Dari mana anda mendapat hidrogen? Menghasilkan hidrogen melalui elektrolisis air

Tenaga hidrogen timbul sebagai salah satu garisan perkembangan kemajuan sains dan teknologi pada tahun 70-an abad sebelumnya. Apabila penyelidikan tentang pengeluaran, pengangkutan, penyimpanan dan penggunaan hidrogen telah berkembang, faedah alam sekitar teknologi hidrogen dalam pelbagai aplikasi telah menjadi semakin jelas. ekonomi negara. Kecekapan pembangunan beberapa teknologi hidrogen ( sel bahan api, sistem hidrida logam, sistem pengangkutan hidrogen, dsb.) telah menunjukkan bahawa penggunaan hidrogen memberikan petunjuk kualitatif yang baru sepenuhnya dalam fungsi unit dan sistem.

Ujian kebolehlaksanaan yang dijalankan telah menunjukkan bahawa, walaupun pada hakikatnya unsur hidrogen adalah pembawa tenaga sekunder, iaitu, ia lebih mahal daripada bahan api semula jadi, penggunaannya dalam beberapa kes ekonomi sudah dinasihatkan hari ini. Oleh itu, kerja dalam industri tenaga hidrogen di kebanyakan negara, terutamanya yang mempunyai industri maju, dipertimbangkan bidang keutamaan perkembangan teknologi dan sains. Mereka semakin disokong oleh kewangan daripada modal negeri dan swasta.

Sifat hidrogen

Pada keadaan biasa Dalam keadaan bebas, hidrogen ialah gas tidak berwarna dan tidak berbau. Hidrogen mempunyai ketumpatan berbanding udara 1/14. Ia biasanya ditemui dalam kombinasi dengan unsur lain, contohnya, karbon dalam metana, oksigen dalam air, dalam pelbagai sebatian organik. Kerana hidrogen sangat reaktif secara kimia, ia jarang ditemui dalam bentuk tidak terikat.

Hidrogen, disejukkan kepada keadaan cecair, menduduki 1/700 daripada isipadu keadaan gasnya. Apabila digabungkan dengan oksigen, hidrogen mempunyai kandungan tenaga tertinggi bagi setiap unit jisim: 120.7 GJ/t. Ini adalah salah satu daripada beberapa sebab mengapa hidrogen cecair digunakan sebagai a bahan api roket dan berfungsi sebagai tenaga untuk moden kapal angkasa, yang mana kandungan tenaga khusus hidrogen adalah tinggi dan rendah berat molekul mempunyai nilai hebat. Dalam oksigen tulen, apabila dibakar, satu-satunya produk adalah air dan haba suhu tinggi. Oleh itu, dalam kes penggunaan hidrogen, tiada gas rumah hijau yang berbahaya dikeluarkan dan tiada gangguan kitaran air semula jadi.

Pengeluaran hidrogen

Sumber hidrogen yang terkandung dalam air dan bahan organik, hampir tidak habis-habis. Pemecahan ikatan ini memungkinkan untuk menghasilkan hidrogen, selepas itu hidrogen digunakan untuk bahan api. Banyak proses telah dibangunkan untuk memisahkan air kepada bahagian konstituennya.

Apabila air dipanaskan melebihi 2500°C, ia mula terurai menjadi oksigen dan hidrogen (termolisis langsung). Suhu tinggi sedemikian diperolehi, sebagai contoh, menggunakan penumpu tenaga suria. Masalahnya di sini adalah untuk menghalang penggabungan semula oksigen dan hidrogen.

Hari ini di dunia, sebahagian besar hidrogen yang dihasilkan pada skala perindustrian diperoleh semasa pembaharuan metana wap (SMR). Oleh itu, pengeluaran hidrogen memungkinkan untuk menggunakannya sebagai reagen untuk proses penulenan minyak dan sebagai komponen baja nitrogen dan untuk teknologi roket. Tenaga terma dan wap pada suhu 750-800°C diperlukan untuk pembebasan hidrogen daripada asas karbon dalam metana, iaitu apa yang berlaku pada permukaan pemangkin dalam pembaharu kimia. Peringkat pertama proses PCM memisahkan wap air dan metana kepada karbon monoksida dan hidrogen. Pada peringkat kedua, "tindak balas anjakan" menukar karbon monoksida dan air kepada hidrogen dan karbon dioksida. Tindak balas ini berlaku pada 200-250°C.

Di USSR pada tahun 30-an skala industri Gas sintesis diperoleh melalui pengegasan wap-udara arang batu. Hari ini, di Institut Fizik Kimia Akademi Sains Rusia, yang terletak di Chernogolovka, teknologi sedang dicipta untuk pengegasan arang batu dalam mod superadiabatik. Teknologi ini memungkinkan untuk menukar tenaga haba arang batu menjadi tenaga haba gas sintesis dengan kecekapan 98%.

Sejak 70-an abad sebelumnya, di negara kita projek reaktor suhu tinggi helium (HTGR) loji tenaga nuklear teknologi tenaga (AETS) untuk metalurgi ferus dan industri kimia: ABTU-50, dan kemudian - projek untuk loji kuasa nuklear dengan reaktor VG-400, dengan kapasiti 1060 MW untuk kompleks kimia-nuklear untuk pengeluaran hidrogen dan campuran yang mengandunginya, untuk pengeluaran metanol dan ammonia, beberapa lagi projek ke arah ini.

Asas untuk semua projek HTGR adalah pembangunan enjin nuklear untuk roket berasaskan hidrogen. Uji reaktor suhu tinggi yang dihasilkan di negara kita untuk tujuan ini, serta enjin demonstrasi nuklear untuk roket telah menunjukkan prestasi apabila hidrogen dipanaskan hingga suhu maksimum 3000K.

Reaktor suhu tinggi berdasarkan penyejuk helium – jenis terbaru sumber tenaga nuklear mesra alam sejagat, ciri uniknya adalah keupayaan untuk menerima haba pada suhu melebihi 1000°C dan peringkat tertinggi keselamatan - tentukan kemungkinan luar biasa penggunaannya untuk pengeluaran dalam kitaran turbin gas tenaga elektrik dengan kecekapan tinggi dan untuk menyediakan haba suhu tinggi dan elektrik kepada proses pengeluaran untuk pengeluaran hidrogen, proses teknologi dalam penapisan minyak, kimia, metalurgi dan industri lain, untuk proses penyahgaraman air.

Yang paling moden dalam bidang ini ialah projek GT-MGR antarabangsa, yang sedang dibangunkan melalui usaha bersama institut domestik dan syarikat GA dari Amerika Syarikat. Syarikat Fuji Electric dan Framatom juga bekerjasama dengan projek itu.

resit hidrogen atom

Sumber hidrogen atom ialah bahan yang membelah atom hidrogen apabila ia disinari. Semasa penyinaran ultraungu, contohnya, hidrogen iodida, tindak balas mula berlaku dengan pembebasan hidrogen atom.

Untuk melepaskan hidrogen atom, pemisahan terma hidrogen molekul digunakan pada dawai paladium, platinum atau tungsten yang dipanaskan pada tekanan kurang daripada 1.33 Pa dalam suasana hidrogen. Pemisahan hidrogen kepada atom juga boleh dicapai menggunakan bahan radioaktif. Terdapat kaedah untuk mensintesis hidrogen atom dalam nyahcas elektrik frekuensi tinggi dengan pembekuan seterusnya hidrogen molekul.

Pilihan fizikal untuk kaedah menghasilkan hidrogen daripada campuran yang mengandunginya

Hidrogen masuk jumlah yang ketara terdapat dalam banyak campuran gas, dalam gas ketuhar kok, contohnya, yang dibebaskan semasa pirolisis butadiena, dalam pengeluaran divinil.

Untuk mengasingkan hidrogen daripada campuran gas yang mengandungi hidrogen, gunakan kaedah fizikal kepekatan dan pembebasan hidrogen.

Pecahan dan pemeluwapan suhu rendah. Proses ini diterangkan darjat tinggi mendapatkan hidrogen daripada campuran gas dan menguntungkan penunjuk ekonomi. Sebagai peraturan, pada tekanan gas 4 MPa, untuk pembebasan 93-94% hidrogen, suhu hendaklah 115 K. Apabila kandungan hidrogen dalam gas sumber adalah lebih daripada 40%, tahap pengeluarannya boleh mencapai 95%. Penggunaan tenaga untuk menumpukan H2 kepada 70-90% adalah bersamaan dengan 22 kWj setiap 1000 m3 hidrogen yang dihasilkan.

Pelepasan penjerapan. Proses ini berlaku melalui penggunaan ayak molekul dan penjerap yang beroperasi secara kitaran. Ia boleh dijual di bawah tekanan 3-3.5 MPa dengan pengekstrakan sehingga 80-85% H2 dalam bentuk pekat 90%. Berbanding dengan kaedah suhu rendah untuk menghasilkan hidrogen, proses ini memerlukan kira-kira 25-30% kurang kos bahan dan 30-40% kurang kos operasi.

Pengeluaran hidrogen penjerapan menggunakan pelarut cecair. Dalam sesetengah kes, kaedah ini sesuai untuk menghasilkan hidrogen dalam bentuk tulen. Kaedah ini membolehkan anda mengekstrak sehingga 80-90% hidrogen yang terkandung dalam campuran awal gas, serta mencapai kepekatannya dalam produk akhir sehingga 99.9%. Penggunaan tenaga untuk pengeluaran hidrogen mencapai 68 kWj setiap 1000 m3 H2.

Menghasilkan hidrogen melalui elektrolisis air

Elektrolisis air adalah salah satu kaedah yang biasa dan dikaji dengan baik untuk menghasilkan hidrogen. Ia menjamin mendapatkan produk dalam bentuk tulennya (99.6-99.9% H2) dalam satu langkah teknologi. Untuk mendapatkan hidrogen dalam kos pengeluaran, kos elektrik adalah kira-kira 855.

Kaedah ini digunakan di beberapa negara yang mempunyai rizab kuasa hidro yang tidak mahal. Kompleks elektrokimia terbesar terletak di India, Kanada, Norway, Mesir, tetapi banyak pemasangan kecil telah dibuat dan beroperasi di negara yang berbeza kedamaian. Kaedah ini juga dianggap penting kerana ia adalah yang paling universal berhubung dengan penggunaan sumber tenaga primer. Sehubungan dengan penyebaran tenaga nuklear, proses elektrolisis air yang berkembang pesat telah menjadi mungkin disebabkan oleh tenaga elektrik yang murah. loji tenaga nuklear. Sumber tenaga elektrik hari ini tidak mencukupi untuk mensintesis hidrogen sebagai produk untuk kegunaan selanjutnya dalam sektor tenaga.

Kaedah elektrokimia untuk menghasilkan hidrogen daripada air mempunyai kelebihan berikut:

1. Ketulenan tinggi hidrogen dalam produk akhir - sehingga 99.99% atau lebih;

2. Ringan dan konsisten proses teknologi, proses itu boleh diautomasikan, tiada bahagian yang bergerak dalam sel elektrolitik;

3. Kemungkinan mendapatkan produk tambahan yang sangat berharga - oksigen dan air berat;

4. Bahan suapan yang tidak habis dan boleh diakses – air;

5. Kemungkinan menghasilkan hidrogen secara langsung di bawah tekanan;

6. Pengagihan fizikal oksigen dan hidrogen semasa elektrolisis.

Dalam semua contoh di atas menghasilkan hidrogen dengan mengurai air hasil sampingan adalah isipadu oksigen yang besar. Ini membuka kemungkinan baru untuk penggunaannya. Ia boleh mencari tempatnya bukan sahaja sebagai pemecut proses teknologi, tetapi juga sebagai penulen badan air yang sangat diperlukan. Penggunaan oksigen ini boleh meluas ke tanah, atmosfera dan air. Pembakaran jumlah sisa isi rumah yang semakin meningkat dalam oksigen akan membantu menyelesaikan masalah sisa pepejal di bandar-bandar besar.

Satu lagi produk berharga elektrolisis air ialah air berat - penyederhana neutron yang sangat baik dalam semua reaktor nuklear. Air berat ini boleh digunakan sebagai bahan mentah untuk sintesis deuterium, yang berfungsi sebagai bahan untuk tenaga termonuklear.

Pada skala terhad, kaedah interaksi wap air dengan fosforus dan penguraian haba hidrokarbon:

CH 4 (1000 °C) = C + 2 H 2 (dilepaskan sebagai gas).

Dalam sesetengah kes, hidrogen diperoleh daripada pemisahan pemangkin metanol dengan wap

CH 3 OH + H 2 O (250 °C) = CO 2 + 3 H 2,

atau akibat penguraian terma pemangkin ammonia

2 NH 3 (950 °C) --> N 2 + 3 H 2.

Walau bagaimanapun, sebatian permulaan ini dihasilkan secara besar-besaran daripada hidrogen; Sementara itu, mendapatkan hidrogen daripadanya adalah sangat mudah dan boleh digunakan dalam industri yang memakannya dalam kuantiti yang agak kecil (kurang daripada 500 m 3 /hari).

Kaedah yang paling penting untuk menghasilkan hidrogen.

1. Pelarutan zink dalam asid hidroklorik cair

Zn + 2 HCl = ZnCl 2 + H 2

Kaedah ini paling kerap digunakan di makmal.

Daripada asid hidroklorik, anda juga boleh menggunakan dicairkan asid sulfurik; Walau bagaimanapun, jika kepekatan yang kedua adalah terlalu tinggi, maka gas yang dibebaskan mudah tercemar dengan SO 2 dan H 2 S. Apabila menggunakan zink yang tidak tulen sepenuhnya, sebatian lain yang mencemarkan hidrogen juga terbentuk, contohnya AsH 3 dan PH 3 . Kehadiran mereka menentukan bau busuk hidrogen yang diperoleh melalui kaedah ini.

Untuk penulenan, hidrogen disalurkan larutan berasid permanganat atau kalium dikromat, dan kemudian melalui larutan kalium hidroksida, serta melalui asid sulfurik pekat atau melalui lapisan gel silika untuk menghilangkan lembapan. Titisan cecair terkecil yang ditangkap oleh hidrogen semasa pengeluarannya dan tertutup dalam gelembung gas paling baik dikeluarkan menggunakan penapis yang diperbuat daripada bulu biasa atau kaca yang dimampatkan rapat.

Sekiranya anda perlu menggunakan zink tulen, maka dua titis asid hidroplatinik atau tembaga sulfat mesti ditambah kepada asid, jika tidak zink tidak akan bertindak balas.

2. Melarutkan aluminium atau silikon dalam alkali kaustik

2 Al + 2 NaOH + 6 H 2 O = 2 Na + 3 H 2

Si + 2 KOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 2 H 2

Tindak balas ini sebelum ini digunakan untuk menghasilkan hidrogen di lapangan (untuk mengisi belon). Untuk menghasilkan 1 m 3 hidrogen (pada 0 ° C dan 760 mm Hg) hanya 0.81 kg aluminium atau 0.63 kg silikon diperlukan, berbanding 2.9 kg zink atau 2.5 kg besi.

Daripada silikon, ferrosilicon juga digunakan (kaedah silikon). Campuran ferrosilicon dan larutan soda kaustik, diperkenalkan sejurus sebelum Perang Dunia Pertama di tentera Perancis dipanggil hidrogenit, ia mempunyai sifat membara selepas penyalaan dengan pembebasan hidrogen yang bertenaga mengikut tindak balas berikut:

Si + Ca(OH) 2 + 2 NaOH = Na 2 SiO 3 + CaO + 2 H 2.

3. Kesan natrium ke atas air

2 Na + 2 H 2 O = 2 NaOH + H 2

Disebabkan fakta bahawa natrium tulen bertindak balas terlalu kuat dalam kes ini, ia lebih kerap dimasukkan ke dalam tindak balas dalam bentuk natrium amalgam; Kaedah ini digunakan terutamanya untuk pengeluaran hidrogen apabila ia digunakan untuk pengurangan "dalam status nascendi". Logam alkali dan alkali tanah lain bertindak balas sama dengan natrium dan air.

4. Kesan kalsium hidrida ke atas air

CaH 2 + 2 H 2 O = Ca(OH) 2 + 2 H 2

Kaedah ini adalah cara yang mudah untuk menghasilkan hidrogen di lapangan. Untuk mendapatkan 1 m 3 hidrogen, secara teorinya, 0.94 kg CaH 2 diperlukan dan, selain air, tiada reagen lain diperlukan.5. Melepasi wap air ke atas besi panas-merah

4 H 2 O + 3 Fe = Fe 3 O 4 + 4 H 2

Menggunakan tindak balas ini pada tahun 1783, Lavoisier pertama kali secara analitikal membuktikan komposisi air. Oksida besi yang terbentuk semasa tindak balas ini boleh dengan mudah dikurangkan kepada besi metalik dengan menghantar gas penjana ke atasnya supaya wap air yang mengalir ke atas besi yang sama boleh dilakukan dengan sewenang-wenangnya beberapa kali. Kaedah ini telah lama menjadi kepentingan industri yang besar. Ia masih digunakan secara kecil-kecilan sehingga kini.

6. Melepasi wap air ke atas kok.

Pada suhu melebihi 1000 °C, tindak balas berlaku terutamanya mengikut persamaan

H 2 O + C = CO + H 2.

Pertama, gas air diperolehi, iaitu campuran hidrogen dan karbon monoksida dengan campuran kuantiti yang kecil. karbon dioksida dan nitrogen. Karbon dioksida mudah dikeluarkan dengan mencuci dengan air di bawah tekanan. Karbon monoksida dan nitrogen dikeluarkan menggunakan proses Frank-Caro-Linde, iaitu, dengan mencairkan kekotoran ini, yang dicapai dengan menyejukkan dengan udara cecair hingga -200 °C. Kesan CO dikeluarkan dengan menyalurkan gas ke atas kapur soda yang dipanaskan

CO + NaOH = HCOONa - natrium format.

Kaedah ini memberi sangat hidrogen tulen, yang digunakan, sebagai contoh, untuk penghidrogenan lemak.

Walau bagaimanapun, lebih kerap, gas air bercampur dengan wap air pada suhu 400 °C disalurkan ke atas pemangkin yang sesuai, contohnya, ke atas besi atau kobalt oksida ( kaedah hubungan mendapatkan gas air). Dalam kes ini, CO bertindak balas dengan air mengikut persamaan

CO + H 2 Opar = CO 2 + H 2 (“penukaran CO”).

CO 2 yang terhasil diserap oleh air (di bawah tekanan). Baki karbon monoksida (~1 jilid%) dibasuh dengan larutan ammonia kuprum moklorida. Gas air yang digunakan dalam kaedah ini diperoleh dengan menghantar wap air ke atas kok panas. DALAM kebelakangan ini Interaksi wap air dengan arang batu (perubahan habuk arang batu menjadi gas) semakin digunakan. Gas air yang diperoleh dengan cara ini biasanya mengandungi sejumlah besar hidrogen. Hidrogen (mengandungi nitrogen) yang dibebaskan daripada gas air digunakan terutamanya untuk sintesis ammonia dan penghidrogenan arang batu.

7. Gas ketuhar kok cecair pecahan.

Sama seperti pengeluaran daripada gas air, hidrogen boleh diperolehi melalui pencairan pecahan gas ketuhar kok, yang utama bahagian integral iaitu hidrogen.

Pertama, gas ketuhar kok, dari mana sulfur dikeluarkan sebelum ini, disucikan daripada CO 2 dengan mencuci dengan air di bawah tekanan, diikuti dengan rawatan dengan larutan natrium hidroksida. Kemudian mereka secara beransur-ansur dibebaskan daripada baki kekotoran melalui pemeluwapan berperingkat sehingga hanya hidrogen yang tinggal; Ia dibersihkan daripada kekotoran lain dengan membasuhnya dengan air yang sangat sejuk. nitrogen cecair. Kaedah ini digunakan terutamanya untuk mendapatkan hidrogen untuk sintesis ammonia.

8. Interaksi metana dengan wap air (penguraian metana).

Metana bertindak balas dengan wap air dengan kehadiran pemangkin yang sesuai apabila dipanaskan (1100 °C) mengikut persamaan

CH 4 + H 2 Opar + 204 kJ (pada tekanan malar).

Haba yang diperlukan untuk tindak balas mesti dibekalkan sama ada secara luaran atau dengan menggunakan " pembakaran dalaman", iaitu dengan mencampurkan udara atau oksigen supaya bahagian metana terbakar menjadi karbon dioksida

CH 4 + 2 O 2 = CO 2 + 2 H 2 Opar + 802 kJ (pada tekanan malar).

Dalam kes ini, nisbah komponen dipilih supaya tindak balas secara keseluruhan adalah eksotermik

12 CH 4 + 5 H 2 Opar + 5 O 2 = 29 H2 + 9 CO + 3 CO 2 + 85.3 kJ.

Hidrogen juga dihasilkan daripada karbon monoksida melalui "penukaran CO". Karbon dioksida dikeluarkan dengan mencuci dengan air di bawah tekanan. Hidrogen yang diperoleh daripada metana terurai digunakan terutamanya dalam sintesis ammonia dan penghidrogenan arang batu.

9. Interaksi wap air dengan fosforus (ungu).

2 P + 8 H 2 O = 2 H 3 PO 4 + 5 H 2

Biasanya, proses itu dijalankan dengan cara ini: wap fosforus, yang diperoleh daripada pengurangan kalsium fosfat dalam relau elektrik, disalurkan bersama wap air ke atas pemangkin pada 400-600 ° C (dengan peningkatan suhu, keseimbangan ini tindak balas beralih ke kiri). Interaksi H 3 PO 4 yang terbentuk pada mulanya dengan fosforus untuk membentuk H 3 PO 3 dan PH 3 dihalang oleh penyejukan pantas produk tindak balas (pelindapkejutan). Kaedah ini digunakan terutamanya jika hidrogen digunakan untuk sintesis ammonia, yang kemudiannya diproses menjadi baja penting bebas kekotoran - ammophos (campuran hidro- dan dihidrogen ammonium fosfat).

10. Penguraian elektrolitik air.

2 H 2 O = 2 H 2 + O 2

Air tulen boleh dikatakan tidak mengalirkan arus, jadi elektrolit (biasanya KOH) ditambah kepadanya. Semasa elektrolisis, hidrogen dibebaskan di katod. Jumlah oksigen yang setara dibebaskan di anod, yang oleh itu merupakan hasil sampingan dalam kaedah ini.

Hidrogen yang dihasilkan oleh elektrolisis adalah sangat tulen, kecuali untuk campuran sejumlah kecil oksigen, yang boleh dikeluarkan dengan mudah dengan menyalurkan gas ke atas pemangkin yang sesuai, contohnya pada asbestos yang dipanaskan sedikit. Oleh itu, ia digunakan untuk penghidrogenan lemak dan untuk proses penghidrogenan pemangkin yang lain. Hidrogen yang dihasilkan melalui kaedah ini agak mahal.

Penggunaan hidrogen.

Pada masa ini, hidrogen dihasilkan dalam kuantiti yang banyak. sangat kebanyakan ia digunakan dalam sintesis ammonia, penghidrogenan lemak dan dalam penghidrogenan arang batu, minyak dan hidrokarbon. Di samping itu, hidrogen digunakan untuk sintesis asid hidroklorik, metil alkohol, asid hidrosianik, dalam mengimpal dan menempa logam, serta dalam pembuatan lampu pijar dan batu permata. Hidrogen dijual dalam silinder di bawah tekanan lebih 150 atm. Mereka dicat warna hijau gelap dan disediakan dengan tulisan merah "Hidrogen".

Hidrogen digunakan untuk menukar lemak cecair kepada lemak pepejal (hidrogenasi), dan untuk menghasilkan bahan api cecair dengan menghidrogenkan arang batu dan minyak bahan api. Dalam metalurgi, hidrogen digunakan sebagai agen pengurangan untuk oksida atau klorida untuk menghasilkan logam dan bukan logam (germanium, silikon, galium, zirkonium, hafnium, molibdenum, tungsten, dll.).

Penggunaan praktikal hidrogen adalah berbeza-beza: ia biasanya digunakan untuk mengisi belon probe; dalam industri kimia ia berfungsi sebagai bahan mentah untuk pengeluaran banyak produk penting(ammonia, dsb.), dalam makanan - untuk pengeluaran daripada minyak sayuran lemak pepejal, dsb. Suhu tinggi (sehingga 2600 °C) hasil daripada pembakaran hidrogen dalam oksigen digunakan untuk mencairkan logam refraktori, kuarza, dll. Hidrogen cecair ialah salah satu bahan api jet yang paling cekap. Penggunaan hidrogen global tahunan melebihi 1 juta tan.

Nama pencipta: Ermakov Viktor Grigorievich
Nama pemilik paten: Ermakov Viktor Grigorievich
Alamat surat menyurat: 614037, Perm, Mozyrskaya st., 5, apt 70 Ermakov Viktor Grigorievich
Tarikh mula paten: 1998.04.27

Ciptaan ini bertujuan untuk sektor tenaga dan boleh digunakan untuk mendapatkan sumber tenaga yang murah dan menjimatkan. Wap air yang dipanaskan lampau dengan suhu 500-550 o C . Wap air panas lampau disalurkan melalui medan elektrik yang tetap (voltan tinggi 6000 V ) untuk menghasilkan hidrogen dan oksigen.

Kaedah ini mudah dalam reka bentuk perkakasan, menjimatkan, kalis api dan letupan, dan sangat produktif.

HURAIAN REKACIPTA

Hidrogen, apabila digabungkan dengan oksigen melalui pengoksidaan, menduduki tempat pertama dalam kandungan kalori setiap 1 kg bahan api antara semua bahan bakar yang digunakan untuk menjana elektrik dan haba.

Tetapi nilai kalori tinggi hidrogen masih belum digunakan untuk menghasilkan elektrik dan haba dan tidak dapat bersaing dengan bahan api hidrokarbon. Halangan kepada penggunaan hidrogen dalam sektor tenaga adalah kaedah yang mahal untuk menghasilkannya, yang tidak wajar dari segi ekonomi. Untuk menghasilkan hidrogen, loji elektrolisis digunakan terutamanya, yang produktif rendah dan tenaga yang dibelanjakan untuk menghasilkan hidrogen adalah sama dengan tenaga yang diperoleh daripada pembakaran hidrogen ini. Terdapat kaedah yang diketahui untuk menghasilkan hidrogen dan oksigen daripada wap air panas lampau dengan suhu 1800-2500 o C diterangkan dalam aplikasi UK

N 1489054 (cl. C 01 B 1/03, 1977) pada pemangkin dengan menghantar stim ini melalui medan elektrik, seperti yang diterangkan dalam aplikasi UK N 1585527 (cl. C 01 B 3/04, 1981).

Kelemahan kaedah ini termasuk:

kemustahilan untuk mendapatkan hidrogen dalam kuantiti yang banyak;

keamatan tenaga;

kerumitan peranti dan penggunaan bahan mahal;

kemustahilan melaksanakan kaedah ini apabila menggunakan air teknikal, kerana pada suhu wap tepu deposit dan skala akan terbentuk di dinding peranti dan pada pemangkin, yang akan membawa kepada kegagalan pesatnya;

Untuk mengumpul hidrogen dan oksigen yang terhasil, bekas pengumpulan khas digunakan, yang menjadikan kaedah itu terbakar dan meletup.

Tugas yang diarahkan ciptaan ialah menghapuskan kelemahan di atas, serta mendapatkan sumber tenaga dan haba yang murah.

Ini dicapai oleh bahawa dalam kaedah menghasilkan hidrogen dan oksigen daripada wap air, yang termasuk menghantar stim ini melalui medan elektrik, menurut ciptaan itu, wap panas lampau dengan suhu Wap air yang dipanaskan lampau dengan suhu dan melepasinya melalui medan elektrik DC voltan tinggi, dengan itu menyebabkan pemisahan wap dan pembahagiannya kepada atom hidrogen dan oksigen.

KAEDAH YANG DICADANGKAN ADALAH BERDASARKAN PERKARA BERIKUT

Sambungan elektronik antara atom hidrogen dan oksigen lemah mengikut kadar peningkatan suhu air. Ini disahkan oleh amalan semasa membakar kering arang batu. Sebelum membakar arang batu kering, ia disiram. Arang batu basah menghasilkan lebih banyak haba dan terbakar dengan lebih baik. Ini berlaku kerana pada suhu tinggi pembakaran arang batu, air terurai menjadi hidrogen dan oksigen. Hidrogen membakar dan memberikan kalori tambahan kepada arang batu, dan oksigen meningkatkan jumlah oksigen di udara di dalam kotak api, yang menggalakkan pembakaran arang batu yang lebih baik dan lengkap.

Suhu penyalaan hidrogen daripada 580 kepada 590 o C, penguraian air mestilah di bawah ambang penyalaan hidrogen.

Ikatan elektronik antara atom hidrogen dan oksigen pada suhu 550 o C masih mencukupi untuk pembentukan molekul air, tetapi orbit elektron sudah terherot, sambungan dengan atom hidrogen dan oksigen menjadi lemah. Agar elektron meninggalkan orbitnya dan ikatan atom di antara mereka hancur, elektron perlu menambah lebih banyak tenaga, tetapi bukan haba, tetapi tenaga. medan elektrik voltan tinggi. Kemudian tenaga berpotensi medan elektrik ditukar kepada tenaga kinetik elektron. Kelajuan elektron dalam medan elektrik arus terus meningkat secara berkadar punca kuasa dua voltan yang dikenakan pada elektrod.

Penguraian wap panas lampau dalam medan elektrik boleh berlaku pada halaju stim yang rendah, dan halaju wap sedemikian pada suhu 550 o C hanya boleh didapati di kawasan lapang.

Untuk mendapatkan hidrogen dan oksigen dalam kuantiti yang banyak, anda perlu menggunakan undang-undang pemuliharaan jirim. Daripada undang-undang ini, ia berikut: dalam apa jua kuantiti air terurai menjadi hidrogen dan oksigen, dalam kuantiti yang sama kita memperoleh air daripada pengoksidaan gas-gas ini.

Kemungkinan melaksanakan ciptaan disahkan oleh contoh yang dijalankan dalam tiga pilihan pemasangan.

Ketiga-tiga pilihan pemasangan dibuat daripada produk silinder piawai yang serupa yang diperbuat daripada paip keluli.

Pilihan pertama
Operasi dan peranti pemasangan pilihan pertama ( skema 1).

Dalam ketiga-tiga pilihan, operasi pemasangan bermula dengan penyediaan wap panas lampau di ruang terbuka dengan suhu stim 550 o C. Ruang terbuka memastikan kelajuan sepanjang litar penguraian stim sehingga 2 m/s.

Penyediaan wap panas lampau berlaku dalam paip keluli yang diperbuat daripada keluli tahan haba /starter/, diameter dan panjangnya bergantung kepada kuasa pemasangan. Kuasa pemasangan menentukan jumlah air terurai, liter/s.

Satu liter air mengandungi 124 l hidrogen Dan 622 l oksigen, dari segi kalori ialah 329 kcal.

Sebelum memulakan pemasangan, pemula memanaskan badan dari 800 hingga 1000 o C/pemanasan dilakukan dalam apa jua cara/.

Satu hujung starter dipalamkan dengan bebibir yang melaluinya air bermeter masuk untuk penguraian kepada kuasa yang dikira. Air dalam starter memanaskan sehingga 550 o C, keluar dengan bebas dari hujung satu lagi starter dan memasuki ruang penguraian, yang mana starter disambungkan dengan bebibir.

Dalam kebuk penguraian, wap panas lampau diuraikan menjadi hidrogen dan oksigen oleh medan elektrik yang dicipta oleh elektrod positif dan negatif, yang dibekalkan dengan arus terus dengan voltan. 6000 V. Elektrod positif ialah badan kebuk itu sendiri /paip/, dan elektrod negatif ialah paip keluli berdinding nipis yang dipasang di tengah badan, di sepanjang seluruh permukaannya terdapat lubang dengan diameter 20 mm.

Paip elektrod ialah jaring yang tidak sepatutnya menimbulkan rintangan untuk hidrogen memasuki elektrod. Elektrod dipasang pada badan paip menggunakan sesendal, dan voltan tinggi dibekalkan melalui pengikat yang sama. Hujung tiub elektrod negatif berakhir dengan tiub penebat elektrik dan tahan haba untuk hidrogen keluar melalui bebibir ruang. Oksigen keluar dari badan kebuk penguraian melalui paip keluli. Elektrod positif /badan kamera/ mesti dibumikan dan kutub positif bekalan kuasa DC mesti dibumikan.

Keluar hidrogen berhubung dengan oksigen 1:5.

Pilihan kedua
Peranti operasi dan pemasangan mengikut pilihan kedua ( skema 2).

Pemasangan pilihan kedua bertujuan untuk mendapatkan kuantiti yang banyak hidrogen dan oksigen disebabkan oleh penguraian selari sejumlah besar air dan pengoksidaan gas dalam dandang untuk menghasilkan wap yang berfungsi tekanan tinggi untuk loji kuasa yang menggunakan hidrogen /selepas ini WPP/.

Operasi pemasangan, seperti dalam pilihan pertama, bermula dengan penyediaan wap panas lampau dalam pemula. Tetapi pemula ini berbeza daripada pemula dalam versi 1. Perbezaannya ialah pada penghujung pemula terdapat paip yang dikimpal di mana suis stim dipasang, yang mempunyai dua kedudukan - "mula" dan "lari".

Stim yang dihasilkan dalam pemula memasuki penukar haba, yang direka untuk melaraskan suhu air pulih selepas pengoksidaan dalam dandang / K1/ kepada 550 o C. penukar haba / Itu/ - paip, seperti semua produk dengan diameter yang sama. Tiub keluli tahan haba dipasang di antara bebibir paip, yang melaluinya wap panas lampau melepasi. Tiub diterbangkan dengan air dari sistem penyejukan tertutup.

Dari penukar haba, wap panas lampau memasuki ruang penguraian, sama seperti dalam pilihan pemasangan pertama.

Hidrogen dan oksigen dari ruang penguraian memasuki penunu dandang 1, di mana hidrogen dinyalakan dengan pemetik api - obor terbentuk. Obor, yang mengalir di sekeliling dandang 1, menghasilkan wap kerja tekanan tinggi di dalamnya. Ekor obor dari dandang 1 memasuki dandang 2 dan dengan habanya dalam dandang 2 menyediakan stim untuk dandang 1. Pengoksidaan berterusan gas bermula di sepanjang keseluruhan litar dandang mengikut formula yang terkenal:

2H 2 + O 2 = 2H 2 O + haba

Hasil daripada pengoksidaan gas, air berkurangan dan haba dibebaskan. Haba dalam pemasangan ini dikumpul oleh dandang 1 dan dandang 2, menukar haba ini menjadi stim kerja tekanan tinggi. Dan air reconstituted suhu tinggi memasuki penukar haba seterusnya, daripadanya ke dalam ruang penguraian seterusnya. Urutan peralihan air dari satu keadaan ke keadaan yang lain berterusan seberapa banyak yang diperlukan untuk mendapatkan tenaga daripada haba terkumpul ini dalam bentuk stim kerja untuk menyediakan kuasa reka bentuk WPP.

Selepas bahagian pertama stim panas lampau memintas semua produk, memberikan litar tenaga yang dikira dan meninggalkan yang terakhir dalam litar dandang 2, stim panas lampau diarahkan melalui paip ke suis stim yang dipasang pada pemula. Suis stim dialihkan dari kedudukan "mula" ke kedudukan "lari", selepas itu ia pergi ke pemula. Pemula dimatikan /air, memanaskan badan/. Dari pemula, wap panas lampau memasuki penukar haba pertama, dan daripadanya ke dalam ruang penguraian. Bermula pusingan baru wap panas lampau sepanjang litar. Mulai saat ini, penguraian dan litar plasma ditutup dengan sendirinya.

Pemasangan menggunakan air sahaja untuk menjana stim kerja tekanan tinggi, yang diambil daripada pemulangan litar stim ekzos selepas turbin.

Kekurangan loji kuasa untuk WPP- ini adalah kebesaran mereka. Sebagai contoh, untuk WPP pada 250 MW perlu diuraikan pada masa yang sama 455 l air dalam satu saat, dan ini akan memerlukan 227 kebuk penguraian, 227 penukar haba, 227 dandang / K1/, 227 dandang / K2/. Tetapi kerumitan itu akan dibenarkan seratus kali ganda hanya dengan fakta bahawa bahan api untuk WPP hanya akan ada air, apatah lagi kebersihan alam sekitar WPP, tenaga elektrik dan haba yang murah.

Pilihan ketiga
versi ke-3 loji kuasa ( skema 3).

Ini adalah loji kuasa yang sama seperti yang kedua.

Perbezaan di antara mereka ialah pemasangan ini beroperasi secara berterusan dari pemula; litar untuk mengurai wap dan membakar hidrogen dalam oksigen tidak ditutup dengan sendirinya. Produk akhir dalam pemasangan akan menjadi penukar haba dengan ruang penguraian. Susunan produk ini akan memungkinkan untuk menghasilkan, sebagai tambahan kepada tenaga elektrik dan haba, hidrogen dan oksigen atau hidrogen dan ozon. Loji kuasa dihidupkan 250 MW apabila beroperasi dari starter, ia akan menggunakan tenaga untuk memanaskan starter, air 7.2 m 3 / j dan air untuk pembentukan wap kerja 1620 m 3 /j/air digunakan daripada litar pemulangan stim ekzos/. Dalam loji kuasa untuk WPP suhu air 550 o C. Tekanan wap 250 pada. Penggunaan tenaga untuk mencipta medan elektrik bagi setiap ruang penguraian adalah lebih kurang 3600 kW/j.

Loji kuasa dihidupkan 250 MW apabila meletakkan produk di empat tingkat, ia akan mengambil ruang 114 x 20 m dan ketinggian 10 m. Tidak mengambil kira kawasan untuk turbin, generator dan transformer dihidupkan 250 kVA - 380 x 6000 V.

CIPTAAN INI MEMPUNYAI KELEBIHAN BERIKUT

Haba yang diperoleh daripada pengoksidaan gas boleh digunakan terus di tapak, dengan hidrogen dan oksigen diperoleh dengan mengitar semula wap sisa dan air proses.

Penggunaan air yang rendah apabila menjana elektrik dan haba.

Kesederhanaan kaedah.

Penjimatan tenaga yang ketara kerana ia dibelanjakan hanya untuk memanaskan pemula kepada rejim terma yang ditetapkan.

Produktiviti proses yang tinggi, kerana penceraian molekul air berlangsung sepersepuluh saat.

Keselamatan letupan dan kebakaran kaedah, kerana apabila melaksanakannya, tidak perlu bekas untuk mengumpul hidrogen dan oksigen.

Semasa operasi pemasangan, air disucikan berkali-kali, berubah menjadi air suling. Ini menghapuskan sedimen dan skala, yang meningkatkan hayat perkhidmatan pemasangan.

Pemasangan diperbuat daripada keluli biasa; dengan pengecualian dandang yang diperbuat daripada keluli tahan haba dengan lapisan dan pelindung dindingnya. Iaitu, tiada bahan mahal khas diperlukan.

Ciptaan itu mungkin mendapat aplikasi dalam industri dengan menggantikan hidrokarbon dan bahan api nuklear di loji kuasa kepada air yang murah, meluas dan mesra alam sambil mengekalkan kuasa pemasangan ini.

FORMULA REKACIPTA

Kaedah untuk menghasilkan hidrogen dan oksigen daripada wap air, termasuk menghantar stim ini melalui medan elektrik, dicirikan bahawa ia menggunakan wap air panas lampau pada suhu 500 - 550 o C, melalui medan elektrik arus terus voltan tinggi untuk mengasingkan wap dan memisahkannya kepada atom hidrogen dan oksigen.

Anda akan perlukan

• Botol plastik 1.5 liter, bola getah, kuali dengan air, kalium hidroksida atau natrium hidroksida ( soda kaustik, soda kaustik), dawai aluminium 40 sentimeter, sekeping zink, bekas kaca dengan leher sempit, larutan asid hidroklorik, bola getah, bateri 12 Volt, dawai kuprum, dawai zink, bekas kaca , air, garam meja, gam, picagari .

Arahan

Isi botol plastik separuh dengan air. Buang ke dalam botol dan larutkan 10-15 gram soda kaustik atau soda dalam air. Letakkan botol dalam kuali air. Potong wayar aluminium kepada kepingan sepanjang 5 sentimeter dan buang ke dalam botol. Letakkan bola getah pada leher botol. Alkali yang dibebaskan semasa tindak balas dengan larutan alkali akan berada dalam bola getah. Ini berlaku dengan pelepasan yang ganas - berhati-hati!

Tuangkan garam ke dalam bekas kaca dan buang zink ke dalamnya. Letakkan pada leher bekas kaca belon. Dikeluarkan semasa tindak balas dengan asid hidroklorik hidrogen akan terkumpul masuk belon udara panas.

Tuangkan air ke dalam bekas kaca dan kacau 4-5 sudu di dalamnya garam meja. Kemudian masukkan wayar kuprum ke dalam picagari dari bahagian omboh. Tutup kawasan ini dengan gam. Celup picagari ke dalam bekas dengan larutan garam dan gerakkan plunger kembali untuk mengisi picagari. Sambung wayar kuprum ke kesimpulan negatif bateri Celupkan wayar zink ke dalam larutan garam di sebelah picagari dan sambungkannya ke terminal positif bateri. Hasil daripada tindak balas elektrolisis, hidrogen dilepaskan berhampiran wayar kuprum, yang menyesarkan, sentuhan wayar kuprum dengan larutan garam akan terganggu, dan tindak balas akan berhenti.

Nama moden hidrogen– hidrogen, diberikan oleh ahli kimia Perancis terkenal Lavoisier. Nama itu bermaksud hidro (air) dan genesis (melahirkan). "Udara mudah terbakar," seperti yang dipanggil sebelum ini, ditemui oleh Cavendish pada tahun 1766, dan dia juga membuktikan bahawa hidrogen lebih ringan daripada udara. DALAM kurikulum sekolah dalam kimia terdapat pelajaran yang memberitahu bukan sahaja tentang gas ini, tetapi juga kaedah menghasilkannya.

Anda akan perlukan

• Kelalang Wurtz, natrium hidroksida, butiran dan serbuk aluminium, cawan penyukat, sudu aluminium, tripod, corong jatuh. Cermin mata dan sarung tangan keselamatan, obor, pemetik api atau mancis.

Arahan

Cara pertama.
Ambil kelalang Wurtz, di mana tiub keluar kaca dipateri ke leher, dan corong jatuh. Pasang sistem pada tripod dengan memasang kelalang dengan pengapit dan meletakkannya di atas permukaan meja. Masukkan corong titisan dengan paip ke dalamnya dari atas.

Semak bahawa semua sistem - kelalang Wurtz dan pengapit - diikat dengan ketat. Ambillah. Ia sepatutnya dalam butiran. Masukkan ke dalam kelalang. Tuang lebih kurang ke dalam corong jatuh larutan tepu. Sediakan dua bekas untuk pembendungan, serta obor dan pemetik api atau mancis untuk menyalakannya.

Tuangkan natrium hidroksida daripada corong jatuh ke dalam kelalang Wurtz dengan membuka stopcock pada corong. Tunggu, selepas beberapa ketika evolusi hidrogen akan bermula. Hidrogen, dengan kandungan yang kecil, akan mengisi kelalang sepenuhnya. Untuk mempercepatkan proses ini, panaskan kelalang Wurtz dari bawah menggunakan obor.

Dah lama saya teringin nak buat macam ni. Tetapi ia tidak pergi lebih jauh daripada eksperimen dengan bateri dan sepasang elektrod. Saya ingin membuat peranti lengkap untuk menghasilkan hidrogen, dalam kuantiti untuk meniup belon. Sebelum membuat peranti lengkap untuk elektrolisis air di rumah, saya memutuskan untuk menguji segala-galanya pada model.

Gambar rajah am elektrolisis kelihatan seperti ini.

Model ini tidak sesuai untuk kegunaan harian penuh. Tetapi kami berjaya menguji idea itu.

Jadi untuk elektrod saya memutuskan untuk menggunakan grafit. Sumber grafit yang sangat baik untuk elektrod ialah pengumpul arus bas troli. Terdapat banyak daripada mereka berbaring di perhentian akhir. Perlu diingat bahawa salah satu elektrod akan dimusnahkan.

Kami melihat dan memuktamadkannya dengan fail. Keamatan elektrolisis bergantung kepada kekuatan semasa dan kawasan elektrod.

Wayar dipasang pada elektrod. Wayar mesti dilindungi dengan teliti.

Model elektrolisis agak sesuai untuk perumahan botol plastik. Lubang dibuat pada penutup untuk tiub dan wayar.

Semuanya disalut dengan teliti dengan sealant.

Untuk menyambung dua bekas, potong leher botol adalah sesuai.

Mereka perlu disatukan dan jahitannya cair.

Kacang diperbuat daripada penutup botol.

Lubang dibuat di bahagian bawah dua botol. Semuanya disambungkan dan diisi dengan teliti dengan sealant.

Kami akan menggunakan rangkaian isi rumah 220V sebagai sumber voltan. Saya ingin memberi amaran kepada anda bahawa ini adalah mainan yang agak berbahaya. Jadi, jika anda tidak mempunyai kemahiran yang mencukupi atau mempunyai keraguan, maka adalah lebih baik untuk tidak mengulanginya. Dalam rangkaian isi rumah kita mempunyai arus ulang alik untuk elektrolisis ia mesti diperbetulkan. Jambatan diod sesuai untuk ini. Yang dalam foto ternyata tidak cukup kuat dan cepat terbakar. Pilihan terbaik ialah jambatan diod MB156 Cina dalam perumah aluminium.

Jambatan diod menjadi sangat panas. Penyejukan aktif akan diperlukan. Penyejuk untuk pemproses komputer adalah sempurna. Anda boleh menggunakan kotak simpang saiz yang sesuai untuk perumahan. Dijual dalam barangan elektrik.

Beberapa lapisan kadbod mesti diletakkan di bawah jambatan diod.

Lubang yang diperlukan dibuat di penutup kotak simpang.

Inilah rupa pemasangan yang dipasang. Elektroliser dikuasakan daripada sesalur kuasa, kipas daripada sumber kuasa sejagat. Larutan baking soda digunakan sebagai elektrolit. Di sini anda perlu ingat bahawa semakin tinggi kepekatan larutan, semakin tinggi kadar tindak balas. Tetapi pada masa yang sama pemanasan lebih tinggi. Selain itu, tindak balas penguraian natrium pada katod akan menyumbang kepada pemanasan. Tindak balas ini adalah eksotermik. Akibatnya, hidrogen dan natrium hidroksida akan terbentuk.

Peranti dalam foto di atas menjadi sangat panas. Saya terpaksa mematikannya secara berkala dan tunggu sehingga ia sejuk. Masalah pemanasan sebahagiannya diselesaikan dengan menyejukkan elektrolit. Untuk ini saya menggunakan pam air pancut atas meja. Tiub panjang mengalir dari satu botol ke botol lain melalui pam dan baldi air sejuk.