Отримання водню.

Саратовских Марія Станіславівна, Агєєва Олена Євгенівна, 10А, школа № 75

Чорноголовка

Воднева енергетика сформувалася як один із напрямків розвитку науково-технічного прогресу в середині 70-х років минулого століття. У міру того, як розширювалася область досліджень, пов'язаних з отриманням, зберіганням, транспортом та використанням водню, ставали все більш очевидними екологічні переваги водневих технологій в різних галузях народного господарства. Успіхи в розвитку ряду водневих технологій (таких як паливні елементи, транспортні системи на водні, металогідридні і багато інших) продемонстрували, що використання водню приводить до якісно нових показниками в роботі систем або агрегатів. А виконані техніко-економічні дослідження показали: незважаючи на те, що водень є вторинним енергоносієм, тобто коштує дорожче, ніж природні палива, його застосування в ряді випадків економічно доцільно вже зараз. Тому роботи з водневої енергетики в багатьох, особливо промислово розвинених країнах відносяться до пріоритетних напрямів розвитку науки і техніки і знаходять все велику фінансову підтримку з боку як державних структур, так і приватного капіталу.

Властивості водню.

У вільному стані і за нормальних умов водень - безбарвний газ, без запаху і смаку. Щодо повітря водень має щільність 1/14. Він зазвичай і існує в комбінації з іншими елементами, наприклад, кисню у воді, вуглецю в метані і в органічних сполуках. Оскільки водень хімічно надзвичайно активний, він рідко присутня як незв'язаний елемент.

Охолоджений до рідкого стану водень займає 1/700 об'єму газового стану. Водень при з'єднанні з киснем має саме високий вміст енергії на одиницю маси: 120.7 ГДж/т. Це - одна з причин, чому рідкий водень використовується як паливо для ракет та енергетики космічного корабля, для якої мала молекулярна маса і високий питомий енергосодержаніе водню має першорядне значення. При спалюванні в чистому кисні єдині продукти - високотемпературне тепло і вода. Таким чином, при використанні водню не утворюються парникові гази і не порушується навіть кругообіг води в природі.

Виробництво водню.

Запаси водню, зв'язаного в органічній речовині і у воді, практично невичерпні. Розрив цих зв'язків дозволяє виробляти водень і потім використовувати його як паливо. Розроблено численні процеси з розкладання води на складові елементи.

При нагріванні понад 25000С вода розкладається на водень і кисень (прямий термоліз). Таку високу температуру можна отримати, наприклад, за допомогою концентратів сонячної енергії. Проблема тут полягає в тому, щоб запобігти рекомбінацію водню і кисню.

В даний час у світі велика частина виробленого в промисловому масштабі водню утворюється в процесі парової конверсії метану (ПКМ). Отриманий таким шляхом водень використовується як реагент для очищення нафти і як компонент азотних добрив, а також для ракетної техніки. Пара та теплова енергія при температурах 750-8500С потрібні, щоб відділити водень від вуглецевої основи в метані, що й відбувається в хімічно парових реформерах на каталітичних поверхнях. Перший ступінь процесу ПКМ розщеплює метан і водяна пара на водень і монооксид вуглецю. Слідом за цим на другому ступені "реакція зрушення" перетворює моно оксид вуглецю і воду в діоксид вуглецю і водень. Ця реакціяпроісходіт при температурах 200-2500С.

У 30-і роки в СРСР отримували в промислових масштабах синтез-газ шляхом паро-повітряної газифікації вугілля. На даний момент в ІПХФ РАН у Черноголовке розробляється технологія газифікація вугілля в сверхадіабатіческом режимі. Ця технологія дозволяє переводити теплову енергію вугілля в теплову енергію синтез-газу з ККД 98%.

Починаючи з 70-х років минулого століття в країні були виконані і отримали необхідну науково-технічне обгрунтування та експериментальне підтвердження проекти високотемпературних гелієвих реакторів (ВТГР) атомних енерготехнологічних станцій (АЕТС) для хімічної промисловості та чорної металургії. Серед них АБТУ-50, а пізніше - проект енерготехнологічних атомної станції з реактором ВГ-400 потужністю 1060 МВт для ядерно-хімічного комплексу з виробництва водню та сумішей на його основі, з випуску аміаку та метанолу, а також ряд наступних проектів цього напряму.

Основою для проектів ВТГР послужили розробки ядерних ракетних двигунів на водні. Створені в нашій країні для цих цілей іспитові високотемпературні реактори та демонстраційні ядерні ракетні двигуни продемонстрували працездатність при нагріванні водню до рекордної температури 3000К.

Високотемпературні реактори з гелієвим теплоносієм - це новий тип екологічно чистих універсальних атомних енергоджерел, унікальні властивості яких -- здатність виробляти тепло при температурах понад 10000С і високий рівень безпеки - визначають широкі можливості їх використання для виробництва в газотурбінної циклі електроенергії з високим ККД і для постачання високотемпературним теплом та електрикою процесів виробництва водню, опріснення води, технологічних процесів хімічної, нафтопереробної, металургійної та інших галузей промисловості.

Одним з найбільш просунутих в цій галузі є міжнародний проект ГТ-мГр, який розробляється спільними зусиллями російських інститутів і американської компанії GA. З проектом співпрацюють також компанії Фраматом і Фуджі електрик.

Отримання атомного водню.

Як джерела атомного водню використовують речовини, відщеплюються при їх опроміненні атоми водню. Наприклад, при опроміненні ультрафіолетовим світлом йодистого водню відбувається реакція з утворенням атомного водню:

HI + hv ® H + I

Для отримання атомного водню застосовується також метод термічної дисоціації молекулярного водню на платинової, паладієвих або вольфрамової дроті, нагрітої в атмосфері водню при тиску менше 1,33 Па. Дисоціації водню на атоми можна досягти і при використанні радіоактивних речовин. Відомий спосіб отримання атомного водню в високочастотному електричному розряді з подальшим виморожуванням молекулярного водню.

Фізичні методи добування водню з водородосодержащіх сумішей.

Водень в значних кількостях міститься в багатьох газових сумішах, наприклад в коксовому газі, в газі, одержується при піролізі бутадієну, у виробництві дивина.

Для витягання водню з водородосодержащіх газових сумішей використовують фізичні методи виділення і концентрування водню.

Низькотемпературна конденсація і фракціонування. Цей процес характеризується високим ступенем добування водню з газової суміші та сприятливими економічними показниками. Зазвичай при тиску газу 4 МПа для отримання 93-94%-ного водню необхідна температура 115К. При концентрації водню у вихідному газі більше 40% ступінь його витягу може досягати 95%. Витрата енергії на концентрування H2 від 70 до 90% становить приблизно 22 кВт.год на 1000м3 виділяється водню.

Адсорбційні виділення. Цей процес здійснюється за допомогою молекулярних сит в циклічно працюючих адсорбер. Його можна проводити під тиском 3-3,5 МПа зі ступенем витягу 80-85% H2 у вигляді 90%-ного концентрату. У порівнянні з низькотемпературним методом виділення водню для проведення цього процесу потрібно приблизно на 25-30% менше капітальних і на 30-40% експлуатаційних витрат.

Адсорбційні виділення водню за допомогою рідких розчинників. У ряді випадків метод придатний для отримання чистого H2. За цим методом може бути вилучено 80-90% водню, що міститься у вихідній газової суміші, і досягнута його концентрація в цільовому продукті 99,9%. Витрата енергії на витяг складає 68 кВт.год на 1000м3 H2.

Отримання водню електролізом води.

Електроліз води один з найбільш відомих і добре досліджених методів одержання водню. Він забезпечує одержання чистого продукту (99,6-99,9% H2) в одну технологічну ступінь. У виробничих витратах на одержання водню вартість електричної енергії становить приблизно 855.

Цей метод отримав застосування в ряді країн, що володіють значними ресурсами дешевої гідроенергії. Найбільш великі електрохімічні комплекси знаходяться в Канаді, Індії, Єгипті, Норвегії, але створені і працюють тисячі дрібніших установок у багатьох країнах світу. Важливий цей метод і тому, що він є найбільш універсальним щодо використання первинних джерел енергії. У зв'язку з розвитком атомної енергетики можливий новий розквіт електролізу води на базі дешевої електроенергії атомних електростанцій. Ресурси сучасної електроенергетики недостатні для одержання водню як продукту для подальшого енергетичного використання.

Електрохімічний метод отримання водню з води володіє такими позитивними якостями: 1) висока чистота одержуваного водню - до 99,99% і вище; 2) простота технологічного процесу, його безперервність, можливість найбільш повної автоматизації, відсутність рухомих частин в електролітичної комірки; 3) можливість отримання цінних побічних продуктів - важкої води і кисню; 4) загальнодоступне й невичерпне сировина - вода; 5) гнучкість і можливість одержання водню безпосередньо під тиском; 6) фізичний поділ водню і кисню в самому процесі електролізу.

У всіх процесах одержання водню розкладанням води в якості побічного продукту будуть виходити значні кількості кисню. Це дасть нові стимули його застосування. Він знайде своє місце не тільки як прискорювач технологічних процесів, а й як незамінний очисник і оздоровітель водойм, промислових стоків. Ця сфера використання кисню може бути поширена на атмосферу, грунт, воду. Спалювання в кисні зростаючих кількості побутових відходів зможе вирішити проблему твердих відходів великих міст.

Ще більше цінних побічним продуктом електролізу води є важка вода - хороший сповільнювач нейтронів в атомних реакторах. Крім того, важка вода використовується як сировина для отримання дейтерію, який у свою чергу є сировиною для термоядерної енергетики.

Список літератури

Довідник. "Водень. Властивості, отримання, зберігання, транспортування, застосування ". Москва "Хімія" - 1989 р.

Ю.М. Буров "Сверхадіабатіческіе випалювальні печі" стор.6-7. "Машинобудівник" 1995р. № 12.