12080 (Палладий), страница 2

Водород растворим во многих металлах. Но только палладий буквально „впитывает“ его в себя. При комнатной температуре один объём палладия поглощает до 900 объёмов водорода. Палладий нацелен именно на него, другие же газы, например кислород, он поглощает хуже, чем платина. Видимо, дело в том, что палладий образует гидриды либо твёрдые растворы с водородом. Более того, водород — единственный газ, который проходит сквозь палладий. Есть мнения, что на границе с металлом водород распадается на атомы и в таком виде просачивается внутрь и проходит насквозь. Как бы то ни было, это энциклопедический факт — избирательное поглощение водорода палладием и диффузия его через любой слой этого металла.

На этом свойстве основано получение сверхчистого водорода. Легчайший из газов получают либо из метана с помощью конверсии, либо из воды электролизом. И в том и в другом случае абсолютно чистый водород получить не удаётся. Для очистки водорода палладий (или его сплав с серебром) незаменим: здесь используется уникальная способность водорода с огромной скоростью диффундировать через тонкую (до 0,1 мм) палладиевую пластинку. Под небольшим давлением газ пропускают через закрытые с одной стороны палладиевые трубки, нагретые до 600°С. Водород быстро проходит через палладий, а примеси (пары воды, углеводороды, 02, N2) задерживаются в трубках. Таким образом можно получать особо чистый водород — с концентрацией 99,9999%. Заметим, что для работы водородного топливного элемента нужен именно такой сверхчистый водород.

Мембранами, проницаемыми для водорода, занимаются во всём мире. По ним самим и способам их приготовления регулярно проходят конференции. Конечно, их делают не только из чистого палладия, хотя такие тонкостенные трубки делают тоже. В качестве носителя используют пористое стекло, керамику, оксид алюминия, органические полимеры и даже пористую нержавеющую сталь. Самыми разными способами и ухищрениями на носители осаждают палладий и потом смотрят, как быстро и с какой избирательностью диффундирует водород через эти сложные преграды. Результат, как правило, положительный.

В химической промышленности палладиевые мембраны нужны не только для производства сверхчистого водорода, но и вообще во всех реакциях дегидрирования. Понятно, что если в реакторе стоит такая мембрана, то водород, просачиваясь через неё, тут же выводится из зоны реакции, а это позволяет провести дегидрирование с большим выходом и меньшими затратами.

В будущих водородных технологиях палладий потребуется не только для получения чистого водорода, но ещё как минимум в двух ключевых моментах. Во-первых, один из электродов в топливном элементе может содержать палладий в каталитических количествах (см. „Химию и жизнь“, 2004, № 1). Во-вторых, палладиевые катализаторы используются в реакциях получения водорода из жидких углеводородов, например из метанола.

С помощью палладия можно попробовать решить проблему хранения водорода. А это пока один из лимитирующих моментов развития водородной энергетики. Поглощённый палладием водород легко выходит в вакуум при небольшом нагреве. Но эта технология хранения очень дорогая, поэтому пока специалисты считают более перспективными другие способы хранения и перевозки водорода.

Экономическая справка

Когда-то зёрна самородной платины были единственным известным минералом, содержавшим палладий. Сейчас известно около 30 минералов, в которых есть этот элемент. Как и все металлы платиновой группы, палладий довольно мало распространён — в земной коре его 1×10–6 %, то есть примерно вдвое больше, чем золота. Главным поставщиком этого металла стали месторождения сульфидных руд никеля и меди, после переработки которых в качестве побочного продукта извлекают драгоценный палладий.

Начиная с пятидесятых годов прошлого века в качестве главных поставщиков платиноидов в мире выступают две страны, которые обладают крупными природными запасами сырья, — ЮАР и СССР (с 1992 года — Россия). Обе страны обеспечивают поставки на мировой рынок свыше 85% платины и около 90% палладия. Причём около 50% поступлений палладия приходится на Россию.

Один из крупнейших в мире производителей и экпортёров палладия, а также платины, никеля и меди — Горно-металлургическая компания „Норильский никель“. Предприятия этой компании разрабатывают месторождения руд, расположенные на Таймырском и Кольском полуостровах и в Красноярском крае. Норильское месторождение на Таймырском полуострове считается одним из самых богатых в мире по содержанию палладия в сульфидных рудах. Неудивительно, что по запасам палладия компания „Норильский никель“ — одна из крупнейших в мире. Более того, в конце июня 2003 года ГМК „Норильский никель“ завершила сделку по приобретению единственного в США производителя платины и палладия — компании „Stillwater Mining Company“. To, что „Норильский никель“ имеет огромные запасы палладия, на котором можно выстраивать новые технологии, послужило толчком к его беспрецедентному сотрудничеству с Российской академией наук. Это действительно продуманная перспектива: компания будет продавать не сырьё, пусть даже и дорогое, а высокие технологии, основанные на использовании этого сырья. Может быть, именно водородная энергетика снова позволит России вернуться в ряд высокоразвитых стран.

Маргарин с палладием вместо никеля

Недавно в зарубежных средствах массовой информации появилось довольно много публикаций о том, что именно никель стал причиной всплеска аллергии. Естественно, первое подозрение пало на посуду из этого металла, но что-то сомнительно, чтобы никель так легко выходил наружу из стальной кастрюли. Есть ещё один источник никеля в пище — это маргарин, который делают, как известно, из растительного масла.

Чтобы, например, подсолнечное масло стало твёрдым, его гидрируют — насыщают молекулы водородом с помощью катализатора. Обычно это никель, нанесённый на носитель. А чтобы процесс прошёл хорошо, порошок катализатора интенсивно перемешивают с растительным маслом при высокой температуре. Разумеется, потом от катализатора надо избавиться — и это самое слабое место всего процесса. Образовавшуюся горячую смесь тщательно фильтруют, но полностью удалить катализатор не удаётся. Если же в технологии происходит сбой, что, увы, случается, то в конечный продукт, а значит, и на наши бутерброды попадает немало никеля.

Учёные Нефтехимического института им. А.В. Топчиева разработали катализаторы, которые сделаны из другого металла — палладия, нанесённого на оксид алюминия. У нового катализатора масса преимуществ. Во-первых, благородный палладий гораздо инертнее и, следовательно, безопаснее для человека, чем никель. Во-вторых, он в тысячи раз эффективнее, значит, его нужно в тысячи раз меньше. В-третьих, новый катализатор легче удалить из продукта, особенно если использовать разработанное и запатентованное теми же авторами устройство. Наконец, структура молекул продукта, полученного на палладиевом катализаторе, гораздо „понятнее“ организму, чем в случае никелевого катализатора, поэтому „палладиевый“ маргарин легче усваивается.

Как найти микротрещину в металле?

В металлических конструкциях часто появляются микроскопические дефекты, грозящие им разрушением. При переходе от упругой деформации металла к пластической, то есть при образовании механических повреждений, из металла выделяется очень небольшое количество водорода. Чтобы обнаружить эти ничтожные количества газа и узнать тем самым о появлении трещины, московские учёные используют уникальный химический сенсор на основе Pd-структур с каталитически активным электродом. Это устройство разработано в НИИ Курчатовский институт. Чувствительностью и селективностью к водороду, достаточно высокими для создания сенсора, обладает только палладий. Учёные из Курчатовского института выяснили, что с помощью такого сенсора можно зарегистрировать небольшое изменение количества водорода вблизи металлоконструкции, а это говорит о том, что на её поверхности возникли повреждения (микротрещины, разрывы сплошности и т. д.). Кроме того, учёные доказали, что по сигналу химического сенсора можно определить объём образовавшихся дефектов. При этом точность определения координат дефекта составляет два миллиметра. По мнению авторов, на основании полученных данных можно прогнозировать ресурс безопасной эксплуатации.

Список литературы

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://wsyachina.narod.ru