Generador DE Oxigeno POR LA Electrolisis DEL AGUA PDF

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diseño de generador de oxigeno mediante electrolisis del agua...

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UNIVERSIDAD TECNOLOGÍCA DE PANAMÁ FACULTAD DE MECÁNICA

CARRERA LIC. MECANICA INDUSTRIAL

MATERIA TEORIA DE MAQUINA

PROYECTO SEMESTRAL GENERADOR DE OXIGENO POR ELECTROLISIS DEL AGUA

PROFESOR CESAR SAENZ

ESTUDIANTE EMELDO QUINTANAR

CED: 5-700-1434

INDICE Sección

pagina

Introducción…………………………………………………..3 Contenido……………………………………………………..4 Avances de proyecto……………………………………….15 Conclusión……………………………………………………21 Referencia…………………………………………………….22 INTRODUCCION

El presente trabajo pretende mostrar todo lo relacionado con el diseño y construcción de un generador de oxígeno utilizando componentes fáciles de conseguir y de bajo costo en atención a la propuesta presentada por el profesor como proyecto final utilizando para tal fin materiales accesibles utilizados en casa ya que hay restricción de movilidad poblacional. Esto debido a la situación que atraviesa el país y el mundo por la crisis de salud pública provocada por la enfermedad Covid-19 causada a su vez por el virus SARSCov-2 y con el fin de presentar una solución viable de diseño y desarrollo (de fácil construcción) un dispositivo para la atención de los pacientes afectados por dicho virus y con el objetivo de que pueda ser replicado para mejora de la condición de estos pacientes. Cabe resaltar que la construcción de este generador de oxígeno utilizando el método de electrolisis del agua se hizo con el objetivo de contribuir como estudiante de la Universidad Tecnológica de Panamá a las soluciones de diseño y desarrollo que requiere el país para enfrentar entre todos el reto y desafío que representa el Covid-19 y en apoyo al sistema de salud que es la primera línea para enfrentar esta enfermedad que ha provocado un gran numero de contagiados y decesos a nivel mundial.

CONTENIDO

PROCESO DE LA ELECTROLISIS DEL AGUA El proceso de la electrolisis del agua consiste en separar o descomponer las moléculas de agua (H O) en los gases de oxígeno O e hidrogeno H utilizando una corriente eléctrica continua mediante una fuente de alimentación eléctrica (una batería o sistema eléctrico residencial) conectada por unos electrodos al agua. En este proceso se necesita disminuir la resistencia al paso de la corriente eléctrica a través del agua por lo general añadiendo un electrolito fuerte como el hidróxido de sodio (NaOH), para lograrlo se utiliza una fuente de energía eléctrica antes mencionada, conectada a dos electrodos generalmente hechos de platino o acero inoxidable, los cuales son puestos dentro del agua. En una celda específicamente diseñad para tal fin, el hidrogeno aparecerá en el cátodo (el electrodo negativamente cargado) y el oxígeno aparecerá en el ánodo (el electrodo positivamente cargado). La eficacia de la electrolisis aumenta con la adición de un electrolito o el uso de electrocatalizadores.

En este caso particular para la construcción de un generador de oxígeno básico por extracción electrolítica se estará utilizando un electrolito fuerte (hidróxido de sodio NaOH) como ya se ha mencionado.

La electrolisis de agua pura requiere una gran cantidad de energía extra en forma de sobrepotencial, con respecto al teóricamente necesario para llevarla a cabo (+1,229 V) puesto que se han de sobrepasar varias barreras de activación. Esto se

debe en parte a la escasa disociación del agua pura. Téngase en cuenta que la conductividad del agua pura es de una millonésima de la del agua de mar siendo la conductividad típica del agua pura del orden de 0.055 µS·cm−1

Sin esa energía extra, o sobrevoltaje, la electrólisis de agua pura ocurre muy lentamente si es que logra suceder. Las celdas electrolíticas pueden no tener los electrocatalizadores requeridos. Como se ha comentado anteriormente la eficacia de la electrólisis aumenta con la adición de un electrolito (como la sal, un ácido o una base) y el uso de electrocatalizadores. Como aplicación específica es interesante comentar que la electrólisis del agua se utiliza también para generar oxígeno en la Estación Espacial Internacional que obviamente sirve para mantener la atmósfera de la estación y el hidrógeno se puede utilizar más adelante en una célula de combustible como método para almacenar energía y usar el agua que se genera en la célula para consumo de los astronautas.

REACCIONES QUIMICAS QUE OCURREN EN ELECTROLISIS DEL AGUA

EL PROCESO DE LA

Las reacciones químicas que tienen lugar en los electrodos son: Reducción en el cátodo: 2H + 2eˉ→ H Oxidación en el ánodo: 2H O → O + 4H 4eˉ Sumando las semirreacciones anteriores se obtiene la reacción global: Reacción global: 2H O(l) → 2H₂(g) + O₂(g)

Se observa que el número de moléculas de hidrogeno gaseoso (H ) producidas duplica el número de moléculas de oxígeno gaseoso (O ) producidas en una relación de dos a una, y de igual forma el número de electrones transportados a través de los electrodos es el doble del número de moléculas de hidrogeno gaseoso obtenidas y cuatro veces el número de moléculas de oxígeno gaseoso obtenidas.

Este proceso electroquímico es utilizado para generar aproximadamente el 6% del gas hidrogeno producido en el mundo; de igual manera el oxígeno y otros componentes químicos tales como el cloro, sodio entre otros.

Un ejemplo de lo anterior puede ser introduciendo en el agua cloruro de sodio o sal común (NaCl) para producir salmuera en donde se puede conseguir gas cloro (Cl ) e hidrogeno gaseoso (H ). la reacción global que tiene lugar es: Reacción global: 2NaCl + 2H O → Cl + H + 2NaOH Como anteriormente se había mencionado el número de moléculas de hidrógeno producidas duplica el número de moléculas de oxígeno. Además, el número de electrones transportados a través de los electrodos es el doble del número de moléculas de hidrógeno producidas y el cuádruple del número de moléculas de oxígeno obtenidas.

DESCRIPCION TECNICA DEL FUNCIONAMIENTO DEL GENERADOR DE OXIGENO POR ELECTROLISIS DEL AGUA

El generador de oxígeno por electrolisis es un dispositivo eléctrico que separa el oxígeno e hidrogeno de las moléculas del agua para que el oxígeno gaseoso sea suministrado a un paciente en altas concentraciones en donde el mismo lo recibe a través de un conducto nasal o mascarilla y el hidrogeno gaseoso ser regresado al ambiente ya que para este caso en particular resulta peligroso la exposición al mismo y además de innecesario su uso. Para separar el hidrógeno del oxígeno que se encuentran en la molécula del agua se utiliza un procedimiento llamado electrólisis, que es un método como ya se ha mencionado en el que consiste en aplicar una corriente eléctrica continua (DC) mediante una fuente de alimentación eléctrica de 24 Voltios a dos terminales (ánodo y cátodo) de acero inoxidable, los cuales se encuentran sumergidos en un electrolito (agua). El paso de la electricidad entre los dos terminales se hace a través del electrolito, en el cual se rompe la molécula de agua "H2O" en sus elementos básicos hidrógeno (H₂) y oxigeno (O ). Una ves obtenido el oxígeno gaseoso este pasa por una línea de tubería de PVC de 1” de diámetro y después por una manguera plástica de ½” de diámetro transparente con una pequeña válvula reguladora de igual diámetro para regular y administrar la cantidad de oxigeno necesario a ser utilizado finalmente en los pacientes. Todo este procedimiento se realiza utilizando una caja de 1 '-7” de largo X 10” de altura y 6” de ancho, de plástico transparente y preferiblemente resistente a altas temperaturas como celda electrolítica como se muestra mas adelante en el diagrama esquemático. En el caso del hidrogeno gaseoso este será conducido por una tubería de PVC de 1 ¼” de diámetro hasta ser liberado en el ambiente sin producir riesgo ni daño alguno. Este dispositivo en su diseño y construcción está orientado a ser de forma casera utilizando un método de separación de oxígeno e hidrogeno muy sencillo de realizar y con componentes básicos. Además de esto la electrolisis es un método

electroquímico muy utilizado en las industrias para obtención de estos y otros gases industriales. GENERADOR DE OXIGENO POR ELECTROLISIS DEL AGUA

Diagrama esquemático del generador de oxigeno

Fuente de alimentacion electrica (bateria 24 V) para producircorriente la continua (DC)

BATERIA DE 24 V

CABLE ELECTRICO AL CATODO

CABLE ELCTRICO AL ANODO CELDA ELECTROLITICA

COMPONENTES PARA LA CONSTRUCCION DEL GENERADOR DE OXIGENO

Los componentes para la construcción de un generador de oxígeno casero son los siguientes: 1 caja plástica transparente con las dimensiones de 1'-7” X 10” X 6” 7” tubería PVC de y Ø=3” 5 pies tubería de PVC de Ø=1 ¼” 5 pies tubería de PVC de Ø=1” 5 pies tubería de PVC de Ø=1/2” 1 adaptador macho de tubería de PV de Ø=1 ¼” 1 adaptador macho de PVC de Ø=1” 3 adaptador macho de PVC de Ø=1/2” 1 reducción de PVC de 3” a 1” 1 válvula de boya o Flipper plástica de ½” 2 tornillos o pernos de acero inox. de Ø=1/4” y 4” de largo 4 tuercas de acero inox. de Ø=1/4” 2 pies de cable eléctrico rojo No.12 2 pies de cable eléctrico negro No.12 1 transformador de voltaje de 110 voltios a 24 voltios (o batería de 24 voltios si no hay disponibilidad del transformador de voltaje en cuyo caso no se hace necesario el rectificador) 1 puente rectificador de diodos de 3 amperios 20 gramos de NaOH (hidróxido de sodio) 10 litros de agua

PROCEDIMIENTO PARA LA CONSTRUCCION DEL GENERADOR DE OXIGENO Para la construcción de este generador de oxígeno mediante el proceso electroquímico de la electrolisis del agua no se necesitan componentes costosos o

difíciles de obtener dado que se pueden conseguir en cualquier comercio o Ferretería del área: 1. Primero que nada, es necesario conseguir un trozo de tubería de PVC que tenga un diámetro de 3” y una longitud de aproximadamente 7”; estas dimensiones no serán críticas y dependerán del tamaño de los demás componentes. 2. luego se va a requerir una caja de material plástico preferiblemente transparente para que se pueda observar la electrolisis. Otro material necesario es una reducción cónica de PVC de 3” a 1” para conectar el trozo de tubo de PVC de 3” a un tubo de 1” de diámetro utilizando adaptadores macho del mismo material para tal fin.

3. luego desde el extremo opuesto del tubo de 1” se conectará una manguera delgada del tipo transparente de ½” utilizando un conector para mangueras. Esta manguera transportara el oxígeno hacia el interior de la habitación o espacio donde se va a utilizar dicho oxígeno, también se necesitará una válvula con flotador (válvula o boya Flipper) similar a las utilizadas en los sistemas del inodoro. 4. igualmente se necesitará varios pies de alambre (cable) de cobre calibre No. 12 en dos colores (un tramo en color rojo y otro tramo en color negro).

5. también se utilizará un par de tornillos o pernos de acero inoxidable con un diámetro de ¼” y una longitud de 4” cada uno, además de cuatro tuercas de acero inoxidable del mismo diámetro que los tornillos (dos tuercas para cada tornillo) para sujetar los tornillos al alambre de cobre.

6. al mismo tiempo se va a requerir un pequeño transformador que reduzca el voltaje de línea (110 voltios en residencias) a unos 24 voltios y un puente rectificador de diodos de 3 amperios para cambiar de corriente alterna (AC) a corriente continua (DC). En caso de no ser posible conseguir el transformador de voltaje se utilizará una batería o pila de 24 voltios en cuyo caso no se necesitará el puente rectificador ya que la batería produce corriente continua (DC). 7. Se arma todo el conjunto como se muestra en los diagramas tomando en cuenta sellar todas las uniones para evitar la fuga de los gases utilizando un sellador o goma para tal fin.

8. Conectar los cables a la fuente de alimentación y observar el proceso de electrolisis del agua verificando que todas las partes estén funcionando correctamente.

AVANCE DEL PRIYECTO

Todos los materiales descritos anteriormente para la construcción del generador de oxígeno se han encontrado en su mayoría en mi lugar de trabajo y otros mas los he estado obteniendo dentro de los establecimientos comerciales que permanecen actualmente abiertos como supermercados y ciertas ferreterías.

Línea de tubería de ½” con llave de paso de igual diámetro para suministrar a la celda Electrolítica con el agua.

Cables eléctrico N°12 para la conexión del ánodo y cátodo En la celda electrolítica.

7” de Tubería de 3” PVC para el sistema de la salida del oxígeno gaseoso (ánodo)

Tubería de PVC de 1 ¼” de diámetro y 5” de largo con adaptador macho para la salida del hidrogeno gaseoso (cátodo)

Tubería de PVC de 1” de diámetro y 5” de largo con adaptador macho para el sistema de la salida del oxígeno gaseoso (ánodo)

Adaptadores macho de ½” de diámetro y válvula de retención de igual diámetro Para el sistema de bolla (válvula Flipper) de la celda electrolítica

Reducción de PVC de 3” X 1” para el sistema de la salida del oxígeno (anión)

Caja plástica transparente para celda electrolítica de 1-7” X 10” X 6”

Pernos de acero inoxidable de ¼” de diámetro y 4” de largo para fungir como electrodos (anión y catión).

batería de 24 voltios como fuente de alimentación eléctrica

Válvula Flipper (boya) para regular la entrada de agua a la celda electrolítica CONCLUSION En el caso puntual de la crisis sanitaria originada en el país y a nivel mundial producto del virus SARS-Cov-2 causante de la enfermedad Covid-19 y con un

número importante de personas afectadas por esta enfermedad en todo el mundo, se hace necesario recurrir a estos métodos científicos y tecnológicos para enfrentar dicha enfermedad y lograr salvar el mayor número posible de personas y por esta razón escogí este dispositivo en particular porque considero que cumple con los requisitos de diseño y desarrollo de una manera sencilla y con materiales fáciles de obtener y a la vez proporcionar una ayuda a los pacientes afectados por esta enfermedad. En base a lo anterior y después de haber realizado el análisis e investigación de diseño del mismo la parte donde se necesita realizar un mayor análisis es en la escogencia del electrolito ya que cada uno producirá una reacción química distinta y con distintos gases los cuales pueden representar un peligro para la salud por lo cual el electrolito que escogí fue el hidróxido de sodio (NaOH) que considero que es el que menos gases perjudiciales podría generar después de realizada la electrolisis. Debido a su fácil construcción podría ser replicado por cualquier persona con los conocimientos necesarios de química y de diseño de elementos mecánicos para el desarrollo de este.

REFERENCIAS www.net-interlab.es www.ecured.cu www.edumedia-sciences.com

www.centroestudioscervantinos.es www.quimica.laguia2000.com...