150167 (732619), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Але найбільш в технологічному плані є методи термохімічної розкладання води. Ці методи важливі тим, що для розкладання води вони можуть використовувати і тепло атомних реакторів, сонячне тепло, і тепло геотермальних вод, і будь-які інші види тепла, наприклад перепад температур верхніх і нижніх шарів тропічних морів. Розробляються та комбіновані термохімічні процеси, які поряд з теплом використовують електричну енергію – термоелектрохімічних процеси, сонячне випромінювання, фото-і термохімічні процеси. Термохімічні процеси розкладання води привабливі ще й тим, що в результаті цілого ряду хімічних перетворень, що протікають у термохімічної циклі (системі), з циклу в навколишній простір нічого, крім водню і кисню, не виділяється. Всі хімічні процеси, що супроводжують розкладання води, знаходяться в закритому циркуляційному контурі. У цей контур підводяться тільки вода і тепло (високопотенціальні), від контуру відводяться водень, кисень і тепло (низькопотенційні).
5 Багатоликий водень
Ми підняли лише краєчок завіси сцен на якій діє один з найцікавіших елементів нашого Всесвіту - багатоликий водень. Аж до XX ст. Всі були переконані, що за «горючим повітрям» Кавендіш, гідрогеніумом Лавуазьє ховається елемент, що породжує при своєму з'єднанні з киснем звичайну воду.
Але в XX ст. Водень придбав багатоликість. У природі були відкриті три різних водню, три його ізотопу, які були названі відповідно до складності своїх ядер. Найлегший - проти. Водень у звичайній воді в основному складається з протію. Але у воді є і більш важкий водень - дейтерій. На кожні 6700 атомів протію доводиться один атом дейтерію.
Існує і надважкий водень - тритій. Тритій радіоактивний. Він безперервно утворюється в стратосфері під дією космічного випромінювання. Є припущення, що це не межа для існування нових, ще більш важких ізотопів водню, які повинні бути радіоактивні.
Дейтерій - вихідний елемент для енергії майбутнього. Вперше існування важкого водню - дейтерію було доведено в 1932 році. Незважаючи на відносно малий вміст дейтерію в звичайній воді, загальна кількість дейтерію на Землі дуже велике. За підрахунками академіка І. В. Курчатова, 1 літр звичайної води по енергії, що міститься в ньому дейтерію еквівалентний приблизно 400 л нафти, тому дейтерію кат палива майбутнього вистачить на сотні мільйонів років. (Згадайте ще раз героя Жуля Верна).
Кількість тритію на Землі зникає мало. Його менше 1 кг, але, незважаючи на це, його можна виявити в кожній краплі води. А його значення в майбутній енергетиці, можливо, ще більш велика, ніж дейтерію. Він нестійкий, період його напіврозпаду - 12, 262 року.
Водень (проти), дейтерій і тритій утворюють двохатомних молекул. Молекули з однаковими атомами Н2, D2, Т2 існують у двох ядерно-ізомерних формах, орто- і пара-форми. Ця ізомерія є вихідною причиною відмінності магнітних, спектральних та термічних властивостей обох модифікацій.
Моя розповідь про водні і водневої технології був би неповним, якби ми не вказали на ще один лик водню - атомарний водень, переможний хід якого в техніці належить. Справа в тому, що атомарний водень більше перспективне пальне, ніж проти.
Р. Вуд в 1922 р. встановив, що при пропусканні тихих електричних розрядів через водень, що знаходиться під тиском в декількох десятих часток міліметра ртутного стовпа, можна отримати атомарний водень. Скільки отримують водню і для яких цілей?
Водень отримують у газоподібному вигляді і, якщо для використання необхідний рідкий водень, його піддають глибокому охолодженню і зрідження.
Виробництво молекулярного водню в 1985 році досягло приблизно 57 млн. тонн (без СРСР), а в 1990 році вже 95. Якщо згадати, що водень це газ, який в 14,5 рази легший за повітря, то стане ясно, який це величезний об'єм.
Де ж у цей час використовується така маса водню? По-перше, в азотній промисловості, для отримання синтетичного аміаку. По-друге, для отримання метанолу з СВ і Н2, Значна кількість водню використовується в нафтохімічній промисловості для очищення нафти від сірчистих сполук, для гідрування важких нафтових фракцій і підвищення виходу легких фракцій, у ряді нафтохімічних синтезів, для гідрування жирів, в металургії для відновлення руд чорних і кольорових металів, рідкий водень необхідний в авіації і космонавтиці, у ряді виробництв. У майбутньому споживання водню буде рости більш високими темпами. Виникне промисловість синтетичного рідкого і газоподібного палива на базі твердих горючих копалин (гідрування і гідрогазифікація твердих палив).
Ми, тут не розкриваємо широке використання водню в промисловості (воднева зварювання та різання металів, мікроелектроніка і т. д.), в сільському господарстві. Особливо стоїть питання про використання ізотопів водню в атомної і термоядерної енергетиці.
Ось приклад, який буде характеризувати одного з майбутніх споживачів водню.
Будинок на водні. Як це мислиться? В даний час для забезпечення всіх міських зручностей до міському будинку повинні бути підключені комунікації для побутового газу, джерела електроживлення, джерела побутового теплопостачання. Все це дуже дорого і складно. Чи не можна спростити цю схему? Сучасна техніка дає на це однозначну відповідь - можна. Для цього до будинку повинна бути підведена лише одна траса - трубопровід для водню.
Використання водню для побутових цілей значною мірою технічно підготовлено. Відомі й випробувані різні типи керамічних пальників. Регулюючи подачу газу в пальник, в яку вмонтована каталітична пластина, можна змінювати в широких межах температуру нагрівання при приготуванні їжі. Водень легко і повністю згорає при низьких температурах на поверхні каталізаторів. При цих температурах повністю виключається утворення оксидів азоту. Єдиним продуктом згоряння на кухні буде водяну пару.
Низькотемпературне спалювання водню забезпечує його використання в низькотемпературних каталітичних калорифер для побутового опалення. Форма обігрівача конструюється в залежності від цілей обігріву. Наприклад, стіни квартири можуть використовуватися як поверхня нагріву.
Освітлення в будинку на водні може забезпечуватися спеціальними світильниками, в яких на внутрішню сторону трубки наноситься фосфор точно так само. Як в люмінесцентних лампах. Коли водень у присутності регульованого кількості повітря вступає в контакт з фосфором, останній люмінесцентних, висвітлюючи квартиру, але сама лампа не нагрівається. Холодильники та кондиціонери в такому будинку можуть працювати за допомогою адсорбційних рефрижераторів з використанням каталітичної водневої пальника в якості джерела енергії. До такого будинку не треба підводити електроенергію для інших електропобутових приладів (пилососів, телевізорів, вентиляторів і т.д.), так як електроенергія може вироблятися в самому будинку на основі водневого паливного елементу.
Дім на водні веде до селища на водні і місту на водні, де єдині енергоносієм стає водень, який використовується не тільки в побуті, але і для транспортних цілей (автомобілі на водневому паливі), у промисловості. Такий місто буде абсолютно чистим в екологічному відношенні, так як єдиним викидом в атмосферу буде чистий водяний пар.
6 Роль водню і водневої технології у кругообігу речовин у природі
В даний час пов'язаний вуглець у вигляді природного газу, нафти, твердого пального (деревини, торфу, кам'яного вугілля) активної людської діяльністю у промисловості, на транспорті і в побуті переводиться в енергетичні тупики - поклади карбонатних порід. Загальна промислово виділення СО2 в атмосферу з кожним роком зростає. Повернути цю величезну масу пов'язаного вуглецю, яке обчислюється десятками мільярдів тонн, в кругообіг речовин в природі - одна з найважливіших задач водневої технології. Саме воднева технологія розробила ряд шляхів для досягнення цієї мети. В основі цієї технології лежать процеси гідрування СО2 до метану, метанолу, рідких вуглеводнів. Наприклад,
СО2 + 3Н2 каталізатор = СН3ОН + Н2О.
Метанол необхідний промисловості в мільйонах тонн. Він може також стати основним джерелом для отримання бензину.
У довгостроковій перспективі діоксид вуглецю при наявності потужних джерел дешевого водню може стати головним, а можливо і єдиним джерелом сировини промислового органічного синтезу. При цьому, ймовірно, знайдуть застосування як звичайні хімічні, каталітичні процеси, так і фотохімічні та біохімічні методи. Тут неосяжний простір для творчості всіх ступенях науки. Основним компонентом нової системи органічної технології на база СО2 є наявність потужної водневої технології. Перетворити СО2 атмосфери, а якщо буде потрібно і частина осадових карбонатів земної кори в джерело вуглеводнів - найбільша завдання хімії XXI століття.
7 Увага, водень!
Говорячи про водень, його широке використанні в побуті, промисловості, на транспорті, не можна забувати і про його вибухо-і вогненебезпечні властивості. Недостатня підготовленість і нестроге виконання правил при використанні водню може призвести до трагедій, загибелі людей.
При вивченні в школі водню як хімічного елемента необхідно висвітлити і його велике майбутнє в нашого життя. На уроках хімії слід готувати учнів до поводження з ним при його отриманні та використанні. Потрібно закликати їх до великої обережності і уваги при роботі з воднем. Кожен учень повинен знати межі його займання і Вибухонебезпечна в повітрі, в кисні, енергію займання, правила зберігання і техніки безпеки при поводженні з воднем як газоподібному, так і в рідкому стані.
8 Проблеми отримання енергії
Зараз на людство насувається енергетична криза, і поки офіційна наука з скорботою повідомляє, що немає альтернативи традиційним джерелам енергії - вугілля, нафта, газ.
Величезну частину енергії дають нам АЕС і ГЕС. Поговоримо про АЕС. На них використовується енергія, що отримується в результаті розщеплення атомного ядра. Але рік тому Володимир Машков у своїх дослідженнях запропонував розщеплювати не важкі атоми, а легенькі елементарні частинки.
9 Водневі двигуни
Водень - дуже перспективний енергоносій, що дозволяє одночасно вирішити складні екологічні проблеми. При його згорянні (швидко протікає екзотермічної реакції окислення киснем) виходять лише вода і тепло. Так, утворюються ще оксиди азоту, кількість яких залежить від температури згоряння суміші в циліндрі двигуна. І тут важливо, що у водневих двигунах температура згоряння палива на режимах міський експлуатації істотно нижче, ніж у вуглеводневих (бензинових, спиртових, метанових, пропан-бутанові і т.д.).
Очевидно, що якщо під "водневим двигуном" розуміти електричний, що отримує енергію від реакції з'єднання водню і кисню в паливних елементах, то окислів азоту не буде зовсім. А вуглеводневе паливо "поставляє" при спалюванні цілий букет токсичних сполук, серед яких сажа - далеко не найшкідливіша.
Мені видається, що перший етап становлення водневої енергетики - це застосування водню як моторного палива. Поки паливні елементи, при всій їх перспективності, задоволення дуже дороге. Не всі технології відпрацьовані, і процес цей йде досить повільно, ще далеко не всі питання вирішені. Очікують, що ... ось-ось буде. Ще 25 років тому можна було бачити "Рафік" на паливних елементах. Втім, історії водню як палива теж не один десяток років.
"Водневе майбутнє" автотранспорту експерти пов'язують, перш за все, з паливними елементами. Їх привабливість визнають всі.
Ніяких рухомих частин, ніяких вибухів. Водень і кисень тихо-мирно з'єднуються в "ящику з мембраною" (так спрощено можна представити паливний елемент) і дають водяна пара плюс електрику.
Ford, General Motors, Toyota, Nissan і багато інших компаній навперебій хизуються "топливоелементними" концепт кару і збираються от-от "завалити" всіх водневими модифікаціями деяких з своїх звичайних моделей.
Водневі заправки вже з'явилися в декількох місцях в Німеччині, Японії, США. У Каліфорнії будують перші станції по електролізу води, що використовують струм, вироблений сонячними батареями. Аналогічні експерименти проводять по всьому світу.
Між тим, є ще один шлях впровадження водню на автотранспорті - спалювання його в ДВС. Такий підхід сповідають BMW і Mazda. Японські та німецькі інженери бачать в цьому свої переваги.
Збільшення у вазі машини дає лише воднева паливна система, в той час, як в авто на паливних елементах приріст (паливні елементи, паливна система, електромотори, перетворювачі струму, потужні акумулятори) - істотно перевищує "економію" від видалення ДВС і його механічної трансмісії.
Втрата в корисному просторі також менше у машини з водневим ДВЗ (хоча водневий бак і в тому, і іншому випадку з'їдає частину багажника).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
