химический каталог




Введение в водородную энергетику

Автор Э.Э.Шпильрайн, С.П.Малышенко, Г.Г.Кулешов

ронно-дырочные пары. На поверхности кристалла дырки взаимодействуют с гидроксильными группами, приводя к выделению кислорода:

2р++20Н-->20Н; 20Н-*Н20 +-^-02.

На катоде ячейки электроны реагируют с ионами Н+, образуя молекулярный водород. Схематическое описание процесса дается системой уравнений

Ti02+hv-+2e-+2p+; 2/>+ + H20--i-02 + 2H+ (аиод);

2е- + 2Н+->Н2 (катод).

Эффективность такого преобразования, однако, весьма невысока даже в расчете на монохроматический свет. Заметное повышение эффективности достигается дополнением развиваемой фото-ЭДС концентрационной (платиновый катод — в 1 н. растворе H2SO4, а анод из ТЮ2— в 1 н. растворе щелочи), равной 0,77 В. При интенсивности света 2-10" см-2-с-1 (0,1 Вт-см~2) выход водорода достигает 1,5 см3-ч_1-см-2.

Важным преимуществом двуокиси титана по сравнению с полупроводниками, указанными в двух предыдущих параграфах, является ее высокая стабильность в широкой области как в кислых, так и н щелочных растворах. Однако из-за большой ширины запрещенной зоны (3 эВ) эффективность преобразования солнечного света в фотохимическом элементе на основе ТЮ2 не превышает 6°/о;.

Фотохимические преобразователи в отличие от фотоэлементов не требуют создания полупроводниковых слоев большой площади и могут представлять собой совокупность отдельных элементов, помещенных в виде суспензии в рабочий раствор электролита. В фотохимическом преобразователе с рабочим веществом в виде суспензии может быть использована смесь ? — ТЮ2 с добавками платины в 1 н. растворе H2S04, т. е. каждая частица суспензии будет представлять собой систему микроэлементов, аналогичных рассмотренным выше. Поскольку фото-ЭДС, развиваемая на ТЮ2, недостаточна для достижения потенциала выделения водорода, в качестве сопряженной реакции выделения водорода используется окисление органических веществ (метанола, формальдегида, муравьиной кислоты). В таких преобразователях трудно осуществить пространственное разделение кислорода и водорода и, по-видимому, следует отказаться от выделения одного нз газов, например водорода, заменив его получением И-12 161

продукта, остающегося в растворе, тем более что сбор водорода с больших площадей при низких скоростях его выделения (0,12 см3-см-2-мин-') является технически сложной задачей.

Биохимические элементы

Выделение водорода под действием микроорганизмов было обнаружено более 100 лет назад [99] при брожении муравьинокислого кальция:

Са (СООН) 2+Н2О^СаСОз+2Н2+С02,

где ферменты бактерий играли роль катализатора. Позднее выделение водорода наблюдалось под действием света в системах, содержащих сине-зеленые водоросли, фотосинтетические бактерии, суспензии хлоропласта и т. п. Природа фотосинтетического выделения водорода еще не выяснена окончательно. Считается, что этот процесс непосредственно связан с фотосинтезом. Первоначально солнечный свет поглощается светочувствительным пигментом, например белком хлорофилла. С помощью некоторого процесса в активных центрах белка эта энергия сообщается электронам, источником которых служит некоторое донорное вещество. Затем, как и при фотосинтезе, электроны через промежуточное соединение ферродоксин доставляются к ионам водорода Н+, восстановление которых до молекулярного состояния

2Н++2е--+Н2

происходит под действием катализатора биологической природы. По современным представлениям таким катализатором является фермент гидрогеиаза или нитрогеназа. Очевидно, что особый интерес представляет случай, когда катализируется процесс восстановления катионов Н+, донором которых является вода. Но при этом одновременно может происходить процесс

20Н-—2e-->-H202-«-H20 +1 /202,

поэтому для предотвращения выделения кислорода необходимо заранее принять меры по связыванию гидроксильной группы.

Получение водорода путем радиолиза воды

Причиной особого интереса к этому методу является принципиальная возможность прямого преобразования энергии ядерных излучений в энергию, запасенную в водороде. Проведенные исследования процесса радиолиза воды позволили установить зависимость выходов молекулярных и радикальных продуктов радиолиза g (количество образующихся продуктов определенного сорта, отнесенное к 100 эВ поглощенной энергии) от вида излучения и средней удельной плотности ионизации. Доказано, что для существующих типов ядерных реакторов при использовании осколков деления общий КПД преобразования энергии может составить 4,5—6,0%. Коэффициент полезного действия радиолиза по молекулярным продуктам для тяжелого излучения выше, чем для легкого, — это связано с большей в первом случае плотностью ионизации в зоне трека и, следовательно, с большей вероятностью протекания реакций образования молекулярных продуктов

Н+Н->Н2

" 0? + ??->?2?2·

162

Повышению КПД радиолиза препятствуют протекание реакции рекомбинации радикалов ? и ОН в зоне трека с образованием воды и выделением теплоты, а также реакции взаимодействия радикалов с уже образовавшимися молекулярными продуктами радиолиза при их диффузии из зоны трека (обратные реакции).

Повышение выхода молекулярных продуктов радиолиза возможно за счет уменьшения скорости рекомбинации радикалов ? и ОН и обратных реакций. Уменьшение скорости обратных реакций достигается введением в радиолизуемый раствор веществ, способных к окислительно-восстановительным реакциям, таких как соли железа, щавелевая кислота и др., в то время как пути эффективного уменьшения скорости рекомбинации ? и ОН в зоне трека пока еще не найдены. Следует отметить, что проблема эффективного получения водорода с использованием ядерных излучений является новой и мало разработанной, так как до недавнего времени основные усилия специалистов в области радиационной химии были направлены на решение обратной задачи, а именно — подавление выделения водорода и кислорода в водных контурах атомных энергетических и технологических установок с целью предотвращения взрывов образующейся гремучей смеси.

Коэффициент полезного действия процесса радиолиза воды и водных растворов при плотности нейтронного потока до 10'3 см-2-^1 в гомогенных ядерных реакторах (максимальный КПД) не превосходит 6%, т. е. ниже, чем у большинства других процессов получения водорода, однако использование процесса радиолиза представляется заманчивым с других точек зрения: процесс может идти при невысоких температурах и можно использовать любые виды излучений.

Одним из перспективных путей увеличения КПД радиолиза может явиться использование повышенных плотностей нейтронного потока—до 1015—<1016 см-^с-1, которые могут быть реализованы в устройствах термоядерного синтеза. Определенный интерес представляет также путь комбинированного использования тепловой и радиационной составляющих энергии ядерного реактора [100]. В этом варианте за счет радиационного воздействия осуществляется наиболее энергоемкая стадия разложения паров воды на активные частицы (ионы, атомы, радикалы), а тепловая составляющая стимулирует химические реакции активных частиц, приводящие к образованию целевого продукта. Терморадиационное разложение водяного пара в атомном реакторе можно условно разделить на три стадии: испарение воды и подогрев водяного пара до нужной температуры за счет теплоты реактора; радиационное разложение пара за счет кинетической энергии осколков деления и накопление активных частиц; конверсия активных частиц в молекулярный водород в оптимальном температурном режиме за счет реакций активных частиц между собой и с молекулами воды.

Глава шестая

Хранение, транспорт и распределение

водорода

Проблема крупномасштабного хранения, транспорта и распределения водорода начала активно разрабатываться сравнительно недавно. До последнего времени крупномас-

штабное производство водорода (в основном из природных топлив) и его потребление осуществлялось на одних и тех же предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Товарный же водород производился в столь незначительных количествах, что проблемы его крупномасштабного хранения, транспорта и распределения не возникало. С увеличением производства и использования водорода в различных отраслях народного хозяйства в перспективе эти проблемы будут становиться все более актуальными. Бурное развитие работ в области водородной энергетики в последние годы вызвало появление многих новых разработок в этой области [103]. Развитие ракетной техники с использованием водорода в качестве ракетного топлива привело к необходимости разработки эффективных методов крупномасштабного хранения и транспорта жидкого водорода.

Проблема хранения, транспорта и распределения водорода в качестве энергоносителя и сырья весьма сложна и многогранна. Применение для этого того или иного метода определяется необходимым количеством транспортируемого водорода, передаваемой мощностью, расстоянием, характеристиками и режимами работы производителя и потребителя водорода и многими другими факторами.

Водород можно транспортировать, хранить и распределять в газообразном виде при низких и высоких давлениях, в сжиженном состоянии при температурах ниже 30 К, в адсорбированном на криоадсорбентах состоянии при температурах около 70—100 К, в связанном твердофазном состоянии в виде гидридов, обратимо поглощающих и отдающих водород, в химически связанном состоянии. Ниже мы кратко рассмотрим возможности этих ме^-тодов, в первую очередь для крупномасштабных операций хранения, транспорта и распределения водорода.

6.1. Хранение, транспорт и распределение газообразного водорода

В малых количествах газообразный водород может храниться и транспортироваться в стандартных баллонах под давлением до 20 МПа.

Этот способ хорошо освоен и давно применяется, однако при необходимости хранения больших количеств водорода он становится неэкономичным в связи с большими капитальными затратами, большими удельными затратами энергии на сжатие водорода, плохими весовыми характеристиками. Повышение давления в баллонах приводит к

164

уменьшению этих затрат И улучшению весовых характеристик баллонов. В настоящее время разработаны и применяются для хранения газообразного водорода при давлении

страница 32
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53

Скачать книгу "Введение в водородную энергетику" (2.73Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [прайс-листы]  [форум]  [обратная связь]

 

 

Реклама
закон 902 о рекламе
купить табурет чарли
Кликни на компьютерную фирму KNS, получи скидку по промокоду "Галактика" - купить мфу лазерный дешево - Самое выгодное предложение!
004.040702.005

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(06.12.2016)