Electrólisis del agua para demostración: electrolito ideal por su seguridad, estabilidad, conductividad y facilidad de mantenimiento

Question

Estoy desarrollando un sistema con fines educativos en el que se realiza la electrólisis del agua. El objetivo es mostrar de forma práctica cómo se puede convertir la energía eléctrica en mecánica, mediante la electrólisis del agua, encendiendo la mezcla de $\ce{H2}$ y $\ce{O2}$ producido, y acelerando una masa hacia arriba.

Actualmente estoy usando ácido cítrico en agua destilada ( $4\%$ en peso, $18~\mathrm L$ agua), electrodos de malla recubiertos de platino, $500~\mathrm W$ alimentación máxima ( $0\!-\!65~\mathrm{V_{DC}}$ , $0\!-\!10~\mathrm A$ ). Me pregunto si hay alguna opción mejor que cumpla los siguientes requisitos:

• No es perjudicial para los encargados del mantenimiento (que tienen que preparar y reponer el líquido) ni para los transeúntes
• Estable (no produce precipitados, y en general eso puede minimizar la necesidad de reemplazar el líquido)
• Baja/nula interacción con los materiales del tanque (plexiglás, latón, platino, tubos de silicona, ABS)
• Maximiza la conductividad (la configuración actual en $20~^\circ \mathrm C$ tiene una conductancia de $250\!-\!300~\mathrm{mS}$ )
• No es adecuado para el desarrollo de microorganismos (en la configuración actual las algas se desarrollan en unas dos semanas)

Si el último punto no se puede mejorar sólo con el electrolito, pediría amablemente una sugerencia de un aditivo que no vaya a estropear los puntos anteriores.

Answer 1

Sugiero $1\%$ w/w $\ce{NaOH}$ . Punto por punto:

• $1\%$ w/w es $\sim\!10~\mathrm{g\over L}$ que para $\ce{NaOH}$ en $40~\mathrm{g\over mol}$ es $\sim\!0.25~\mathrm{M}$ correspondiente a un $\mathrm{pH}$ de $13.4$ . El equipo de protección personal estándar (batas, guantes, gafas) debería ser suficiente para los observadores y mantenedores.

• $\ce{NaOH}$ es extraordinariamente soluble, por lo que no tendrá dificultades de precipitación. Deberá mantener el sistema cubierto cuando no lo utilice, si no lo está ya, para minimizar la evaporación. Es posible que se produzcan algunos bordes en el interior, pero el enjuague con agua destilada debería solucionarlo.

• Según Schweitzer $^\dagger$ los materiales de su sistema tienen las siguientes resistencias a $10\%$ (no $1\%$ ) $\ce{NaOH}$ :

  • Plexiglás (acrílico) : Resistente, a $80~^\circ\mathrm F$
  • Latón : Buena (menos de 0,02" de penetración por año), a $200~^\circ\mathrm F$
  • Elastómero de silicona : Resistente, a $80~^\circ\mathrm F$
  • ABS : Resistente, a $140~^\circ\mathrm F$
  • Platinum : ..... ¡más vale que se mantenga! (Aunque, si hay huecos en el revestimiento, el sustrato podría estar expuesto a ataques).

• Según el primer gráfico aquí (enlace PDF), la conductividad de $1\%~\ce{NaOH}$ debe ser de $50~\mathrm{mS\over cm}$ que es más de diez veces el $\sim\! 4.5~\mathrm{mS\over cm}$ de su actual $4\%$ receta de ácido cítrico.

• Saludo a cualquier microorganismo común capaz de crecer en un $\mathrm{pH}~13+$ solución. (Véase, por ejemplo, el cuadro 3-5 aquí donde la máxima supervivencia $\mathrm{pH}$ para cualquier especie de la lista es $11$ .)

Evidentemente, si se cambia, hay que vigilar la salud de los materiales del sistema para asegurarse de que los datos de resistencia química de la literatura mencionados anteriormente se cumplen en la realidad. Siempre existe la posibilidad de que algún pequeño componente del sistema sea de un material que no haya sido incluido en la lista.

(Para tener en cuenta, me replanteé el enfoque de vinagre más bisulfato de sodio después de descubrir que tanto el latón como el acrílico/plexiglás son poco resistentes al vinagre, y que no es probable que el bisulfato proporcione tanto aumento de la conductividad como pensaba).

$^\dagger$ _{P.A. Schweitzer. "Tablas de resistencia a la corrosión, Parte C, P-Z". 4ª Ed. Nueva York: Marcel Dekker, 1995, pp. 2685-2688. <em>( <a href="http://rads.stackoverflow.com/amzn/click/0824795911" rel="nofollow">Enlace de Amazon </a>)</em>}