T собрать в сосуд водородом

Удорожание энергоносителей стимулирует поиск более эффективных и дешевых видов топлива, в том числе на бытовом уровне. Более всего умельцев-энтузиастов привлекает водород, чья теплотворная способность втрое превышает показатели метана (38.8 кВт против 13.8 с 1 кг вещества). Способ добычи в домашних условиях, казалось бы, известен – расщепление воды путем электролиза. В действительности проблема гораздо сложнее. Наша статья преследует 2 цели:

разобрать вопрос, как сделать водородный генератор с минимальными затратами;
рассмотреть возможность применения генератора водорода для отопления частного дома, заправки авто и в качестве сварочного аппарата.

Краткая теоретическая часть

Водород, он же hydrogen, – первый элемент таблицы Менделеева – представляет собой легчайшее газообразное вещество, обладающее высокой химической активностью. При окислении (то бишь, горении) выделяет огромное количество теплоты, образуя обычную воду. Охарактеризуем свойства элемента, оформив их в виде тезисов:

Горение водорода – процесс экологически чистый, никаких вредных веществ не выделяется.
Благодаря химической активности газ в свободном виде на Земле не встречается. Зато в составе воды его запасы неиссякаемы.
Элемент добывается в промышленном производстве химическим способом, например, в процессе газификации (пиролиза) каменного угля. Зачастую является побочным продуктом.
Другой способ получения газообразного водорода – электролиз воды в присутствии катализаторов – платины и прочих дорогих сплавов.
Простая смесь газов hydrogen + oxygen (кислород) взрывается от малейшей искры, моментально высвобождая большое количество энергии.

Для справки. Ученые, впервые разделившие молекулу воды на hydrogen и oxygen, назвали смесь гремучим газом из-за склонности к взрыву. Впоследствии она получила название газа Брауна (по фамилии изобретателя) и стала обозначаться гипотетической формулой ННО.

Раньше водородом наполняли баллоны дирижаблей, которые нередко взрывались

Из вышесказанного напрашивается следующий вывод: 2 атома водорода легко соединяются с 1 атомом кислорода, а вот расстаются весьма неохотно. Химическая реакция окисления протекает с прямым выделением тепловой энергии в соответствии с формулой:

2H2 + O2 → 2H2O + Q (энергия)

Здесь кроется важный момент, который пригодится нам в дальнейшем разборе полетов: hydrogen вступает в реакцию самопроизвольно от возгорания, а теплота выделяется напрямую. Чтобы разделить молекулу воды, энергию придется затратить:

2H2O → 2H2 + O2 – Q

Это формула электролитической реакции, характеризующая процесс расщепления воды путем подведения электричества. Как это реализовать на практике и сделать генератор водорода своими руками, рассмотрим далее.

Создание опытного образца

Чтобы вы поняли, с чем имеете дело, для начала предлагаем собрать простейший генератор по производству водорода с минимальными затратами. Конструкция самодельной установки изображена на схеме.

Из чего состоит примитивный электролизер:

реактор – стеклянная либо пластиковая емкость с толстыми стенками;
металлические электроды, погружаемые в реактор с водой и подключенные к источнику электропитания;
второй резервуар играет роль водяного затвора;
трубки для отвода газа HHO.

Важный момент. Электролитическая водородная установка работает только от постоянного тока. Поэтому в качестве источника питания применяйте сетевой адаптер, автомобильное зарядное устройство или аккумулятор. Электрогенератор переменного тока не подойдет.

Принцип работы электролизера следующий:

К двум электродам, погруженным в воду, подводится напряжение, желательно от регулируемого источника. Для улучшения реакции в емкость добавляется немного щелочи либо кислоты (в домашних условиях – обычной соли).
В результате реакции электролиза со стороны катода, подключенного к «минусовой» клемме, станет выделяться водород, а возле анода – кислород.
Смешиваясь, оба газа по трубке поступают в гидрозатвор, выполняющий 2 функции: отделение водяного пара и недопущение вспышки в реакторе.
Из второй емкости гремучий газ ННО подается на горелку, где сжигается с образованием воды.

Чтобы своими руками сделать показанную на схеме конструкцию генератора, потребуется 2 стеклянных бутылки с широкими горлышками и крышками, медицинская капельница и 2 десятка саморезов. Полный набор материалов продемонстрирован на фото.

Из специальных инструментов потребуется клеевой пистолет для герметизации пластиковых крышек. Порядок изготовления простой:

Плоские деревянные палочки скрутите саморезами, располагая их концами в разные стороны. Спаяйте головки шурупов между собой и подсоедините провода – получите будущие электроды.
Проделайте отверстие в крышке, просуньте туда разрезанный корпус капельницы и провода, затем герметизируйте с 2 сторон клеевым пистолетом.
Поместите электроды в бутылку и завинтите крышку.
Во второй крышке просверлите 2 отверстия, вставьте трубки капельниц и накрутите на бутылку, заполненную обычной водой.

Для запуска генератора водорода налейте в реактор подсоленную воду и включите источник питания. Начало реакции ознаменуется появлением пузырьков газа в обеих емкостях. Отрегулируйте напряжение до оптимального значения и подожгите газ Брауна, выходящий из иглы капельницы.

Второй важный момент. Слишком высокое напряжение подавать нельзя – электролит, нагревшийся до 65 °С и более, начнет интенсивно испаряться. Из-за большого количества водяного пара разжечь горелку не удастся. Подробности сборки и запуска импровизированного водородного генератора смотрите на видео:

О водородной ячейке Мейера

Если вы сделали и испытали вышеописанную конструкцию, то по горению пламени на конце иглы наверняка заметили, что производительность установки чрезвычайно низкая. Чтобы получить больше гремучего газа, нужно изготовить более серьезное устройство, называемое ячейкой Стэнли Мейера в честь изобретателя.

Принцип действия ячейки тоже основан на электролизе, только анод и катод выполнены в виде трубок, вставляющихся одна в другую. Напряжение подается от генератора импульсов через две резонансные катушки, что позволяет снизить потребляемый ток и увеличить производительность водородного генератора. Электронная схема устройства представлена на рисунке:

Примечание. Подробно о работе схемы рассказывается на ресурсе https://www.meanders.ru/meiers8.shtml.

Для изготовления ячейки Мейера потребуется:

цилиндрический корпус из пластмассы или оргстекла, умельцы нередко используют водопроводный фильтр с крышкой и патрубками;
трубки из нержавеющей стали диаметром 15 и 20 мм длиной 97 мм;
провода, изоляторы.

Нержавеющие трубки крепятся к основанию из диэлектрика, к ним припаиваются провода, подключаемые к генератору. Ячейка состоит из 9 или 11 трубок, помещенных в пластиковый либо плексигласовый корпус, как показано на фото.

Под ячейку Мейера можно приспособить готовый пластиковый корпус от обычного водопроводного фильтра

Соединение элементов производится по всем известной в интернете схеме, куда входит электронный блок, ячейка Мейера и гидрозатвор (техническое название – бабблер). В целях безопасности система снабжена датчиками критического давления и уровня воды. По отзывам домашних умельцев, подобная водородная установка потребляет ток порядка 1 ампера при напряжении 12 В и обладает достаточной производительностью, хотя точные цифры отсутствуют.

Принципиальная схема включения электролизера

Реактор из пластин

Высокопроизводительный генератор водорода, способный обеспечить работу газовой горелки, выполняется из нержавеющих пластин размером 15 х 10 см, количество – от 30 до 70 шт. В них просверливаются отверстия под стягивающие шпильки, а в углу выпиливается клемма для присоединения провода.

Кроме листовой нержавейки марки 316 понадобится купить:

резина толщиной 4 мм, стойкая к воздействию щелочи;
концевые пластины из оргстекла либо текстолита;
шпильки стяжные М10-14;
обратный клапан для газосварочного аппарата;
фильтр водяной под гидрозатвор;
трубы соединительные из гофрированной нержавейки;
гидроокись калия в виде порошка.

Пластины нужно собрать в единый блок, изолировав друг от друга резиновыми прокладками с вырезанной серединой, как показано на чертеже. Получившийся реактор плотно стянуть шпильками и подключить к патрубкам с электролитом. Последний поступает из отдельной емкости, снабженной крышкой и запорной арматурой.

Примечание. Мы рассказываем, как сделать электролизер проточного (сухого) типа. Реактор с погружными пластинами изготовить проще – резиновые прокладки ставить не нужно, а собранный блок опускается в герметичную емкость с электролитом.

Схема водородной установки мокрого типа

Последующая сборка генератора, производящего водород, выполняется по той же схеме, но с отличиями:

На корпусе аппарата крепится резервуар для приготовления электролита. Последний представляет собой 7-15% раствор гидроокиси калия в воде.
В «бабблер» вместо воды заливается так называемый раскислитель – ацетон либо неорганический растворитель.
Перед горелкой обязательно ставится обратный клапан, иначе при плавном выключении водородной горелки обратный удар разорвет шланги и «бабблер».

Для питания реактора проще всего задействовать сварочный инвертор, электронные схемы собирать не нужно. Как устроен самодельный генератор газа Брауна, расскажет домашний мастер в своем видео:

Выгодно ли получать водород в домашних условиях

Ответ на данный вопрос зависит от сферы применения кислородно-водородной смеси. Все чертежи и схемы, публикуемые различными интернет-ресурсами, рассчитаны на выделение газа HHO для следующих целей:

использовать hydrogen в качестве топлива для автомобилей;
бездымно сжигать водород в отопительных котлах и печах;
применять для газосварочных работ.

Главная проблема, перечеркивающая все преимущества водородного топлива: затраты электричества на выделение чистого вещества превышают количество энергии, получаемое от его сжигания. Что бы ни утверждали приверженцы утопичных теорий, максимальный КПД электролизера достигает 50%. Это значит, что на 1 кВт полученной теплоты затрачивается 2 кВт электроэнергии. Выгода – нулевая, даже отрицательная.

Вспомним, что мы писали в первом разделе. Hydrogen – весьма активный элемент и реагирует с кислородом самостоятельно, выделяя уйму тепла. Пытаясь разделить устойчивую молекулу воды, мы не можем подвести энергию непосредственно к атомам. Расщепление производится за счет электричества, половина которого рассеивается на подогрев электродов, воды, обмоток трансформаторов и так далее.

Важная справочная информация. Удельная теплота сгорания водорода втрое выше, чем у метана, но – по массе. Если сравнивать их по объему, то при сжигании 1 м³ гидрогена выделится всего 3.6 кВт тепловой энергии против 11 кВт у метана. Ведь водород – легчайший химический элемент.

Теперь рассмотрим гремучий газ, полученный электролизом в самодельном водородном генераторе, как топливо для вышеперечисленных нужд:

Конечная цена установки, низкая производительность и КПД делает крайне невыгодным сжигание водорода для отопления частного дома. Чем «наматывать» счетчик электролизером, проще поставить любой из электрокотлов – ТЭНовый, индукционный либо электродный.
Чтобы заменить 1 л бензина для автомобиля, потребуется 4766 литров чистого водорода или 7150 л гремучего газа, треть которого составляет кислород. Самый завравшийся изобретатель в интернете еще не сделал электролизер, способный обеспечить подобную производительность.
Газосварочный аппарат, сжигающий hydrogen, компактнее и легче баллонов с ацетиленом, пропаном и кислородом. Плюс температура пламени до 3000 °С позволяет работать с любыми металлами, стоимость получения горючего здесь особой роли не играет.

Для справки. Чтобы сжигать гидроген в отопительном котле, придется основательно переработать конструкцию, поскольку водородная горелка способна расплавить любую сталь.

Заключение

Гидроген в составе газа ННО, полученный из самодельного водородного генератора, пригодится для двух целей: экспериментов и газосварки. Даже если отбросить низкий КПД электролизера и затраты на его сборку вместе с потребляемым электричеством, на обогрев здания попросту не хватит производительности. Это касается и бензинового двигателя легковой машины.

Источник

Часть 2.

Так как водород, фактически, не встречается на Земле в свободной форме, его вынуждены извлекать из прочих связанных соединений.

Одним из главных преимуществ водородной энергетики является большое разнообразие химических способов получения водорода.

Преимуществом тут является независимость от одного метода получения водорода, что благоприятно сказывается на энергетической безопасности всей концепции водородной энергетики.

Основными методами получения водорода являются:

1. паровая конверсия метана и природного газа;

2. газификация угля;

3. электролиз воды;

4. пиролиз;

5. частичное окисление;

6. биотехнологии.

Водород можно получать взаимодействием активных металлов с кислотами-неокислителями. Например, взаимодействием Цинка и Хлороводорода:

Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2.

Как мы видим, взаимодействие Цинка с соляной кислотой даёт выход водорода. Существуют и другие способы подобного получения водорода. Например, взаимодействие алюминия с водными растворами щелочей и т.п. Однако, подобный способ подходит лишь для лабораторных исследований и демонстраций, потому что он очень дорогой.

Концепция водородной энергетики подразумевает промышленное производство водорода; массовость и дешевизна должны быть неотъемлемой частью всей концепции.

Промышленные способы добычи водорода:

1. Электролиз воды

Промышленная установка щелочного электролиза воды

Разберём его чуть подробнее, так как много всяких изобретателей пытаются использовать именно эту технологию.

Воздействуя на дистиллированную воду электрическим током, можно разложить её на составляющие – кислород и водород:

2H2O = 2H2 + O2.

«Впервые электролитическое разложение воды на кислород и водород было осуществлено в 1800 году, а промышленное освоение этого метода началось с 1888 года, когда стали доступны генераторы постоянного тока».

Электролиз воды – довольно дорогая технология получения водорода. В совокупности, на неё приходится всего 4-5% от общего произведённого объёма водорода.

Технология электролиза воды выглядит привлекательно в связи с экологической чистотой получения и возможности создания установок с широким диапазоном производительности (от нескольких литров до сотен кубометров водорода в час).

Способ прост и удобен в эксплуатации, обладает высокой чистотой производимого водорода. Дополнительно, побочным продуктом является получение кислорода – ценного химического вещества.

Но главное, электролиз водорода – очень перспективный метод экологически чистого получения водорода из возобновляемых или атомных источников энергии.

Я напомню, что концепция производства водородной энергетики и её дальнейшего развития в водородную экономику преследует именно экологическую чистоту.

Методов разложения воды для выделения водовода множество.

Основные из них:

электрохимический;
термический;
термохимический;
биохимический;
фотохимический;
электролитический.

Разумеется, наиболее проработанный и изученный метод – электролитический. Он позволяет производить водород с КПД до 90%.

Существуют три промышленных способа реализации электролизной технологии производства водорода. Они отличаются типом используемого электролита и условиями проведения электролиза.

Способы реализации электролизной технологии производства водорода

Щелочной электролиз – процесс прохождения электрического тока через раствор электролита от анода к катоду, вследствие чего на них образуются газы – соответственно, водород и кислород:

1. на аноде: 2OH- → 0,5O2 + H2O + 2e (выделение кислорода);

2. на катоде : 2H2O + 2e- → H2 + 2OH (выделение водорода);

3. суммарная реакция: H2O → H2 + 0,5O2.

Дальнейшим усовершенствованием технологии в области КПД и экономичности стала разработка электролизёров с твердо-полимерным электролитом (ТПЭ).

ТПЭ-электролизёры в 6 раз дороже водно-щелочных с аналогичными характеристиками, но при этом экологически чистые; имеют значительно меньшие массо-габаритные характеристики и энергозатраты, повышенный уровень безопасности, возможность работы в нестационарных режимах, простое обслуживание.

Основной элемент ТПЭ – беспористая полимерная мембрана перфторированного углерода, обладающая высокой химической стойкостью и высокой электропроводностью. Переносчиком заряда в таких мембранах является гидратированный протон:

1. на анод: H2O → O2 + 4H+;

2. на катод: 4H(+) + 4e(-) → 2H2.

Минимальная чистота получения водорода электролизом с ТПЭ – 99,98%.

Принципиальная схема электролизной ячейки с ТПЭ

Третий метод – высокотемпературный электролиз водяного пара. Проводится в ячейках с твёрдым электролитом на основе оксидов циркония, оксидов некоторых элементов (оксиды кальция, иттрия, иттербия, селена, ванадия) для увеличения его электропроводимости. Подобный электролит обладает униполярной проводимостью – ток через него переносится ионами кислорода, образующимися при диссоциации воды и выделении водорода на катоде:

Н2О (пар) + 2е → О2 + Н2 (газ) катод О 2(-) → 0,5 О2 (газ) + 2е.

Вывод водорода осуществляется из катодного пространства вместе с непрореагировавшим паром.

Принципиальная схема ячейки для высокотемпературного электролиза водяного пара с коаксиальным расположением электродов: 1 – катодное пространство ячейки; 2 – катод; 3 – твёрдый электролит на основе оксидов циркония; 4 – анод; 5 – анодное пространство ячейки

Независимо от способа реализации, основной вклад в стоимость водорода, производимого методом электролиза (70-90 %), вносят затраты на электроэнергию!

В комментариях к прошлой статьи читатель писал о якобы новом изобретённом им способе электролиза для получения водорода из морской воды. Но ничего нового тут нет. Смотрим формулу:

2NaCl + 2H2O = H2+ Cl2+ 2NaOH.

Ну это же элементарно, давно известно и вовсю применяется.

Для получения водорода из воды при электролизе требуется, как минимум, столько же энергии, сколько её выделяется при сгорании водорода. Однако не вся эта энергия должна поступать в виде электроэнергии – можно использовать в электролизёрах и тепловую энергию воды. Тут имеется энергетический баланс: чем выше её температура, тем больше вклад тепловой энергии и меньше вклад электрической. В ряде случаев это сулит немалую выгоду – можно использовать тепло от любого источника: скажем, от ядерного реактора. Особенно значительна экономия электроэнергии при температурах воды в районе тысячи градусов. Однако, в этих условиях сама вода переходит в пар, и снова потребуется твердый термостойкий электролит.

Многочисленные работы, в которых сделана попытка дать технико-экономическую оценку путей развития производства водорода на ближайшие годы, свидетельствуют о перспективности разрабатываемых электрохимических методов.

В перспективе можно ожидать, что параллельно с разработкой термических, термохимических, биохимических и других методов получения водорода из воды, начнутся интенсивные работы по усовершенствованию существующих и созданию более экономичных новых методов электролитического разложения воды на базе электрической энергии станций, работающих на атомной энергии. Одно из таких направлений уже разрабатывается – электролиз воды под давлением.

2. Паровая, или парокислородная конверсия метана (ПКМ).

Производство водорода методом риформинга конверсии метана

Метан – основной компонент природного газа, его концентрация в нём достигает от 77 до 99%. Высокое содержание метана и в попутных нефтяных газах – от 31 до 91%. Метан – это, фактически, большая молекула водорода, которая состоит из одного атома углерода и 4-х атомов водорода. Уже из химической формулы ясно, что метан «сильно обогащён» водородом. Следовательно, получение водорода именно из метана должно быть наиболее рентабельным.

Схема реактора паровой конверсии метана

Процесс отделения водорода от углеродной основы в метане протекает в трубчатых печах (химических паровых реформерах) с внешним подводом теплоты при температурах 750-850 градусов Цельсия через стенку трубы на каталитических поверхностях (никель, корунд и др.):

CH4+H2O ↔ CO+3H2;

далее с монооксидом углерода, или попросту «угарным газом», идёт реакция:

CO+H2O ↔ CO2+H2.

Это самый дешёвый и рентабельный способ получения водорода. Себестоимость процесса – от 2 до 5 долларов за 1 кг водорода!

В парокислородной конверсии вместе с горячим паром в активную зону реактора подаётся кислород. Реакции процесса аналогичные, что и для ПКМ, однако дополнительно происходит окисление метана кислородом:

CH4+O2 ↔ 2CO+3H2.

Реагирование веществ в парокислородной конверсии метана даёт общий результирующий тепловой эффект, равный нулю!

Это делает установку дороже на 5-10 %.

Главное преимущество парокислородной конверсии по сравнению с ПКМ – передача теплоты напрямую, а не через стенку теплообменника.

Сравнение характеристик ПКМ и парокислородной конверсии

В настоящий момент уже разработан высокоэффективный проточный мембранный аппарат для одновременного риформинга метана и окисления СО на никелевых и палладиевых катализаторах. Чистота водорода достигает 99,999 %, тогда как при конверсии природного газа – всего 76,2 %.

3. Газификация угля

Установка газификация угля

Самый старейшим с 1940-вых годов способом получения водорода является газификация угля. Справедливо встаёт вопрос: причём здесь уголь, ведь в его составе всего около 6% нужного нам газа? Однако, получение водорода из угля связано с термическим разложением воды, а сам уголь непосредственно используется в качестве энергоресурса и химического реагента. В угле много углерода, который и будет реагировать с кислородом, водой и угарным газом.

Воздействуя на уголь одновременно водяным паром и кислородом, получаем уже знакомую парокислородную конверсию.

Основные реакции процесса газификации угля:

C+O2 ↔ CO2;

C+2H2O ↔ CO2+2H2;

C+H2O ↔ CO+H2;

C+CO2 ↔ 2CO.

Существует большое количество способов газификации угля. Они отличаются термодинамическими параметрами, размером и принципом подачи угля в газогенератор, а также способом удаления шлака. Существует многоступенчатый процесс производства водорода железопаровым способом:

Fe3O4+CO ↔ 3FeO+CO2;

Fe3O4+H2 ↔ 3FeO+H2O.

Все рассмотренные методы – это автотермическое проведение реакций газификации, где в методе с CO2-акцептором осуществлён аллотермический подвод теплоты за счёт реакции СаО с двуокисью углерода. Далее, в регенераторе карбонат кальция разлагается термически:

CaO+CO2 ↔ CaCO3;

CaCO3 ↔ CaO+CO2.

Есть и классические процессы: Лурги, Копперс-Тотцека и Винклера.

Производство синтез-газа, в состав которого входят: водород, метан, окислы углерода и прочие газы – может быть также основано на переработке биомассы и промышленно-бытовых отходов, что одновременно способствует решению экологических проблем. Например, переработать отходы жизнедеятельности рогатого скота, да и вообще любого другого сельскохозяйственного животного.

При термохимической обработке биомассы её нагревают без доступа кислорода до температуры 500-800 градусов Цельсия, в результате чего образуются водород, метан и оксид углерода.

Для выделения водорода из синтез-газа используются разнообразные методы: адсорбция, абсорбция, диффузии через мембраны, электрохимическая конверсия, глубокое охлаждение, катализ.

Параметры методов газификации угля

Это основные, хорошо освоенные и изученные методы промышленного получения водовода. Однако все они дороги в сравнении с традиционной энергетикой. Водород – дорогое топливо. Поэтому его сегодня практически не используют (именно в качестве топлива).

Структура мирового производства (а) и потребления (б) водорода

Основными потребителями водорода являются химическая промышленность и нефтепереработка. Водород является ключевым элементом в производстве минеральных удобрений (получение аммиака).

Более половины потребляемого в мире водорода на сегодняшний день используется в качестве химического сырья. Раскисляющее действие водорода широко применяют в порошковой металлургии, металлообработке, производстве стекла, синтетических рубинов и т.п. Применение водорода в микроэлектронике, главным образом, связано с получением кремния путём восстановления SiCl4. Основным потребителем водорода как топлива является космонавтика. Комбинация «жидкий водород (топливо) – жидкий кислород (окислитель)» обеспечивает выделение максимального количества энергии на единицу веса, что является определяющим критерием для аэрокосмических приложений.

Существуют ли перспективные методы получения водорода, которые будут отличаться дешевизной и качеством? Такие существуют. И не только теоретические, но практические способы.

Например:

плазмохимический способ, который обещает быть в 15 раз дешевле электролизного;

хорошо проработанный способ получения водорода благодаря использованию ядерной энергетики (концепция атомно-водородной энергетики);

получение водорода с помощью альтернативных источников энергии;

усовершенствование методов электролиза воды;

способ использования вещества мантии Земли для получения водорода;

перспективы развития водородной энергетики на основе алюминия и т.д.

О некоторых перспективных способах поговорим в следующей статье.

Часть 3. Водородная энергетика: атомно-водородная технология

================================================================

P. S. Ссылки на источники теперь находятся в группе Вконтакте!

Часть 1. Водородная энергетика: когда наступит будущее?

Источник