantidad de de electricidadelectricidad que pasa a través de la solución del que pasa a través de la solución del electrolito o del electrolito fundido”. electrolito o del electrolito fundido”.

t  t  ii m m ==

ζ 

ζ 

..

..

………..(1)………..(1) Donde

Donde ζζ es una constante que depende deles una constante que depende del

catión y se denomina

catión y se denomina equivalenteequivalente electroquímico

electroquímico

• Segunda Ley deSegunda Ley de FaradayFaraday:: “Las masas de “Las masas de

elementos que se depositan en los elementos que se depositan en los electrodos son proporcionales a los electrodos son proporcionales a los equivalentes químicos”.

equivalentes químicos”.

Ambas conclusiones en términos matemáticos Ambas conclusiones en términos matemáticos  pueden

 pueden ser ser expresadas expresadas mediante mediante una una solasola

relación en la forma: relación en la forma:  F   F  ee t  t  ii n n

..

..

= =  ……….(2)  ……….(2) Donde

Donde nn es el número de moles depositados en es el número de moles depositados en el electrodo,

el electrodo, i. i. t t  es la carga total en coulombs es la carga total en coulombs

que circula por la disolución y

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cantidad de carga denominada faraday, que cantidad de carga denominada faraday, que equivale a la carga eléctrica de un mol de equivale a la carga eléctrica de un mol de electrones, es decir:

electrones, es decir: 1 faraday = N

1 faraday = NAA e- = 96500 C e- = 96500 C

Finalmente

Finalmente ee  representa, en la fórmula, el  representa, en la fórmula, el número de cargas del Ion en cuestión.

número de cargas del Ion en cuestión. Para

Para tener una tener una alta producción alta producción de hidrogeno,de hidrogeno, también hay que tomar en cuenta que la también hay que tomar en cuenta que la electrolisis cumple con la ley de Ohm. Los electrolisis cumple con la ley de Ohm. Los amperes determinan la cantidad de hidrogeno amperes determinan la cantidad de hidrogeno en gramos producido, el cual se calcula con la en gramos producido, el cual se calcula con la ley de Faraday. La electrolisis se comporta ley de Faraday. La electrolisis se comporta como una resistencia en un circuito eléctrico y como una resistencia en un circuito eléctrico y esta misma esta dada por tres cosas: esta misma esta dada por tres cosas:

a)

a) El diámetro (y comunicación) de losEl diámetro (y comunicación) de los electrodos.

electrodos.  b)

 b) La distLa distancia ancia entre eleentre electrodos.ctrodos. c)

c) La fuerza y concentración del acido oLa fuerza y concentración del acido o  base utilizada.

 base utilizada.

La hidrólisis del agua depende de la ley de La hidrólisis del agua depende de la ley de Ohm, donde la cantidad de Volt, puede ser Ohm, donde la cantidad de Volt, puede ser muy alta pero lo que determina la máxima muy alta pero lo que determina la máxima eficiencia de producción de hidrogeno, es el eficiencia de producción de hidrogeno, es el aumento de electrones que pasan de

aumento de electrones que pasan de un electrónun electrón a otro.

a otro. 3.

3. Selección de los electrodos.Selección de los electrodos.

Una vez conocidos los componentes del agua Una vez conocidos los componentes del agua de mar y los

de mar y los parámetros del balance energético,parámetros del balance energético, se procederá a una selección adecuada de los se procederá a una selección adecuada de los electrodos:

electrodos:

• El material mas adecuado encontradoEl material mas adecuado encontrado

en este estudio para actuar como en este estudio para actuar como cátodo es el fierro fundido con níquel, cátodo es el fierro fundido con níquel,  puesto

 puesto que que es es un un buen buen conductorconductor eléctrico, es inerte a la reacción eléctrico, es inerte a la reacción electrolítica de la solución y no electrolítica de la solución y no cambia sus propiedades a lo largo del cambia sus propiedades a lo largo del  proceso.

 proceso.

• El material mas adecuado para actuarEl material mas adecuado para actuar

como ánodo es el grafito, puesto que como ánodo es el grafito, puesto que no se oxida, libera perfectamente el no se oxida, libera perfectamente el cloro, es buen conductor de cloro, es buen conductor de electricidad y no presenta mayores electricidad y no presenta mayores variaciones en su estructura.

variaciones en su estructura. 4.

4. Electrólisis.Electrólisis.

Para el la electrolisis se utilizaron los Para el la electrolisis se utilizaron los siguientes materiales:

siguientes materiales:

MATERIALES

MATERIALES INSTRUMENTOS INSTRUMENTOS //

EQUIPOS EQUIPOS Ánodo:

Ánodo: grafito grafito TermómetrTermómetroo Cátodo: fierro fundido

Cátodo: fierro fundido con níquel. con níquel. Ph meter Ph meter Material sellante: Material sellante: silicona y poxilina. silicona y poxilina.

Fuente de poder 24 amp. Fuente de poder 24 amp. 27 volt

27 volt Mangueras

Mangueras Balanza Balanza digitaldigital Probetas

Probetas Multi Multi testertester Buretas Buretas Recipientes Plásticos Recipientes Plásticos Muestra de agua de Muestra de agua de mar: 1litro mar: 1litro

Tabla 1. Materiales para la electrolisis. Tabla 1. Materiales para la electrolisis.

El proceso consiste en aplicar una corriente El proceso consiste en aplicar una corriente continua en una solución acuosa (agua de mar) continua en una solución acuosa (agua de mar)

mediante dos electrodos, ocasionando

mediante dos electrodos, ocasionando

reacciones de oxido reducción, que permiten reacciones de oxido reducción, que permiten obtener hidrogeno gaseoso (el cual será obtener hidrogeno gaseoso (el cual será captado por una bureta y luego transportada al captado por una bureta y luego transportada al recipiente en el cual se almacenara) y sales recipiente en el cual se almacenara) y sales  precipitadas en

 precipitadas en el el cátodo, cátodo, cloro cloro gaseoso gaseoso (igual(igual que en el caso del hidrogeno, se captara con que en el caso del hidrogeno, se captara con una bureta y se transportara a su respectivo una bureta y se transportara a su respectivo recipiente) en el ánodo, e hipocloritos en recipiente) en el ánodo, e hipocloritos en solución residual.

solución residual.

Figura 1. Esquema del proceso de electrolisis. Figura 1. Esquema del proceso de electrolisis.

En general la conductividad eléctrica de las En general la conductividad eléctrica de las soluciones se debe a la disociación soluciones se debe a la disociación electrolítica; es decir que los iones son los electrolítica; es decir que los iones son los  portadores

 portadores de de la la electricidad electricidad en en el el seno seno de de lala solución. Al aplicar una diferencia de potencial solución. Al aplicar una diferencia de potencial entre los electrodos, los aniones y los cationes entre los electrodos, los aniones y los cationes se mueven en sentidos opuestos y a se mueven en sentidos opuestos y a

velocidades características, transportando

velocidades características, transportando

fracciones diferentes de la intensidad de fracciones diferentes de la intensidad de corriente total que circula por la solución. corriente total que circula por la solución. Como se sabe para hacer conductora el agua es Como se sabe para hacer conductora el agua es necesario añadirle alguna sustancia iónica, las necesario añadirle alguna sustancia iónica, las mas comunes son el acido sulfúrico y el mas comunes son el acido sulfúrico y el hidróxido de sodio. Sales que en nuestro caso hidróxido de sodio. Sales que en nuestro caso serán suplidas por el agua de mar que presenta serán suplidas por el agua de mar que presenta una variedad de ellas.

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5.

5. Análisis y aplicación del hidrogeno yAnálisis y aplicación del hidrogeno y subproductos obtenidos.

subproductos obtenidos.

Los métodos actuales para producir hidrogeno, Los métodos actuales para producir hidrogeno, tales como el reformado, se apoyan en el uso tales como el reformado, se apoyan en el uso del gas natural y otros hidrocarburos, estando del gas natural y otros hidrocarburos, estando este impactado por los asuntos de emisiones este impactado por los asuntos de emisiones del anhídrido carbónico y el incremento de los del anhídrido carbónico y el incremento de los  precios

 precios del del petróleo. petróleo. Soluciones Soluciones alternativasalternativas como la electrolisis a través del agua del mar, como la electrolisis a través del agua del mar, que presentamos en este proyecto, podría que presentamos en este proyecto, podría convertirse en una solución dado que se convertirse en una solución dado que se obtiene hidrogeno y productos que podrían ser obtiene hidrogeno y productos que podrían ser utilizados en la industria.

utilizados en la industria.

Figura 2. Producción actual de

Figura 2. Producción actual de hidrogenohidrogeno •

• El hidrogeno es un combustible limpioEl hidrogeno es un combustible limpio

cuando se quema con aire y produce cuando se quema con aire y produce emisiones no contaminantes, excepto para emisiones no contaminantes, excepto para algunas relaciones H

algunas relaciones H22/aire donde la/aire donde la

temperatura elevada de la llama produce temperatura elevada de la llama produce concentraciones significativas de NO concentraciones significativas de NOxx enen

la combustión. Las emisiones en los gases la combustión. Las emisiones en los gases de escape de los motores, tales como de escape de los motores, tales como

hidrocarburos no quemados (HC),

hidrocarburos no quemados (HC),

monóxido de carbono (CO) y óxidos de monóxido de carbono (CO) y óxidos de nitrógeno (NO

nitrógeno (NOxx) son las responsables de) son las responsables de

 problemas de contam

 problemas de contaminación localizados.inación localizados. El

El uso del uso del hidrogeno hidrogeno nos nos va va permitirpermitir aprovechar una energía limpia. No libera aprovechar una energía limpia. No libera  partículas

 partículas que que causan causan asma asma y y enfermedadenfermedad  pulmonar,

 pulmonar, ni ni emiten emiten gases gases de de efectoefecto invernadero. No contamina monumentos invernadero. No contamina monumentos históricos y culturales con hollín. No históricos y culturales con hollín. No contamina las aguas freáticas ni se adhiere contamina las aguas freáticas ni se adhiere a la ropa o al interior de los automóviles a la ropa o al interior de los automóviles11..

Para tener una idea de la magnitud del Para tener una idea de la magnitud del  problema

 problema basta basta examinar examinar el el crecimientocrecimiento

experimentado por el parque

experimentado por el parque

automovilístico mundial. Así, mientras la automovilístico mundial. Así, mientras la  población

 población humana humana se se ha ha duplicado duplicado desdedesde 1950, el número de automóviles se ha 1950, el número de automóviles se ha multiplicado por siete.

multiplicado por siete.

Además de la combustión directa, muy Además de la combustión directa, muy recientemente se ha empezado a recientemente se ha empezado a desarrollar una tecnología basada en pilas desarrollar una tecnología basada en pilas de combustibles en las que se transforma de combustibles en las que se transforma la energía química, almacenada en el la energía química, almacenada en el enlace H-H de la molécula H

enlace H-H de la molécula H22, en energía, en energía

eléctrica y vapor de agua. Las pilas eléctrica y vapor de agua. Las pilas también conocidas como celdas de también conocidas como celdas de combustible, son un dispositivo que ya combustible, son un dispositivo que ya vienen siendo utilizadas para mover vienen siendo utilizadas para mover vehículos y que es mucho menos vehículos y que es mucho menos contaminante que los motores de contaminante que los motores de combustión.

combustión.

Figura 3. Principio de funcionamiento de una pila de Figura 3. Principio de funcionamiento de una pila de combustible alimentada con hidrogeno y

combustible alimentada con hidrogeno y oxigeno.oxigeno.

El proceso se esquematiza de la siguiente El proceso se esquematiza de la siguiente manera:

manera:

Figura 4. Esquema de la reacción en una pila de Figura 4. Esquema de la reacción en una pila de combustible.

combustible.

Las pilas de combustible están constituidas Las pilas de combustible están constituidas  por

 por un un conjunto conjunto de de celdas celdas apiladas, apiladas, cadacada una de las cuales posee un ánodo o una de las cuales posee un ánodo o electrodo negativo y un cátodo o electrodo electrodo negativo y un cátodo o electrodo  positivo,

 positivo, separados separados por por un un electrolito electrolito queque facilita la transferencia iónica entre los facilita la transferencia iónica entre los electrodos. Cada una de las sustancias que electrodos. Cada una de las sustancias que  participan

 participan en en la la reacción reacción es es alimentada alimentada aa un electrodo distinto. Así, el combustible, un electrodo distinto. Así, el combustible, generalmente rico en hidrógeno, es generalmente rico en hidrógeno, es alimentado de forma continua al ánodo, y alimentado de forma continua al ánodo, y el oxidante, normalmente el oxígeno del el oxidante, normalmente el oxígeno del aire, al cátodo. Allí los reactivos se aire, al cátodo. Allí los reactivos se transforman electroquímicamente, de transforman electroquímicamente, de

acuerdo con las semireacciones:

acuerdo con las semireacciones:

Ánodo: Ánodo: Cátodo: Cátodo: Reacción Reacción global: global:

Figura 5. Semireacciones en la pila de

Figura 5. Semireacciones en la pila de combustible.combustible.

Se genera de esta forma una corriente Se genera de esta forma una corriente eléctrica entre ambos electrodos que, a eléctrica entre ambos electrodos que, a diferencia de lo que ocurre en una pila o diferencia de lo que ocurre en una pila o

electrólisis electrólisis 4% 4% petróleo petróleo 30% 30% Carbón Carbón 18% 18% Gas natural Gas natural 48% 48%

(5)

 batería

 batería convencional, convencional, no no se se agota agota con con elel tiempo de funcionamiento, sino que se tiempo de funcionamiento, sino que se  prolonga

 prolonga mientras mientras continúe continúe el el suministrosuministro de los reactivos.

de los reactivos.

Aparte de las aplicaciones del hidrogeno Aparte de las aplicaciones del hidrogeno como combustible, también se puede como combustible, también se puede utilizar en la refinación del petróleo, utilizar en la refinación del petróleo, síntesis del amoniaco, síntesis del metanol, síntesis del amoniaco, síntesis del metanol, manufactura de productos químicos manufactura de productos químicos orgánicos, refrigerante en alternadores, orgánicos, refrigerante en alternadores,  para soldar bajo

 para soldar bajo el agua, como el agua, como reductor enreductor en la obtención de metalurgia en plomo, la obtención de metalurgia en plomo, reducir aceites en grasas, en la reducir aceites en grasas, en la

hidrogenación catalítica de aceites

hidrogenación catalítica de aceites

vegetales, líquidos insaturados para vegetales, líquidos insaturados para

obtener grasas sólidas.

obtener grasas sólidas.

• El cloro, al licuarlo se postula utilizarloEl cloro, al licuarlo se postula utilizarlo

como agente de blanqueo y desinfectante como agente de blanqueo y desinfectante en las industrias papelera, textil y química. en las industrias papelera, textil y química.

• Las sales de magnesio y sodio, pueden serLas sales de magnesio y sodio, pueden ser

utilizadas también en la industria química. utilizadas también en la industria química.

• El hipoclorito de sodio, formada en laEl hipoclorito de sodio, formada en la

descomposición del agua y del cloruro de descomposición del agua y del cloruro de sodio presentes en el agua de mar por el sodio presentes en el agua de mar por el  paso

 paso de de la la corriente corriente eléctrica eléctrica queda queda enen solución. Su utilización se da como agente solución. Su utilización se da como agente

desinfectante y antibacteriano.

desinfectante y antibacteriano.

• El acido clorhídrico, pudiera ser obtenidoEl acido clorhídrico, pudiera ser obtenido

 por

 por la la absorción absorción de de los los gases gases cloro cloro ee hidrogeno en una torre de absorción hidrogeno en una torre de absorción utilizando agua blanda en contracorriente utilizando agua blanda en contracorriente (el agua blanda puede ser obtenida por un (el agua blanda puede ser obtenida por un atrapa nieblas), su utilización es en atrapa nieblas), su utilización es en industrias químicas y para limpieza de industrias químicas y para limpieza de  baños (como acido mur

 baños (como acido muriático).iático). RESULTADOS Y DISCUSIONES RESULTADOS Y DISCUSIONES

• Analizando los resultados es posibleAnalizando los resultados es posible

obtener hidrogeno, cloro, hipoclorito de obtener hidrogeno, cloro, hipoclorito de sodio y sales, ya que el análisis cualitativo sodio y sales, ya que el análisis cualitativo así lo demuestra (ver Tabla 1). así lo demuestra (ver Tabla 1).

• En la electrolisis del agua de mar, seEn la electrolisis del agua de mar, se

observó que parte del cloro formado observó que parte del cloro formado reacciona con el cloruro de sodio del agua, reacciona con el cloruro de sodio del agua,  para

 para formar hipoclorito formar hipoclorito de de sodio sodio y y no no hayhay formación de

formación de oxigeno oxigeno como ocurre como ocurre con elcon el agua pura.

agua pura.

• El consumo de corriente en el proceso fueEl consumo de corriente en el proceso fue

de 0.143KWh, teniendo en cuenta que el de 0.143KWh, teniendo en cuenta que el  precio

 precio unitario unitario es es de de 0.3043 0.3043 S/. S/. /KWh/KWh (EDELNOR agosto 2007) lo cual nos dio (EDELNOR agosto 2007) lo cual nos dio un gasto de S/.0.0457 en energía eléctrica. un gasto de S/.0.0457 en energía eléctrica.

• El consumo de corriente varia según elEl consumo de corriente varia según el

área del electrodo, la distancia entre ellos y área del electrodo, la distancia entre ellos y los electrolitos presentes en la solución. En los electrolitos presentes en la solución. En este caso se consideraron electrodos de este caso se consideraron electrodos de 49.5cm

49.5cm22  y se mantuvieron separados una  y se mantuvieron separados una

distancia de 5cm. distancia de 5cm. PRODUCTOS PRODUCTOS

(g./litro de agua de mar) (g./litro de agua de mar)

SUBPRODUCTOS SUBPRODUCTOS (40g./litro de agua de (40g./litro de agua de mar) mar) Hidrogeno

Hidrogeno Cloro Cloro Sales Sales de de magnesiomagnesio 1.347

1.347 7.916 Sales de 7.916 Sales de sodiosodio

Hipoclorito de Hipoclorito de sodio sodio Acido clorhídrico Acido clorhídrico

Tabla 2. Productos y subproductos obtenidos en la electrolisis Tabla 2. Productos y subproductos obtenidos en la electrolisis con agua de mar.

con agua de mar.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

• Debido a la alta concentración de cloruroDebido a la alta concentración de cloruro

de sodio en el agua de mar (y de otras de sodio en el agua de mar (y de otras sales), el uso de esta como electrolito ha sales), el uso de esta como electrolito ha sido eficiente para obtener hidrogeno de sido eficiente para obtener hidrogeno de alta pureza y subproductos que pueden ser alta pureza y subproductos que pueden ser

utilizados en la industria.

utilizados en la industria.

• Analizando las reacciones que ocurren enAnalizando las reacciones que ocurren en

la electrólisis del agua de mar, puede verse la electrólisis del agua de mar, puede verse que parte del cloro formado reacciona con que parte del cloro formado reacciona con el cloruro de sodio en el agua, para formar el cloruro de sodio en el agua, para formar hipoclorito de sodio y no

hipoclorito de sodio y no hay formación dehay formación de oxigeno como ocurre con el agua pura. oxigeno como ocurre con el agua pura.

• La distancia de los electrodos esLa distancia de los electrodos es

determinante en la producción de determinante en la producción de hidrógeno y cloro, observando que hidrógeno y cloro, observando que mientras mas distante se encuentren menos mientras mas distante se encuentren menos

serán los productos.

serán los productos.

• Se debe mantener una distancia deSe debe mantener una distancia de

electrodos constante, en nuestro caso igual electrodos constante, en nuestro caso igual

a 5cm.

a 5cm.

• Se debe controlar el paso de corriente porSe debe controlar el paso de corriente por

los electrodos.

los electrodos.

• Al utilizar al agua de Al utilizar al agua de mar como electrólito,mar como electrólito,

efectivamente hemos obtenido hidrógeno y efectivamente hemos obtenido hidrógeno y cloro en estado gaseoso, este último tendrá cloro en estado gaseoso, este último tendrá que ser licuado para que no reaccione con que ser licuado para que no reaccione con los gases presentes en la atmósfera. los gases presentes en la atmósfera.

• Se debe procurar almacenar los gasesSe debe procurar almacenar los gases

recubriendo primero a los electrodos con recubriendo primero a los electrodos con  buretas y teniendo un cuidado especial con  buretas y teniendo un cuidado especial con las uniones de estos y los recipientes en los las uniones de estos y los recipientes en los

cuales se van almacenar.

cuales se van almacenar.

• La reacción de los electrodos con el aguaLa reacción de los electrodos con el agua

de mar debe ocurrir solamente dentro de de mar debe ocurrir solamente dentro de

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las buretas, para que se almacene la mayor las buretas, para que se almacene la mayor cantidad posible de estos gases. Para esto cantidad posible de estos gases. Para esto se deberá aislar el cable que conecta al se deberá aislar el cable que conecta al electrodo respectivo con la fuente de electrodo respectivo con la fuente de  poder.

 poder.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

• Dassler, Adolf. Electroquímica: tomo I.Dassler, Adolf. Electroquímica: tomo I.

México: Unión Tipográfica Editorial México: Unión Tipográfica Editorial Hispano-Americana (UTEHA); 1962. Hispano-Americana (UTEHA); 1962.

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Mc Graw Hill; 1985. Mc Graw Hill; 1985.

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soda cáustica y del cloro.

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Mínima energía para la ignición 0.02 mJ0.02 mJ Límites de inflamabilidad en el aire

Límites de inflamabilidad en el aire 4.1 – 75 (vol. %)4.1 – 75 (vol. %) Límites de detonabilidad en el aire

Límites de detonabilidad en el aire 18.3 – 59 (vol. %)18.3 – 59 (vol. %) Temperatura de la llama

Temperatura de la llama 2318 K 2318 K  Velocidad de detonación

Velocidad de detonación 1.48 – 2.15 km/s1.48 – 2.15 km/s Sobrepresión de la detonación

Sobrepresión de la detonación 1470 kPa1470 kPa Calor de combustión inferior 

Calor de combustión inferior  120 kJ/g120 kJ/g Calor de combustión superior 

Calor de combustión superior  142 kJ/g142 kJ/g Velocidad de combustión a NTP

Velocidad de combustión a NTP 265 – 325 cm/s265 – 325 cm/s Porcentaje de energía térmica radiada

Porcentaje de energía térmica radiada ≈ 21 %≈ 21 % Flujo de calor emitido

Flujo de calor emitido 1.53 x 10-2 1.53 x 10-2 kJ/cm²·skJ/cm²·s Energía de explosión

Energía de explosión 2 kg TNT/m³2 kg TNT/m³ Velocidad ascensional NTP

Velocidad ascensional NTP 1.2 – 9 cm/s1.2 – 9 cm/s Velocidad de difusión en el aire a NTP

Velocidad de difusión en el aire a NTP ≈ 2 cm/s≈ 2 cm/s Coeficiente de difusión a NTP

Coeficiente de difusión a NTP 0.61 cm²/s0.61 cm²/s Composición estequiométrica a NTP

Composición estequiométrica a NTP 29.53 vol. %29.53 vol. % Limitación de oxígeno

Limitación de oxígeno 5 vol.%5 vol.% Viscosidad del gas a NTP

Viscosidad del gas a NTP 8.9 x 10-5 g/cm·s8.9 x 10-5 g/cm·s Quenching gap a NTP

Quenching gap a NTP 0.06 cm0.06 cm Densidad del gas

Densidad del gas 0.0838 kg/m³0.0838 kg/m³ Peso Molecular 

Peso Molecular  2.02 g/mol2.02 g/mol Punto de ebullición

Punto de ebullición 20.3 K 20.3 K  Toxicidad

Toxicidad  No es tóxico No es tóxico

Tabla 3. Propiedades del

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Tabla 4. Propiedades del gas natural. Tabla 4. Propiedades del gas natural.

CARACTERISTICA

DESCRIPCIÓN

CARACTERISTICA

DESCRIPCIÓN

Densidad

Densidad Es el más ligero de los elementos.Es el más ligero de los elementos.

Densidad respecto al aire

Densidad respecto al aire El hidrógeno gaseoso a temperatura ambiente tieneEl hidrógeno gaseoso a temperatura ambiente tiene mucha

mucha menos menos densidad densidad que que el el aire.aire. Difusión

Difusión Aunque el trasporte de gas por difusión, Aunque el trasporte de gas por difusión, es muchoes mucho menor que el debido a

menor que el debido a la diferencia de densidadla diferencia de densidad con el aire, el hidrógeno se difunde en el aire con el aire, el hidrógeno se difunde en el aire mucho más deprisa que otros

mucho más deprisa que otros gases combustibles.gases combustibles. Color, olor, gusto y toxicidad

Color, olor, gusto y toxicidad El hidrógeno como el metano y propano esEl hidrógeno como el metano y propano es incoloro, inodoro e insípido y no tóxico. incoloro, inodoro e insípido y no tóxico. Inflamabilidad y características de la

Inflamabilidad y características de la llamallama El hidrógeno es inflamable en el aire en El hidrógeno es inflamable en el aire en un amplioun amplio rango de concentraciones y arde, en ausencia de rango de concentraciones y arde, en ausencia de impurezas, con una llama casi invisible.

impurezas, con una llama casi invisible. Energía de ignición

Energía de ignición El hidrógeno puede entrar en ignición con El hidrógeno puede entrar en ignición con unauna cantidad de energía muy pequeña

cantidad de energía muy pequeña Límites de detonación

Límites de detonación El hidrógeno puede detonar en un El hidrógeno puede detonar en un rango derango de concentración bastante amplio cuando este concentración bastante amplio cuando este confinado, pero es muy difícil que detone confinado, pero es muy difícil que detone enen espacios abiertos.

espacios abiertos. Velocidad de la llama

Velocidad de la llama El hidróEl hidrógeno para geno para concentraciones concentraciones medias, medias, tienetiene una velocidad de llama mayor que otros una velocidad de llama mayor que otros combustibles.

combustibles. Temperatura

Temperatura de de ignición ignición El El hidrógeno hidrógeno tiene tiene mayor mayor temperatura temperatura de de igniciónignición que los combustibles comunes.

que los combustibles comunes.

Tabla 5. Comparación de las características del hidrogeno con otros gases y

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Volumen Peso

Volumen Peso

Hidrógeno

Hidrógeno 3,00 3,00 kWh/Nm_ kWh/Nm_ 33,33 33,33 kWh/kgkWh/kg

Petróleo

Petróleo crudo crudo 1 1 toe/t toe/t 11,6 11,6 kWh/kgkWh/kg

Diesel

Diesel oil oil 10 10 kWh/litro kWh/litro 11,9 11,9 kWh/kgkWh/kg

 Nafta

 Nafta 8,8 kWh/litro 8,8 kWh/litro 12,0 kWh/kg12,0 kWh/kg

Metanol

Metanol 4,44 4,44 kWh/litro kWh/litro 5,47 5,47 kWh/kgkWh/kg

Metano

Metano 9,97 9,97 kWh/Nm_ kWh/Nm_ 13,9 13,9 kWh/kgkWh/kg

Gas

Gas natural natural (82-93 (82-93 % % CH4) CH4) 8,8 8,8 - - 10,4 10,4 kWh/Nm_ kWh/Nm_ 10,6 10,6 - - 13,1 13,1 kWh/kgkWh/kg Propano

Propano 25,89 25,89 kWh/Nm_ kWh/Nm_ 12,88 12,88 kWh/kgkWh/kg

Butano

Butano 34,39 34,39 kWh/Nm_ kWh/Nm_ 12,7 12,7 kWh/kgkWh/kg

Tabla 6. Comparación del

Tabla 6. Comparación del poder calorífico inferior del poder calorífico inferior del hidrogeno con distintos combustibles.hidrogeno con distintos combustibles.

Tabla 7. Tipos de pilas de

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