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).

Цю втрату можна було б взагалі звести до нуля, якщо зробити автомобіль (з ДВЗ), який споживає лише водень. Але тут-то і виявляється головний козир японських і німецьких "розкольників".

BMW і Mazda пропонують зберегти в автомобілі можливість їздити на бензині (за аналогією з поширеними нині двухтопливними машинами "бензин / газ").

Такий підхід, за задумом автобудівників, полегшить поступовий перехід автотранспорту тільки на водневе харчування.

Адже клієнт зможе з чистою совістю купити подібну машину вже тоді, коли в регіоні, де він живе, з'явиться хоч одна воднева заправка. І йому не доведеться побоюватися застрягти віддалік від неї з порожнім баком водневим. Між тим, серійний випуск та масові продажі машин на паливних елементах довгий час будуть сильно стримуватися малим числом таких заправних станцій. Так, і вартість паливних елементів поки велика.

Крім того, переведення на водень звичайних ДВЗ (при відповідних настройках) не тільки робить їх чистими, але й підвищує термічний ККД і покращує гнучкість роботи.

Справа в тому, що водень має набагато більш широким, в порівнянні з бензином, діапазоном пропорцій змішування його з повітрям, при яких ще можливий підпал суміші.

І згорає водень повніше, навіть поблизу стінок циліндра, де в бензинових двигунах зазвичай залишається незгорілих робоча суміш.

Отже, вирішено - "згодовуємо" водень двигуну внутрішнього згоряння. Фізичні властивості водню істотно відрізняються від таких у бензину. Над системами харчування німцям і японцям довелося поламати голову. Але результат того вартий.

Показання BMW і Mazda водневі автомобілі поєднують звичну для власників звичайних авто високу динаміку з нульовим вихлопом.

А головне - вони куди краще пристосовані до масового виробництва, ніж "ультра інноваційні" машини на паливних елементах.

Американські дослідники Університету штату Оклахома пристосували для водню класичний бензиновий автомобільний двигун. Виявилося, що при прямому упорскуванні водню в циліндри - як у дизельних двигунах - відпадає потреба в випередженні запалювання. Як показав аналіз вихлопних газів, оксиди сірки та вуглецю в них взагалі відсутні, а оксиди азоту стримується лише в незначних кількостях.

Однак широкому застосуванню водню як автомобільного палива перешкоджає чимало проблем, і одна з них - паливні баки. На 10 кг водню автомобіль може проїхати стільки ж, скільки на 30 кг бензину, але таку кількість газоподібного водню займає обсяг 8000 л, а щоб зберігати його потрібно міцний резервуар масою 1500 кг. Це наштовхнуло конструкторів на думку використати зріджений водень; тоді ті ж 10 кг водню поміщаються в балоні масою 80 кг і ємністю 160 л. Але щоб мати водень в зрідженому стані, потрібно підтримувати в балоні температуру-2530 С°. Застосовувати сосуди Дьюара було б занадто дорого. Можливо, конструкрукторам вдасться використовувати якісь варіанти широко застосовуються в даний час резервуарів для зберігання рідкого палива, у яких добові втрати на випаровування не перевищують 1,5%. Так, в експериментальному автомобілі «Волга» змонтований криогенний водневий бак загальною масою 140 кг. Фахівці знайшли і інше рішення: бак можна виготовити з гідридів металів сплавів магнію, марганцю, титану і заліза, які володіють тим перевагою, що поглинають частину яка випаровується водню, а при нагріванні (хоча б вихлопними газами)знову виділяють його. Маса водневого бака з гідридів металів перевищує 150 кг.

Нове паливо вже випробувано на практиці. Успішно пройшов випробування автомобіль «Жигулі» з комбінованим двигуном на бензині і водні. П.Д. двигуна зависочів на чверть, витрата бензину зменшився на третину, а вміст шкідливих речовин у вихлопних газах знизилося до мінімуму. Великі надії покладаються і на електромобілі, забезпечені воднево-кислотними топ зливними системами.

На думку багатьох фахівців, водневий двигун навряд чи знайде застосування в легкових автомобілях, з міркувань безпеки, але він може стати в нагоді для громадського транспорту.

Великий інтерес до водневого палива виявляють і авіаконструктори. У США ще в 1957р. дослідна група Національного управління проводить випробовування двомоторного літака на водневому паливі. У 1973р. НАСА доручило фірмі «Локхід» пристосувати для водневого палива два серійних бойових літака (С-141 і «Старфайтер»). Фірма «Боїнг» розробила варіант найбільшого літака «Джамбо-Джет» на водневому палеві.

Є ще одна важлива сполука водню - це перекису водню, яка застосовується для двигунів підводних човнів, ракетних двигунів, у тому числі і таких, які можуть поміститися в ранці за спиною чоло століття.

На минулій в Москві міжнародної конференції з моторного палива заступник директора науково - виробничої фірми «Фордігаз» Сергій Шипунов запевняв учасників конференції, що якщо встановити на автомобілях їх паливні системи для двигунів внутрішнього згоряння, то вміст шкідливих речовин у вихлопних газах зменшиться в сотні разів. У всьому світі вважається великим досягненням, якщо вдається зменшити на декілька відсотків кількість цих отрут. Навіть якщо перевести автомобілі з рідкого на газове паливо, то шкідливих речовин в димі стане в 3-10 разів менше. А «Фордигаз» запевняє, що може знизити їх утримання ще на порядок для машин на газі і на два порядки - на бензині. Це здається просто неймовірним.

Тим не менш «Фордигаз» переконався в цьому на досвіді. Паливна система була встановлена не на автомобілі, а на двигуні для мобільного електростанції потужністю 4 кіловата. 14 людей проходили випробування в кімнаті площею 20 квадратних метрів. Вікна в ній були закриті, а вихлопна труба виходила прямо в приміщення. І ось ми залили в бак бензин, включили двигун.

Двигун працював на повну потужність цілу годину, але присутні не відчували особливих незручностей. Тільки стало жарко, але повітря було абсолютно чистим. А газоаналізатор «Інфоліт», зроблений у Німеччині, показав нульове вміст шкідливих речовин у вихлопних газах. Коли зняли паливну систему і двигун став робить в звичайному режимі, дим швидко наповнив кімнату. Через 4 хвилини присутні ледь не задихнулися.

А диво пояснювалося просто. Паливна система забезпечувати ідеальне перемішування повітря з бензином, в результаті він горів повністю - з вихлопної труби вилітали тільки пари води і вуглекислий газ.

Спочатку рідке паливо перетворюється потоком повітря в аерозоль. Він зволожує спеціальну тканину, а з неї повітря зриває вже не крапельки, а окремі молекули бензину. У результаті рідке паливо перетворюється в газоподібний, і в такому стані надходить у спеціальний змішувач. Там до пального додають суворо, певну порцію повітря і добре їх перемішують. Особливі пристрої підтримують оптимальне співвідношення молекул кисню і вуглеводів протягом всієї роботи двигуна - у результаті паливо згорає без залишків.

Водії знають, що звичайний двигун дає 7-8% окису вуглецю у вихлопних газах, в кращому випадку (якщо добре відрегулювати) до 2%. Але випробування першого двигуна з паливною системою показали, що вміст окису вуглецю склала 8 сотих часток процента.

Це пристрій величиною трохи більше склянки. Повітря і пальне проходять в ньому по зігнутим каналах, які хвацько закручують і перемішують цю суміш, роблячи її максимально однорідною. І така хитра операція дає дивовижний ефект.

Витрата пального знизився 20%. Але головне - кількість токсичних викидів в атмосферу зменшиться у 3 рази.

Висновок

У результаті написаної роботи я дуже багато дізналася про такий важливий, незамінного, і найцікавішому речовині на нашій планеті, як водень. Скільки безцінної інформації вже змогли відкрити вчені, вивчаючи його, і зараз, залишається тільки гадати, що ще можна відкрити і дізнатися.

У минулому році я писала роботу з екологічної хімії, що стосується адсорбції в процесах очищення природних і стічних вод. Я говорила про застосування нових технологій в чищенні водойм. У моїй теперішній роботі я більше зачіпають не гідросферу, а атмосферу. Якщо в нашій, та й у всіх інших країнах, у всьому світі, частенько виникають питання, що ж робити із забрудненою атмосферою, то чому нам не звернутися до такого аспекту, і не зробити акцент на тому, щоб її просто не забруднювати.

Зрозуміло, це не можливо. Неможливо припинити роботу хімічної та інших видів промисловості та застосування сучасних технологій у сільському господарстві, агітуючи та пояснюючи це тільки лише тим, що ми боремося за чистоту повітря. Але ми цього і не вимагаємо

Але подивіться, чим ми дихаємо, подивіться, скільки вихлопних газів, різноманітних шкідливих речовин існує в атмосфері тільки лише завдяки тому, що в світі поширене таке явище як автомобілі. І якщо є можливість запобігти потраплянню цих найнебезпечніших речовин в атмосферу, то чому ми цього до цих пір не зробили, чому це не зробили не ми, а ті, хто цим має займатися? Куди дивиться наша охорона здоров'я?

Написавши цю роботу, я дізналася, що у нашого світу ще є можливість хоч як то налагодити екологічну обстановку, але чи захочуть це зробити решта, і чи буде їм цікаві подальші розробки вчених цієї галузі, які, оскільки теж є людьми цієї планети має пряму зацікавленість в цьому питанні.

Водень? Що таке водень? Простий елемент? Елемент, який має тільки лише ряд особливостей, який тільки лише трохи відрізняється від інших?

Ні, як ми бачимо з усіх доказів, наведених у роботі, по тому, що ми дізналися, ми тепер впевнені, що водень - це не просто елемент, водень - це диво, і зараз його не без підстав називають чудовим паливом майбутнього.

Страницы: 1, 2