Производство водорода – одна из главных образующих цепочек водородной энергетики. Водород в чистом виде, практически не встречается в природе, поэтому он должен извлекаться из других химических веществ различными методами и способами.
Как получить водород: методы
- Паровая конверсия метана и природного газа: водяной пар при высокой температуре (700 – 1000 градусов Цельсия) смешивается с метаном под давлением, в присутствии катализирующего вещества.
- Газификация угля: один из старейших способов получения водорода. Без доступа воздуха, при температуре 800 – 1300 градусов Цельсия нагревают уголь вместе с водяным паром, при этом из воды уголь вытесняет кислород. На выходе получается углекислый газ и водород.
- Электролиз воды.: очень простой способ получения водорода. В емкость наливается раствор соды, в который помещается 2 электрических элемента, один соответствует минусу – катод, другой плюсу – анод. В данный раствор подается электричество, которое разлаживает воду на составляющие – водород выделяется на катоде, а кислород на аноде.
- Пиролиз: разложение воды на водород и кислород без доступа воздуха и при высокой температуре.
- Частичное окисление: сплав металлов алюминия и галлия формируют в специальные брикеты, которые помещают в емкость с водой, в результате химической реакции образуется водород и окись алюминия. Галлий используется в сплаве для предотвращения окисления алюминия.
- Биотехнологии: еще в 20 веке было обнаружено, что если водорослям хламидомонадам не будет хватать кислорода и серы в процессе жизнедеятельности, то они бурно начнут выделять водород.
- Глубинный газ планеты: в недрах земли водород может находится в чистом газообразном виде, но его выработка оттуда не целесообразна.
Как из воды получить водород
Наиболее простым способом получения водорода из воды является электролиз. Электролиз - химический процесс, при котором раствор электролита, под воздействием электрического тока, разделяется на составные части, то есть в нашем случае вода разделяется на водород и кислород. Для этого используется раствор соды в воде и два элемента – катод и анод, на которых и будут выделятся газы. На элементы подается напряжение, на аноде выделяется кислород, а на катоде водород.
Как получить водород в домашних условиях
Реактивы используются довольно простые – купорос (медный), поваренная соль, алюминий и вода. Алюминий можно взять из под пивных банок, но прежде, его нужно обжечь, чтобы избавится от пластиковой пленки, которая мешает реакции.
Потом отдельно готовится раствор купороса, и раствор соли, раствор купороса голубого цвета, смешивается с раствором соли, в итоге получается раствор зеленого цвета. Затем в этот зеленый раствор бросаем кусочек алюминиевой фольги, вокруг него появляются пузырьки – это водород. Также замечаем, что фольга покрылась красным налетом, это алюминий вытеснил медь из раствора. Для того, чтобы собрать водород для личных целей, используйте бутылку с пробкой, в которую заранее вставлена не широкая трубка, через которую и будет выходить газ.
А теперь, внимание! Меры предосторожности. Поскольку водород взрывоопасный газ, опыты с ним нужно проводить на улице, а во-вторых реакция получения водорода проходит с большим выделением тепла, раствор может разбрызгиваться и вас попросту обжечь.
Как получить перекись водорода
- В лаборатории перекись водорода получают с помощью реакции: ВаО 2 + Н 2 SО 4 = BaSO 4 + H 2 O 2 .
- В промышленных масштабах ее получают с помощью электролиза серной кислоты, в процессе которого образуется надсерная кислота, которую, в итоге, разлаживают на серную кислоту и перекись водорода.
- Как получают водород в лаборатории еще: часто водород в лаборатории получают взаимодействием цинка и соляной кислоты: Zn + 2HCl = H 2 + ZnCl 2 .
Надеюсь, с этой статьи вы вынесли ту информацию, которая вам была необходима, и еще раз предупреждаю – будьте осторожны с любыми опытами и экспериментами с водородом!
Имя изобретателя:
Ермаков Виктор Григорьевич
Имя патентообладателя:
Ермаков Виктор Григорьевич
Адрес для переписки:
614037, Пермь, ул.Мозырская, д.5, кв.70 Ермакову Виктору Григорьевичу
Дата начала действия патента:
1998.04.27
Изобретение предназначено для энергетики и может быть использовано при получении дешевых и экономичных источников энергии. Получают в незамкнутом пространстве перегретый водяной пар с температурой 500-550 o C . Перегретый водяной пар пропускают через постоянное электрическое поле высокого напряжения (6000 В ) с получением водорода и кислорода. Способ прост в аппаратурном оформлении, экономичен, пожаро- и взрывобезопасен, высокопроизводителен.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Водород при соединении с кислородом-окислении, занимает первое место по калорийности на 1 кг топлива среди всех горючих используемых для поучения электроэнергии и тепла. Но высокая калорийность водорода до сих пор не используется в получении электроэнергии и тепла и не может конкурировать с углеводородным топливом.
Препятствием для использования водорода в энергетике является дорогой способ его получения, который экономически не оправдывается. Для получения водорода в основном применяются электролизные установки, которые малопроизводительны и энергия, затраченная на получение водорода, равна энергии, полученной от сжигания этого водорода.
Известен способ получения водорода и кислорода из перегретого водяного пара с температурой 1800-2500 o C , описанный в заявке Великобритании N 1489054 (кл. C 01 B 1/03, 1977) . Этот способ сложен, энергоемок и трудноосуществим.
Наиболее близким к предложенному является способ получения водорода и кислорода из водяного пара на катализаторе при пропускании этого пара через электрическое поле, описанный в заявке Великобритании N 1585527 (кл. C 01 B 3/04, 1981) .
К недостаткам этого способа относятся:
невозможность получения водорода в больших количествах;
энергоемкость;
сложность устройства и использование дорогих материалов;
невозможность осуществления этого способа при использовании технической воды, т. к. при температуре насыщенного пара на стенках устройства и на катализаторе будут образовываться отложения и накипь, что приведет к ее быстрому выходу из строя;
для сбора полученных водорода и кислорода используются специальные сборные емкости, что делает способ пожаро- и взрывоопасным.
Задачей, на которую направлено изобретение, является устранение вышеуказанных недостатков, а также получение дешевого источника энергии и тепла.
Это достигается тем , что в способе получения водорода и кислорода из пара воды, включающем пропускание этого пара через электрическое поле, согласно изобретению используют перегретый пар с температурой 500-550 o C и пропускают его через электрическое поле постоянного тока высокого напряжения, вызывая тем самым диссоциацию пара и разделение его на атомы водорода и кислорода .
ПРЕДЛОЖЕННЫЙ СПОСОБ ОСНОВАН НА СЛЕДУЮЩЕМ
Электронная связь между атомами водорода и кислорода ослабевает пропорционально повышению температуры воды. Это подтверждается практикой при сжигании сухого каменного угля. Перед тем как сжигать сухой уголь, его поливают водой. Мокрый уголь дает больше тепла, лучше горит. Это происходит от того, что при высокой температуре горения угля вода распадается на водород и кислород. Водород сгорает и дает дополнительные калории углю, а кислород увеличивает объем кислорода воздуха в топке, что способствует лучшему и полному сгоранию угля.
Температура воспламенения водорода от 580 до 590 o C , разложение воды должно быть ниже порога зажигания водорода.
Электронная связь между атомами водорода и кислорода при температуре 550 o C еще достаточна для образования молекул воды, но орбиты электронов уже искажены, связь с атомами водорода и кислорода ослаблена. Для того, чтобы электроны сошли со своих орбит и атомная связь между ними распалась, нужно электронам добавить еще энергии, но уже не тепла, а энергию электрического поля высокого напряжения. Тогда потенциальная энергия электрического поля преобразуется в кинетическую энергию электрона. Скорость электронов в электрическом поле постоянного тока возрастает пропорционально квадратному корню напряжения, приложенного к электродам.
Разложение перегретого пара в электрическом поле может происходить при небольшой скорости пара, а такую скорость пара при температуре 550 o C можно получить только в незамкнутом пространстве.
Для получения водорода и кислорода в больших количествах нужно использовать закон сохранения материи. Из этого закона следует: в каком количестве была разложена вода на водород и кислород, в таком же количестве получим воду при окислении этих газов.
Возможность осуществления изобретения подтверждается примерами, осуществляемыми в трех вариантах установок .
Все три варианта установок изготавливаются из одинаковых, унифицированных изделий цилиндрической формы из стальных труб.
Первый вариант
Работа и устройство установки первого варианта (схема 1
).
Во всех трех вариантах работа установок начинается с приготовления перегретого пара в незамкнутом пространстве с температурой пара 550 o C. Незамкнутое пространство обеспечивает скорость по контуру разложения пара до 2 м/с .
Приготовление перегретого пара происходит в стальной трубе из жаропрочной стали /стартер/, диаметр и длина которого зависит от мощности установки. Мощность установки определяет количество разлагаемой воды, литров/с.
Один литр воды содержит 124 л водорода и 622 л кислорода , в пересчете на калории составляет 329 ккал .
Перед пуском установки стартер разогревается от 800 до 1000 o C /разогрев производится любым способом/.
Один конец стартера заглушен фланцем, через который поступает дозированная вода для разложения на рассчитанную мощность. Вода в стартере нагревается до 550 o C , свободно выходит из другого конца стартера и поступает в камеру разложения, с которой стартер соединен фланцами.
В камере разложения перегретый пар разлагается на водород и кислород электрическим полем, создаваемым положительным и отрицательным электродами, на которые подается постоянный ток с напряжением 6000 В . Положительным электродом служит сам корпус камеры /труба/, а отрицательным электродом служит труба из тонкостенной стали, смонтированная по центру корпуса, по всей поверхности которой имеются отверстия диаметром по 20 мм .
Труба - электрод представляет собой сетку, которая не должна создавать сопротивление для входа в электрод водорода. Электрод крепится к корпусу трубы на проходных изоляторах и по этому же креплению подается высокое напряжение. Конец трубы отрицательного электрода оканчивается электроизоляционной и термостойкой трубой для выхода водорода через фланец камеры. Выход кислорода из корпуса камеры разложения через стальной патрубок. Положительный электрод /корпус камеры/ должен быть заземлен и заземлен положительный полюс у источника питания постоянного тока.
Выход водорода по отношению к кислороду 1:5 .
Второй вариант
Работа и устройство установки по второму варианту (схема 2
).
Установка второго варианта предназначена для получения большого количества водорода и кислорода за счет параллельного разложения большого количества воды и, окисления газов в котлах для получения рабочего пара высокого давления для электростанций, работающих на водороде /в дальнейшем ВЭС /.
Работа установки, как и в первом варианте, начинается с приготовления перегретого пара в стартере. Но этот стартер отличается от стартера в 1-м варианте. Отличие заключается в том, что на конце стартера приварен отвод, в котором смонтирован переключатель пара, имеющий два положения - "пуск" и "работа".
Полученный в стартере пар поступает в теплообменник, который предназначен для корректировки температуры восстановленной воды после окисления в котле /К1 / до 550 o C . Теплообменник /То / - труба, как и все изделия с таким же диаметром. Между фланцами трубы вмонтированы трубки из жаропрочной стали, по которым проходит перегретый пар. Трубки обтекаются водой из замкнутой системы охлаждения.
Из теплообменника перегретый пар поступает в камеру разложения, точно такую же, как и в первом варианте установки.
Водород и кислород из камеры разложения поступают в горелку котла 1, в которой водород поджигается зажигалкой, - образуется факел. Факел, обтекая котел 1, создает в нем рабочий пар высокого давления. Хвост факела из котла 1 поступает в котел 2 и своим теплом в котле 2 подготавливает пар для котла 1. Начинается непрерывное окисление газов по всему контуру котлов по известной формуле:
2H 2 + O 2 = 2H 2 O + тепло
В результате окисления газов восстанавливается вода и выделяется тепло. Это тепло в установке собирают котлы 1 и котлы 2, превращая это тепло в рабочий пар высокого давления. А восстановленная вода с высокой температурой поступает в следующий теплообменник, из него в следующую камеру разложения. Такая последовательность перехода воды из одного состояния в другое продолжается столько раз, сколько требуется получить от этого собранного тепла энергии в виде рабочего пара для обеспечения проектной мощности ВЭС .
После того, как первая порция перегретого пара обойдет все изделия, даст контуру расчетную энергию и выйдет из последнего в контуре котла 2, перегретый пар по трубе направляется в переключатель пара, смонтированный на стартере. Переключатель пара из положения "пуск" переводится в положение "работа", после чего он попадает в стартер. Стартер отключается /вода, разогрев/. Из стартера перегретый пар поступает в первый теплообменник, а из него в камеру разложения. Начинается новый виток перегретого пара по контуру. С этого момента контур разложения и плазмы замкнут сам на себя.
Вода установкой расходуется только на образование рабочего пара высокого давления, которая берется из обратки контура отработанного пара после турбины.
Недостаток силовых установок для ВЭС - это их громоздкость. Например, для ВЭС на 250 МВт нужно разлагать одновременно 455 л воды в одну секунду, а для этого потребуется 227 камер разложения, 227 теплообменников, 227 котлов /К1 /, 227 котлов /К2 /. Но такая громоздкость стократ будет оправдана уже только тем, что топливом для ВЭС будет только вода, не говоря уже о экологической чистоте ВЭС , дешевой электрической энергии и тепле.
Третий вариант
3-й вариант силовой установки (схема 3
).
Это точно такая же силовая установка, как и вторая.
Разница между ними в том, что эта установка работает постоянно от стартера, контур разложения пара и сжигания водорода в кислороде не замкнут сам на себя. Конечным изделием в установке будет теплообменник с камерой разложения. Такая компоновка изделий позволит получать кроме электрической энергии и тепла, еще водород и кислород или водород и озон. Силовая установка на 250 МВт при работе от стартера будет расходовать энергию на разогрев стартера, воду 7,2 м 3 /ч и воду на образование рабочего пара 1620 м 3 /ч/вода используется из обратного контура отработанного пара/. В силовой установке для ВЭС температура воды 550 o C . Давление пара 250 ат . Расход энергии на создание электрического поля на одну камеру разложения ориентировочно составит 3600 кВт/ч .
Силовая установка на 250 МВт при размещении изделий на четырех этажах займет площадь 114 х 20 м и высоту 10 м . Не учитывая площадь под турбину, генератор и трансформатор на 250 кВА - 380 х 6000 В .
ИЗОБРЕТЕНИЕ ИМЕЕТ СЛЕДУЮЩИЕ ПРЕИМУЩЕСТВА
Тепло, полученное при окислении газов, можно использовать непосредственно на месте, причем водород и кислород получаются при утилизации отработанного пара и технической воды.
Небольшой расход воды при получении электроэнергии и тепла.
Простота способа.
Значительная экономия энергии, т.к. она затрачивается только на разогрев стартера до установившегося теплового режима.
Высокая производительность процесса, т.к. диссоциация молекул воды длится десятые доли секунды.
Взрыво- и пожаробезопасность способа, т.к. при его осуществлении нет необходимости в емкостях для сбора водорода и кислорода.
В процессе работы установки вода многократно очищается, преобразуясь в дистиллированную. Это исключает осадки и накипь, что увеличивает срок службы установки.
Установка изготавливается из обычной стали; за исключением котлов, изготавливаемых из жаропрочных сталей с футеровкой и экранированием их стенок. То есть не требуются специальные дорогие материалы.
Изобретение может найти применение в промышленности путем замены углеводородного и ядерного топлива в силовых установках на дешевое, распространенное и экологически чистое - воду при сохранении мощности этих установок.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ получения водорода и кислорода из пара воды , включающий пропускание этого пара через электрическое поле, отличающийся тем, что используют перегретый пар воды с температурой 500 - 550 o C , пропускаемый через электрическое поле постоянного тока высокого напряжения для диссоциации пара и разделения его на атомы водорода и кислорода.
Ученые из университета Глазго (University of Glasgow, UoG) разработали новый метод расщепления воды на кислород и водород, который представляет собой топливо для источников экологически чистой энергии, таких, как водородные топливные элементы. Но самое интересное заключается в том, что этот новый процесс не только более безопасен, но и способен обеспечить в 30 раз большую производительность по водороду, нежели другие существующие на сегодняшний день методы. И столь привлекательные показатели нового процесса позволяют рассматривать его в качестве решения вопроса хранения и транспортировки энергии, получаемой из возобновляемых источников, которая может храниться в виде водорода сколь угодно длительное время.
В природе вода расщепляется на составные части под воздействием солнечного света в результате процесса фотосинтеза. Выделяющийся при этом водород, вступая в реакцию с углекислым газом из атмосферы, образует цепочки органических соединений, из которых формируются ткани растущего растения. Получающийся при этом кислород является побочным продуктом и выбрасывается в окружающую среду, что дает возможность дышать всему живому на нашей планете. Процесс электрического расщепления воды, используемый для искусственного получения водорода, более энергоемок и опасен, нежели процесс естественного фотосинтеза. При проведении традиционного процесса электролиза (proton exchange membrane electrolyze, PEME) существует высокая вероятность смешивания водорода и кислорода, образующих взрывоопасный гремучий газ, и при этом требуются существенные дополнительные затраты энергии, идущей на разделение газов и очитку водорода от остаточных следов кислорода.
Процесс, разработанный исследовательской группой профессора Ли Кронина (Lee Cronin), лишен большинства вышеописанных недостатков традиционных процессов электролиза. В этом процессе не используются дорогостоящие катализаторы на базе драгоценных или редкоземельных металлов, эту роль выполняет жидкая «губка», так называемый окислительно-восстановительный посредник (redox mediator). Эта губка полностью поглощает выделяющийся свободный водород и образует полностью безопасное водородосодержащее неорганическое соединение. В ходе этого процесса выделяется лишь чистый свободный кислород, который без проблем сбрасывается в атмосферу.
Раствор окислительно-восстановительный посредника, химический состав которого по понятным причинам держится в тайне, изначально имеет синий цвет. При подаче на электроды устройства-электролизера электрического тока посредник начинает поглощать выделяющийся водород и его цвет, по мере насыщения, начинает сдвигаться к желтому цвету. А при полном насыщении посредника водородом он практически теряет каталитические свойства, что приводит к автоматическому прекращению процесса электролиза. Высвобождается связанный посредником водород достаточно просто, для этого требуется лишь поместить в раствор насыщенного посредника специальный катализатор. При этом скорость выделения чистого водорода в 30 раз превышает скорость выделения водорода в процессе традиционного PEME-электролиза.
Следует отметить, что получаемый в результате описанного выше процесса водород можно хранить и транспортировать в абсолютно безопасном виде, в виде концентрированного раствора насыщенного вещества-посредника. Также достаточно просто выделять связанный посредником водород и точно регулировать его количество, опуская в раствор катализатор, имеющий определенную площадь. К сожалению, некоторые характеристики, такие, как долговечность вещества-посредника, самопроизвольное выделение связанного водорода и т.п., вышеописанных процессов еще не до конца установлены и это требует проведения дополнительных исследований.
Профессор Кронин оценивает, что для доведения разработанных его группой технологий до уровня практического использования может потребоваться еще несколько лет исследований. И сейчас эта группа ищет заинтересованные организации, которые готовы вложить свои средства в эту перспективную разработку.
Вам понадобится
- пластиковая бутылка емкостью 1,5 литра, резиновый шарик, кастрюля с водой, гидроксид калия или гидроксид натрия (каустическая сода, едкий натр), 40 сантиметров проволоки из алюминия, кусочек цинка, стеклянная емкость с узким горлышком, раствор соляной кислоты, резиновый шарик, аккумулятор 12 Вольт, провод из меди, провод из цинка, стеклянный сосуд, вода, поваренная соль, клей, шприц.
Инструкция
Заполните наполовину водой пластиковую бутылку. Киньте в бутылку и растворите в воде 10-15 грамм едкого натра или соды. Поставьте бутылку в кастрюлю с водой. Нарежьте алюминиевую проволоку кусочками по 5 сантиметров длиной и киньте в бутылку. Наденьте на горловину бутылки резиновый шарик. Выделяемый во время реакции с раствором щелочи будет в резиновом шарике. Эта происходит с бурным выделением - будьте осторожны!
Налейте в стеклянную емкость соляной и киньте в нее цинк. Наденьте на горловину стеклянной емкости воздушный шарик. Выделяемый во время реакции с соляной кислотой водород будет собираться в воздушном шаре.
Налейте в стеклянную емкость воду и размешайте в ней 4–5 столовых ложек поваренной соли. Затем просуньте в шприц со стороны поршня медный провод. Герметизируйте это место клеем. Опустите шприц в сосуд с соляным раствором и отодвигая поршень, заполните шприц. Подключите медный провод к отрицательному выводу аккумулятора. Опустите рядом со шприцом в раствор соли цинковый провод и подключите его к положительному выводу аккумулятора. В результате реакции электролиза около медного провода выделяется водород, который вытесняет , контакт медного провода с соляным раствором прервется, и реакция прекратится.
Современное название водороду – гидроген, дал французский знаменитый химик Лавуазье. Название обозначает – гидро (вода) и генез (рождающий). Открыл «горючий воздух», как его раньше называли, Кавендиш в 1766 году, он же и доказал, что водород легче воздуха. В школьной программе по химии присутствуют уроки, в которых рассказывается не только об этом газе, но и способе его получения.
Вам понадобится
- Колба Вюрца, гидроксид натрия, алюминий в гранулах и пудра, мерный стакан, алюминиевая ложка, штатив,капельная воронка. Защитные очки и перчатки, лучина, зажигалка или спички.
Инструкция
Первый способ.
Возьмите колбу Вюрца, в которой к горловине припаяна стеклянная отводная трубка, и капельную воронку. Соберите систему на штативе, прикрепив колбу зажимом и установив ее на поверхность стола. Сверху в нее вставьте капельную воронку с краником.
Проверьте плотное закрепление всех системы – колбы Вюрца и зажима. Возьмите . Он должен быть в гранулах. Положите его в колбу. Налейте в капельную воронку более-менее насыщенный раствор . Приготовьте две емкости для сдерживания , а также лучину и зажигалку или спички, чтобы ее поджечь.
Влейте из капельной воронки в колбу Вюрца гидроксид натрия, для этого откройте кран на воронке. Подождите, через некоторое начнется выделение водорода. Водород, с небольшим содержанием , заполнит колбу полностью. Чтобы ускорить этот процесс, нагрейте колбу Вюрца снизу при помощи горелки.
Водород - широко распространенный элемент. Благодаря своей уникальности он может выступать в качестве окислителя и в качестве восстановителя. Существует несколько методов получения водорода .
Промышленный метод получения водорода.
1. Электролиз водных растворов солей (поваренная соль NaCl ).
2. Пропускание паров поды над раскаленным коксом (Т = 1000 °С):
H 2 O + C = H 2 + CO ,
Реакция обратима!
Смесь (Н 2 , СО и Н 2 О ) называется водяным газом.
А на 2-ой стадии водяной газ пропускают над оксидом железа (III) при температуре около 450°С:
СО + Н 2 О = СО 2 + Н 2 ,
Часто эту реакцию называют реакцией сдвига.
3. Получение из природного газа. Основа - конверсия метана (основной компонент природного газа, СН 4 ) с водяным паром. В итоге получается обратимая смесь, которая называется синтез-газом. Условия протекания процесса: никелевый катализатор и 1000°С:
СН 4 + Н 2 О = СО 2 + 3Н 2 ,
Эту реакцию часто используют для получения водорода для реакции Габера (синтез аммиака).
4. Крекинг нефтяных продуктов.
Лабораторный метод получения водорода.
1. Под воздействием разбавленных кислот на металлы, которые стоят в ряду напряжения левее водорода.
Zn + HCl = ZnCl 2 + H 2 ,
2. Электролиз растворов кислот, щелочей на катоде выделяется водород.
3. Действие щелочей на цинк или алюминий:
2Al + 2NaOH + 6H 2 O = 2Na + 3H 2
4. Гидролиз гидридов:
NaH + H 2 O = NaOH + H 2 ,
5. Реакция кальция с водой:
Ca + 2H 2 O = Ca(ОН) 2 + H 2 .