Процесс электролиза в получении водорода

1 ВОДА – НОВЫЙ ИСТОЧНИК  ЭНЕРГИИ

 

В настоящее время многие ученые считают водород наиболее перспективным энергоносителем будущей энергетики [1-4]. Основным и очень доступным его источником является вода. При сжигании водорода образуется опять вода - совершенно безопасное вещество. Поэтому считается, что по экологической безопасности у водорода нет конкурентов. Однако реализация этой задачи сдерживается большими энергозатратами на получение водорода из воды. Если нефть, газ и уголь - это готовые энергоносители, а водород в чистом виде на Земле отсутствует. Для того, чтобы водородная энергетика состоялась, нужно, чтобы полученная энергия при сжигании водорода намного превышала затраченную энергию на его получение.

При помощи электроэнергии воду можно разложить на водород  и кислород. Когда вода подвергается действию с частотой, совпадающей  с ее своей молекулярной частотой методом применения системы, созданной  Стэном Майерсом (США) и вторично созданной не так давно компанией Ходеп Роег, она (вода) разлагается на кислород и водород при минимальных издержек электроэнергии. Внедрение разных электролитов (добавок, увеличивающих электрическую проводимость воды) резко увеличивает эффективность процесса. Наряду с этим, различные геометрические формы и текстуры поверхности благоприятно влияют на увеличение эффективности процесса разложения воды. Например, в 1957 году исследователем Фридманом (США) был патентован особый железный сплав, внедрение которого приводит к самопроизвольному разложению воды на водород и кислород. Это означает, что с помощью этого железного сплава может быть непрерывное получение водорода из воды. Рассмотрим работы разных авторов, посвященные к получению водорода из воды.

 

1.1 Холодный ядерный синтез

 

Теоретические и экспериментальные  результаты исследований показывают, что наиболее вероятным источником дешевого водорода, получаемого из воды, может стать её плазменный электролиз. При обычном электролизе, американские ученые Понс и Флешман в 1989 году показали возможность получения дополнительной энергии. По их мнению, источником этой энергии является холодный ядерный синтез [5], зафиксированные ими при плазменном электролизе воды.

В [6] обнаружено излучение до 1000 нейтронов в 1 секунду при массовом захлопывании кавитационных пузырьков и выделении тепловой энергии в 20 раз больше чем затраченной на образование потока воды в трубе. Кавитация как резонанс частоты колебаний молекул жидкости с частотой колебаний пузырьков пара, их образованием и схлопыванием сопровождается разгоном звуковых и ударных волн, высокими параметрами на фронте волны и низкими за фронтом волны. Это приводит к распаду вещества (ФПВР) на элементарные частицы с выделением большого количества тепла. Автор работы [6] предполагает, что во время захлопывании пузырьков существует вероятность захвата протонами электронов и образует атом водорода(при температуре 10000 К). Как известно, атомы водорода существуют в интервале температур 5000-10000°С, что вытекает возможность формирования плазмы с такой температурой при определенной плотности атомов водорода в единице объема. В таких условиях молекула воды должна разрушаться, и ядро атома водорода превратиться в нейтрон. Последний, далее присоединяется к другому атому водорода или кислорода другой молекулы воды образуя, дейтерий или тритий или более тяжелый изотоп кислорода. При этом выделяется внутриядерная энергия и осуществиться холодный ядерный синтез.

 

2.  Плазменный электролиз воды

 

В [7] Ф.М.Канаревым установлено, что источником дополнительной энергии при обычном и плазменном электролизе воды является не синтез ядер, а синтез атомов и молекул водорода. В последующих работах он получил результаты, показывающие уменьшение затрат энергии на получение водорода при плазменном электролизе воды. Таким образом, для того чтобы водородная энергетика состоялось, нужно, чтобы полученная энергия при сжигании водорода намного превышала затраченную энергию на его получение. Известно, что в природе существует экономный процесс разложения молекул воды на водород и кислород. Например, при фотосинтезе атомы водорода отделяются от молекул воды, и используется в качестве соединительных звеньев при формировании органических молекул, а кислород уходит в атмосферу. По данным [7], в низкотемпературном электролизере процесс электролиза воды аналогичен тому, который идет при фотосинтезе.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПЛАЗМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО  ПРОЦЕССА

 

Плазмоэлектролитические процессы выявлены сравнительно недавно, поэтому пока не существует ни физической, ни химической теорий этих процессов. Полное описание плазмоэлектролитического процесса не может базироваться на чисто физических или чисто химических представлениях. Это - взаимосвязанные физико-химические процессы, поэтому разделить их на физические и химические можно лишь условно. Плазменный электролиз указывает на наличие дополнительной энергии. 

Плазмоэлектролитический реактор представляет собой устройство, корпус которого изготовлен из диэлектрического материала. Рабочий раствор подается в межэлектродное пространство.

Рассмотрим плазмоэлектролитические реакторы, зарегистрированные заявлениями на патент доктором технических наук, профессором Ф.М. Канаревым и кандидатом химических наук Е.Д. Зыковым [8] . Начнём с плазмоэлектролитического реактора №2, как более простого (видимо первый реактор был неудачным). Его схема представлена на рисунке 2.1.

 

Рисунок 2.1 - Схема плазмоэлектролитического реактора № 2:  
1-корпус реактора, 2-крышка реактора, 3-анод, 4-катод (впускной патрубок),  
5-втулка, 6-выпускной патрубок, 7-межэлектродная камера 
      

Корпус 1 и крышка 2 реактора (рис. 1) могут быть изготовлены из оргстекла или фторопласта. Анод 3 желательно изготовить из титана, покрытого  окисью рутения (орта) или просто из титана. Полый катод 4 изготовлен из молибдена. Втулка 5 и выпускной патрубок 6 изготовлены из фторопласта. Площади  рабочих поверхностей анода и  катода подбираются так, чтобы плотность  тока на катоде в несколько десятков раз превышала плотность тока на аноде, а расстояние между анодом и катодом было бы равно 8...10 см. Рабочими растворами могут быть слабые (одномолярные) растворы щелочей, кислот и т.д.

На следующем рисунке 2 показана схема базовой модели наиболее эффективного плазмоэлектролитического реактора №3. Геометрические параметры D, d и S подбираются так, чтобы эффект был максимален для конкретного режима работы. По своему внешнему виду он напоминает стеклянную учебную установку (никем не запатентованную), которая используется для демонстрации электролиза кислотного раствора с отделением кислорода и водорода в различные ёмкости.

 

Рисунок 2.2 - Схема модели плазмоэлектролитического реактора №3  
1 - анод (орта); 2 - катод (молибден); 3 - защита диэлектрического стержня 5 от перегрева; 4 - вольфрамовый стержень; 6 - патрубок для подачи раствора; 7 - патрубок для выхода кислорода; 8 - патрубок для выхода водорода; 9 - патрубок для выхода парогазовой смеси

Эффект проявляется в  узком диапазоне сочетания различных  параметров реактора и плазмоэлектролитического процесса. К настоящему моменту изучена незначительная часть этих сочетаний.

Реактор работает следующим  образом. С помощью ротаметра  устанавливается заданный расход раствора и включается электропитание с начальным  напряжением, близким к нулю. Затем  напряжение повышается, и при 150-200 Вольтах  в прикатодном пространстве образуется устойчивая плазма. Через несколько секунд после появления плазмы начинается выход нагретого раствора и парогазовой смеси. Количество пара можно регулировать. Обратите внимание, что катод по площади не менее чем на два порядка меньше анода, соответственно и плотность тока на единицу площади катода будет выше, чем на аноде. 

Повышение напряжения приводит к изменению силы тока в цепи, характерная закономерность которого показана на рисунке 2.3.  
             Рассмотрим вольтамперную характеристику.

 

 

Рисунок 2.3 - Вольтамперная характеристика

 

 

 Вначале, при повышении напряжения линейно, в соответствии с законом  Ома, растет сила тока. Затем, при напряжении более 40 Вольт закон Ома нарушается, а при напряжении около 100 Вольт (точки 5 - 6) сила тока уменьшается скачкообразно, и у катода появляется яркое свечение (плазма). Дальнейшее принудительное уменьшение напряжения (точки 6 - 15) незначительно  изменяет силу тока. При напряжении около 60 Вольт (точки 14 - 15) свечение у  катода исчезает, сила тока скачкообразно  увеличивается почти до прежней  величины.  

При повышении напряжения до 60 Вольт в растворе работает хорошо известная ионная проводимость. При  таком потенциале молекулы воды, вступая  в контакт с катодом положительно заряженными протонами атомов водорода, диссоциируют на молекулярный водород Н₂ и ионы гидроксила ОН^–

 В этом случае идет  обычный процесс электролиза  воды. По мере повышения напряжения от молекул воды начинают отделяться атомы водорода и их протоны. Вначале в самом растворе, вблизи катода, появляются отдельные стримеры (искры). Это указывает на то, что протоны атомов водорода отделяются от молекул воды и в процессе движения их к катоду вновь соединяются с электронами, синтезируя новые атомы водорода. Дальнейшее повышение напряжения увеличивает количество протонов, отделившихся от молекул воды, и у катода формируется плазма (точки 5, 6). Электроны атомов водорода находятся в этот момент в возбужденном состоянии и совершают переходы с высоких энергетических уровней на низкие, генерируя свет бальмеровских спектральных линий. 

По мере снижения напряжения (точки 7-14) объем плазмы уменьшается, энергетические уровни электронов атомов водорода, на которых они задерживаются, удаляются от протонов, энергия излучаемых фотонов уменьшается, длина волны  увеличивается, и цвет плазмы переходит  последовательно от ярко белого к  красному. Наконец, наступает момент (точка 15), когда потенциал на электродах оказывается недостаточен для отделения протонов от молекул воды, и процесс затухает, возвращая систему исходное состояние ионной проводимости. 

Анализируя рисунок 2.3, видим, что наибольший интерес представляют данные на режиме, соответствующем точке 6. Этот режим сформировался самопроизвольно. В точке 5 устойчивая плазма отсутствует, наблюдается лишь мерцание вблизи катода. Затем, через некоторое время, самопроизвольно уменьшается ток, и сразу же появляется устойчивая плазма. 

Сформировавшаяся плазма ограничивает контакт раствора с  поверхностью катода (увеличивает сопротивление  в цепи катод - раствор). В результате величина тока резко уменьшается  и остается такой до тех пор, пока энергии плазмы и приложенного напряжения будет достаточно для отделения  протонов от молекул воды.  

На границе "плазма - раствор" атомы водорода соединяются в  молекулы. Дальнейшая их судьба зависит  от наличия атомов кислорода. Если они  есть, происходит образование молекул  воды, с характерными микровзрывами, которые генерируют шум на некоторых  режимах работы реактора. Если же атомов кислорода нет у катода или  они соединились в молекулы кислорода, то молекулы водорода смешиваются с  молекулами кислорода и образуют так называемую "гремучую смесь", которая удаляется от катода вместе с парами воды. 

Если после появления плазмы (рисунок 3, точка 6) увеличивать напряжение, то температура плазмы возрастает и острие вольфрамового катода становится вначале ярко белым, а потом начинает гореть. Этот процесс легко наблюдать через прозрачное органическое стекло реактора. Чем больше напряжение, тем интенсивнее горит (плавится) катод.  
      Таким образом, при плазмоэлектролитическом процессе источником плазмы является атомарный водород. Переменное электрическое поле удерживает атом водорода в возбужденном состоянии, формируя его плазму с температурой (5000...10000) С. Интенсивность этой плазмы будет зависеть от приложенного напряжения и от расхода раствора, омывающего катод. Чем больше приложенное напряжение и больше расход раствора, тем интенсивнее плазма.

Итак, из вышеописанного можно  выделить главное:  
При определённом (большом) напряжении плазма, окружающая катод выступает в роли изолятора, что приводит к резкому снижению потребляемого тока без снижения количества выделяемых газов. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. ПРЯМЫЕ ЭНЕРГОЗАТРАТЫ НА ЭЛЕКТРОЛИЗ ВОДЫ

 

Неисчислимое количество учёных и практиков включились в  решение проблем водородной энергетики. Результаты их исследований показывают, что лучшие электролизёры расходуют  на получение кубического метра  чистого водорода из воды около 4-х  кВтч электроэнергии или около 3-х  кВтч на кубический метр смеси водорода и кислорода. Действующие промышленные установки расходуют на  этот процесс в 1,5-2,0 раза больше. Энергия же, получаемая при сжигании одного кубического метра только водорода, составляет около 3,5 кВтч.

 Тем не менее, смесь водорода и кислорода, получаемая  из воды, широко используется в газосварочных аппаратах, а на Тайване уже выпускаются бытовые газовые плиты, в которых природный газ заменён кислородно-водородной смесью. Пока затраты на получение этой смеси превышают стоимость природного газа, но это не останавливает исследователей и они настойчиво ищут пути снижения этих затрат. Конечно, если бы исследователи знали прямые затраты энергии на электролиз воды, то они уже давно бы достигли намеченной цели. Как же измерить прямые затраты энергии на электролиз воды?[9] Поиск ответа  на этот вопрос начнём с анализа  осциллограммы (рисунок 3.1).

Из неё следует, что все электролизёры, заряжаясь в начале работы, приобретают постоянный потенциал , свойственный конденсатору или аккумулятору. Величина этого потенциала увеличивается с увеличением количества ячеек в электролизёре.

Рисунок 3.1 - Осциллограммы напряжения (1) и тока (2) на клеммах  электролизёра

 

На рисунке 3.1 хорошо видно, что импульсы напряжения  1  восстанавливают средний потенциал электролизера, который уменьшается при отсутствии импульса, а импульс тока 2 почти не изменяет его среднюю величину. Из этого следует, что процесс электролиза воды при отсутствии импульса  напряжения не прекращается. Это значит, что нет нужды подавать напряжение в электролизёр непрерывно, так как он имеет свой потенциал , для поддержания заданной величины которого достаточна периодическая подзарядка электролизёра. Чему же будет  равна мощность на клеммах электролизёра при импульсном её потреблении?

Современные учебники и научная  литература по импульсной технике рекомендуют  определять средние величины напряжения и тока путём деления их амплитудных значений и  на скважность импульсов . Из осциллограммы (рисунок 3.1) следует: