Что можно получить из воды. Получение водорода электролизом воды

В качестве перспективного горючего водород начал рассматриваться уже в середине прошлого века, а до этого он успел поработать в дирижаблях и сварочных аппаратах, ныне же часто трудится в роли одного из самых эффективных аккумуляторов энергии. Внедрение водорода в качестве горючего долго тормозилось его взрывоопасностью, а самое главное, себестоимостью его добычи. Но скоро ситуация может резко измениться
Впервые водород в чистом виде выделил 240 лет назад английский химик Генри Кавендиш. Свойства полученного им газа были настолько удивительны, что ученый принял его за легендарный «флогистон», «теплород» — вещество, по канонам науки того времени определявшее температуру тел. Он прекрасно горел (а огонь считался почти чистым флогистоном), был необычайно легок, в 15 раз легче воздуха, хорошо впитывался металлами и так далее. Однако другой великий химик, француз Антуан-Лоран Лавуазье, уже в 1787 году доказал, что полученное Кавендишем вещество — вполне обычный, хотя и очень интересный химический элемент. Свое название водород получил оттого, что при горении давал не дым, сажу и копоть, а воду. Кстати, именно эта его особенность больше всего привлекает сегодняшних экологов и «зеленых».
Вплоть до конца XIX века получение водорода было делом достаточно хлопотным. Добывали его в мизерных количествах, растворяя обычные металлы в кислотах, а также щелочные и щелочноземельные в воде. Только после того, как электричество начали производить в промышленных масштабах, появилась возможность относительно легко добывать его тоннами с помощью электролиза. Выглядит электролитический процесс примерно так: в ванну с водой опускают два электрода, на одном — положительный потенциал, на другом — отрицательный. На плюсе в результате прохождения тока выделяется кислород, а на минусе — водород.
Наработав в достаточном количестве этот легкий газ, люди сначала приспособили его для воздушных полетов. В этом качестве первый элемент Таблицы Менделеева применяли вплоть до 1937 года, когда в воздухе сгорел крупнейший в мире, в два футбольных поля размером, заполненный водородом немецкий дирижабль «Гинденбург». Катастрофа унесла жизни 36 человек, и на таком использовании водорода был поставлен крест. С тех пор аэростаты заправляют исключительно гелием. Гелий — газ, увы, более плотный, но зато негорючий.

Погремушка
В 1944 году американские военные попытались использовать его в качестве ракетного топлива. Помешала делу высокая взрывоопасность газа: стоило совсем немного отклониться от нормальной работы двигателей или допустить малейшую протечку, и мирный водород мигом превращался в зловещий «гремучий газ». В результате ракеты не долетали до цели, взрываясь прямо на старте. По той же причине американцам не удалось в 50-е годы прошлого века построить водородный самолет, а в 70-е, во времена нефтяного кризиса, — водородный эсминец.

В этом смысле дела в СССР, основном тогдашнем конкуренте Штатов в области водородной энергетики, были более успешны. Советские ученые решили добывать из водорода энергию в виде электричества, напрямую окисляя его в водной среде, а не поджигая в смеси с кислородом. Для этого они использовали топливные элементы, в которых водород на специальной ионообменной мембране соединялся с кислородом, в результате чего получались вода и электричество. Технология оказалась настолько удобной, что сейчас без участия топливных элементов не проходит ни одна серьезная космическая экспедиция.

Движки-универсалы
Немного позже ученые все же придумали, как использовать водород в качестве именно горючего и при этом не взорваться. В газ стали добавлять специальные присадки-ингибиторы (химические «тормоза»). Например, пропилен. Всего один процент этого дешевого газа — и водород из грозного оружия превращается в безопасный газ. В результате уже в 1979 году компания BMW выпустила первый автомобиль, вполне успешно ездивший на водороде, при этом не взрывавшийся и выпускавший из выхлопной трубы водяной пар. В эпоху усиливающейся борьбы с вредными выхлопами машина была воспринята как вызов консервативному автомобильному рынку. Вслед за BMW в экологическую сторону потянулись и другие производители. К концу века каждая уважающая себя автокомпания имела в запаснике хотя бы один концепт-кар, работающий на водородном топливе.
Баварские автомобилестроители в рамках программы CleanEnergy («чистая энергия») приспособили под езду на Н2 несколько «семерок» и MINI Cooper. Оборудованная 4-литровым двигателем водородная «семерка» развивает мощность в 184 лошадиные силы и проходит на одной заправке (170 литтров жидкого водорода «под завязку») 300 км. Mazda «подсадила» на водород свой знаменитый спорт-кар RX-8. В таком экологически чистом варианте он называется Mazda RX-8 HRE (Hydrogen Rotary Engine). Все эти машины могут ездить и на водороде, и на бензине.

Если BMW и Mazda пока чередуют два вида топлива, некоторые научились их совмещать. По дорогам США уже ездит множество седельных тягачей, в дизельных сердцах которых пылает соляро-водородная смесь. В результате мощность двигателя вместе с чистотой выхлопа растут, а расход топлива снижается на 10%. Оборудованную системой HFI (Hydrogen Fuel Injection — водородный топливный впрыск) машину не надо даже заправлять этим газом, достаточно залить в небольшой бачок несколько литров воды. Система сама проведет электролиз, соберет водород и направит его в камеру сгорания. Эффект заключается в том, что в смеси с водородом солярка сгорает значительно эффективнее.
Но большинство производителей пошли по пути создания электромобилей на топливных элементах. Ибо кроме «экологичности» у них есть масса других преимуществ. Например, гораздо более высокий (до нескольких раз) КПД двигателя или бесшумность.
А больше всех новым топливом заинтересовались японцы. И это понятно. Эта страна, практически лишенная хоть каких-нибудь природных запасов нефти и газа, обладает неограниченными объемами сырья для водорода (в виде океанской воды) и поистине завидной сообразительностью населения. А поэтому здесь водородные аналоги есть практически у любого вида техники — от работающего на топливных элементах локомотива до человекоподобного робота SpeecysFC. К тому же японцы вовсю ведут разработки топливных элементов для ноутбуков и мобильных телефонов. Компания NEC еще в 2001 году создала первый рабочий прототип мобильного топливного элемента PEFC. «Батарейка» выдает «на-гора» в 10 раз больше энергии, чем стандартный литиево-ионный аккумулятор. Правда, заряжается она метанолом: в специальной камере под действием катализаторов и температуры (85 градусов по Цельсию) из него извлекается водород, который и «допускается» к энергопроизводящей мембране. Такая система работы связана с тем, что хранить водород не так-то просто.

Энергетические консервы
Пока человек не научился получать дешевый водород напрямую, без использования электричества, к этому газу можно относиться лишь как к аккумулятору энергии — этакой копилке мегаджоулей. Ведь всего двадцать грамм водорода способны совершить столько же работы, сколько полностью заряженный автомобильный аккумулятор. Однако и в этом качестве у него существует множество конкурентов. Всю свою историю человек разрабатывал новые способы сбора и хранения энергии. С самым простым видом такого накопителя мы сталкиваемся всякий раз, когда заводим механические часы. Главное достоинство металлической пружины — простота конструкции, однако по плотности накопленного она стоит в самом конце рейтинга энергетических аккумуляторов. Самая лучшая пружина не может «сохранить» более 0,5 кДж на килограмм своего веса. Обычная резинка способна «собрать» в 8 раз больше. Еще более емкими являются детали, которые электрики часто так и называют «емкость». Правильное название — конденсатор. Тут уже можно с килограмма получить 12 кДж. Следом за конденсаторами в линейке накопителей идут газовые и гидрогазовые. Их конструкция довольно сложна, используют эти устройства довольно редко (исключение — гидравлические дверные доводчики). Зато электрические «пиробатарейки» с неводным электролитом (энергоемкость — до 70 кДж/кг) человек использует сплошь и рядом. При большой температуре емкость и энергоотдачу такого источника можно повысить на порядок. Промышленный «горячий электрический аккумулятор» «запасает» от 400 до 700 кДж на килограмм. Однако высокая, до 800 градусов, рабочая температура и выделение ядовитого хлора делают его малопригодным для гражданского использования. Зато огромный срок хранения в холодном состоянии и быстрый выход на рабочий режим очень нравятся военным, которые такие батареи активно используют в составе стоящих на боевом дежурстве ракет и прочей техники быстрого реагирования. Настоящим «королем накопителей» следует признать обычный маховик. Юлу, которую мы знаем с детства. Тут уже речь идет о цифрах в тысячи и десятки тысяч килоджоулей. Хороший промышленный накопитель из углепластика способен «запасать» таких килоджоулей до 15 000. И это не предел. На самом деле энергоемкость такого маховика определяется только прочностью конструкции. Незадолго до начала Великой Отечественной войны на одном из наших оборонных заводов разорвало установленный в подвале маховик. Осколок маховика весом примерно 300 кг, пробив все потолочные бетонные перекрытия, улетел в небо, а упав обратно, во второй раз, пробил крышу — такая огромная энергия была в нем накоплена.

Камеры хранения

Так выглядит 3d орбиталь в атоме водорода. Согласно квантовой механике у электрона нет четкой траектории движения, и орбиталь — это та область пространства, где его пребывание наиболее вероятно
Сейчас водородное топливо сберегают тремя способами: в сжатом виде, в сжиженном и в металлогидридах. Самое простое, конечно, — закачать водород в бак мощным компрессором. В баках той же Mazda водородное топливо содержится под давлением 350 атмосфер. Но способ этот, будучи самым дешевым, и самый небезопасный. При таком высоком давлении любая слабинка в системе грозит протечкой газа. А где протечка, там пожар, а то и взрыв.
Более надежный и практичный способ — держать водород в жидком виде. Но для этого его нужно охладить до -253 градусов Цельсия. В BMW топливо хранится именно в таком виде: поэтому почти половину топливной системы занимает мощнейшая теплоизоляция. И все равно, стоит оставить машину на стоянке, скажем, на недельку, и она встретит вернувшегося хозяина с пустыми баками. Никакая изоляция не может полностью защитить систему от нагрева. В результате водород начинает испаряться, давление в баке растет, и газ просто стравливается в атмосферу через предохранительный клапан. По техническим условиям полная заправка испаряется всего за три дня…
Самый перспективный способ — хранение в металлогидридных композициях. Водород, оказывается, очень хорошо растворяется металлами, как вода впитывается губкой. Причем он поглощается в огромных объемах, значительно превосходящих объемы «губки». Такие «напитанные» водородом металлы называются металлогидридами. При охлаждении они вбирают водород, при нагревании — активно его отдают. В прошлом году специалисты из американской Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории создали материал на основе борана аммиака, способный впитывать и отдавать уже при 80 градусах водород со скоростью, в сто раз превышающей те, что были доступны раньше. А Танер Иилдирим из американского Национального института стандартов и технологий вместе с Салимом Сайраки из турецкого университета Билкента разработали материал, способный впитывать газообразный водород в количестве до 9 000 литров на 10-килограммовый элемент! Это особый кристаллический нанокомплекс, состоящий из микроскопических, инкрустированных снаружи титаном, углеродных нанотрубок, каждая из которых в 5 000 раз тоньше человеческого волоса. Изготовить такой углеродно-титановый «накопитель» человек уже может, но стоит он слишком дорого. Пока. Однако заметим, что и персональный компьютер еще совсем не так давно стоил, как хороший автомобиль.
Казалось бы, человечество уже готово перепрыгнуть в водородную эпоху. Новое топливо устраивает и ученых, и экологов, и предпринимателей, и политиков, и простых людей. И перейти на него мешает всего одна проблема. Пока что совсем не понятно, где этот водород брать.

Как стать новым кувейтом
Получение водорода электролизом — малоперспективно. Ведь для того чтобы разложить воду на составляющие, нужно электричество, а его производят… правильно, сжигая в основном ту же нефть. Запасы природного газа, из которого можно выделять водород температурным разложением, тоже не бесконечны.
Экологи предлагают для производства водорода использовать только чистую энергию ветра и солнца, однако все эти прожекты не слишком реалистичны. Английские специалисты посчитали, что для того, чтобы перевести весь автотранспорт острова на такой «чистый» Н2, надо будет застроить несколькими рядами ветряков всю береговую полосу страны. С солнечной энергией тоже не совсем получается: фотоэлементы очень дороги, а при их производстве вредных отходов получается столько, что уж лучше нефть жечь. Строго говоря, самые популярные сейчас полупроводниковые солнечные батареи дороги прежде всего потому, что для выплавки, очистки и обработки кремния, из которого их делают, нужно больше энергии, чем они способны выработать в течение всего своего срока службы. Остается «мирный атом», но для того, чтобы произвести из воды необходимое английским автолюбителям количество водорода, на острове нужно построить более 100 новых АЭС — не самое привлекательное решение, если оценить размер необходимых инвестиций и проблему с утилизацией или захоронением отходов.
Ученые и изобретатели пытаются обойти проблему, выводя специальные породы бактерий, вырабатывающих водород, и покрывая крыши гаражей особыми солнечными элементами, в которых вода разлагается на водород и кислород без промежуточной электрической стадии. Химики из британского Университета Лидса предлагают даже извлекать водород из подсолнечного масла. Но очевидно, что все это — лишь временные решения.
Выходит, мы в тупике? Не совсем. Вообще, водород во Вселенной — самый распространенный элемент. Она состоит из него на 70%. А вот на Земле, как ни странно, этот элемент в свободном виде в дефиците: всего 3—4%. А может, его все-таки больше? Вот тут-то мы и подходим к самому интересному.
Еще в 70-х годах прошлого века известный геолог Владимир Ларин разработал теорию, поддержанную многими учеными и никем пока не опровергнутую, которая утверждает, что водорода у нас много больше. Не просто больше, его у нас — целый океан, до которого надо только добраться. И сделать это не так сложно. Достаточно пробурить несколько пяти-шестикилометровых скважин в нужных местах. За разработку этой концепции Ларин получил докторскую степень.
Суть теории заключается в том, что ядро нашей планеты состоит не из железа, как считалось ранее, а из металлогидридов. Из предельно насыщенных водородом магния и кремния и уж только потом — из железа. Собственно, никаких доказательств того, что ядро Земли железное, нет. Ученые еще в начале прошлого века выяснили, что оно состоит из некоего плотного металла, и посчитали, что этим металлом является железо. Зато доказательств металлогидридной теории — масса. Вулканы и земные разломы выбрасывают в атмосферу водород именно так, как требует металлогидридная теория и вопреки тому, что постулирует железная. На основе своей теории Ларин верно предсказал появление в базальтовых породах самородных металлов. Ею легко объясняются загадочные скачки плотности земной мантии на глубинах в 400, 670 и 1 050 км.
Но самое главное в этой теории вот что. На суше есть несколько точно установленных мест, в которых земная кора имеет толщину всего 5—10 км (обычно же — 100—150). Это так называемые области рифтогенеза. По теории Ларина, пробурив в этих местах несколько скважин, можно добраться до металлогидридного слоя. И тогда, закачивая в одну из скважин воду, из других можно будет получать чистый водород в практически неограниченных количествах. Причем нужный газ будет не только отдаваться металлогидридами, но и получаться благодаря соединению щелочноземельного магния с водой. Расчеты, сделанные учеными Сибирского отделения АН СССР в 1989 году, показали, что в случае правильности металлогидридной теории участок в 20 км2 даст за год водорода столько, что им можно будет заменить 400 млн. тонн нефти. А это, между прочим, больше, чем сейчас добывает вся Россия.
В том же 1989 году в Геологическом институте состоялось совещание под патронатом Академии наук, где заслушали доклад Ларина и постановили: «Рекомендовать сверхглубокое бурение (до 10—12 км) в области современного рифтогенеза… Предложить в качестве объекта Тункинскую впадину, где бурение может иметь исключительно большое значение для энергетики и экологии, так как позволит оценить и проверить научно обоснованную возможность обнаружения принципиально нового и экологически чистого энергоресурса, могущего составить конкуренцию традиционным энергетическим источникам…» Тункинская впадина — место недалеко от Байкала, где толщина земной коры составляет всего 4—5 км. На Земле подобных мест немного. Кроме этой впадины подходящие для бурения зоны есть в Исландии, Израиле (на зависть арабским нефтешейхам), на западе Канады и в США, в штате Невада.
Жаль, но тогда, в конце 80-х и начале 90-х, до «водородного» бурения дело не дошло. Стране стало не до экспериментальных скважин. Сегодня, когда нефть является «нашим всем», никто добывать водород особо не стремится, предлагая, как в том старом анекдоте, изобретателю бесплатного нефтезаменителя в награду за открытие на выбор либо расстрел, либо четвертование. Единственный из российских олигархов, вкладывающий серьезные деньги в развитие водородной энергетики, — абсолютно не нефтяной никелевый король Владимир Потанин. В апреле этого года он купил за 241 млн. долл. 35% акций убыточной американской компании Plug Power, занимающейся выпуском топливных элементов. Аналитики говорят, что это самые большие частные инвестиции из тех, что знает история водородной энергетики. А в 2003 году партнер олигарха Михаил Прохоров на совместном заседании президиума АН России и правления «Норильского никеля» заявил, что «если страна уже сегодня не предпримет попытки дерзкого прорыва в «водородную эру», то через пятнадцать лет она окажется в тяжелейшей депрессии, ибо ее нефть окажется ненужной миру».
Не исключено, что он был прав. Человеку свойственно быстро расставаться с менее удобными вещами в пользу более удобных. Вспомните, сколько лет ему понадобилось на то, чтобы сменить виниловые пластинки на компакт-диски. А сколько ушло на то, чтобы опутать мир сетью Интернет? А за какой срок нашу цивилизацию покорили мобильные телефоны? Что бы там ни говорили скептики, но если человечество получит дешевый водород в достаточных количествах, то переход на него произойдет не более чем за десятилетие. Это — всего лишь среднее время «жизни» обычного автомобиля.
Для нас главное — успеть пробурить к тому времени Тункинскую скважину.

Производство водорода – одна из главных образующих цепочек водородной энергетики. Водород в чистом виде, практически не встречается в природе, поэтому он должен извлекаться из других химических веществ различными методами и способами.

Как получить водород: методы

• Паровая конверсия метана и природного газа: водяной пар при высокой температуре (700 – 1000 градусов Цельсия) смешивается с метаном под давлением, в присутствии катализирующего вещества.
• Газификация угля: один из старейших способов получения водорода. Без доступа воздуха, при температуре 800 – 1300 градусов Цельсия нагревают уголь вместе с водяным паром, при этом из воды уголь вытесняет кислород. На выходе получается углекислый газ и водород.
• Электролиз воды.: очень простой способ получения водорода. В емкость наливается раствор соды, в который помещается 2 электрических элемента, один соответствует минусу – катод, другой плюсу – анод. В данный раствор подается электричество, которое разлаживает воду на составляющие – водород выделяется на катоде, а кислород на аноде.
• Пиролиз: разложение воды на водород и кислород без доступа воздуха и при высокой температуре.
• Частичное окисление: сплав металлов алюминия и галлия формируют в специальные брикеты, которые помещают в емкость с водой, в результате химической реакции образуется водород и окись алюминия. Галлий используется в сплаве для предотвращения окисления алюминия.
• Биотехнологии: еще в 20 веке было обнаружено, что если водорослям хламидомонадам не будет хватать кислорода и серы в процессе жизнедеятельности, то они бурно начнут выделять водород.
• Глубинный газ планеты: в недрах земли водород может находится в чистом газообразном виде, но его выработка оттуда не целесообразна.

Как из воды получить водород

Наиболее простым способом получения водорода из воды является электролиз. Электролиз - химический процесс, при котором раствор электролита, под воздействием электрического тока, разделяется на составные части, то есть в нашем случае вода разделяется на водород и кислород. Для этого используется раствор соды в воде и два элемента – катод и анод, на которых и будут выделятся газы. На элементы подается напряжение, на аноде выделяется кислород, а на катоде водород.

Как получить водород в домашних условиях

Реактивы используются довольно простые – купорос (медный), поваренная соль, алюминий и вода. Алюминий можно взять из под пивных банок, но прежде, его нужно обжечь, чтобы избавится от пластиковой пленки, которая мешает реакции.

Потом отдельно готовится раствор купороса, и раствор соли, раствор купороса голубого цвета, смешивается с раствором соли, в итоге получается раствор зеленого цвета. Затем в этот зеленый раствор бросаем кусочек алюминиевой фольги, вокруг него появляются пузырьки – это водород. Также замечаем, что фольга покрылась красным налетом, это алюминий вытеснил медь из раствора. Для того, чтобы собрать водород для личных целей, используйте бутылку с пробкой, в которую заранее вставлена не широкая трубка, через которую и будет выходить газ.

А теперь, внимание! Меры предосторожности. Поскольку водород взрывоопасный газ, опыты с ним нужно проводить на улице, а во-вторых реакция получения водорода проходит с большим выделением тепла, раствор может разбрызгиваться и вас попросту обжечь.

Как получить перекись водорода

• В лаборатории перекись водорода получают с помощью реакции: ВаО 2 + Н 2 SО 4 = BaSO 4 + H 2 O 2 .
• В промышленных масштабах ее получают с помощью электролиза серной кислоты, в процессе которого образуется надсерная кислота, которую, в итоге, разлаживают на серную кислоту и перекись водорода.
• Как получают водород в лаборатории еще: часто водород в лаборатории получают взаимодействием цинка и соляной кислоты: Zn + 2HCl = H 2 + ZnCl 2 .

Надеюсь, с этой статьи вы вынесли ту информацию, которая вам была необходима, и еще раз предупреждаю – будьте осторожны с любыми опытами и экспериментами с водородом!

Водородная энергетика возникла как одна из линий развития НТП в 70-х годах предыдущего столетия. По мере расширения области исследований, касающихся получения, перевозки и хранения, а также использования водорода, становились очевиднее экологические преимущества технологий получения водорода в разных сферах народного хозяйства. Эффективность развития некоторых водородных технологий (топливные элементы, металлогидридные системы, транспортные водородные системы и т.д.) показали, что применение водорода дает совершенно новые качественные показатели в функционировании агрегатов и систем.

Проведенные технико-экономические тестирования показали, что, несмотря на то, что элемент водород – вторичный носитель энергии, то есть он дороже по стоимости, чем природные топлива, его использование в некоторых случаях экономики уже сегодня целесообразно. Поэтому работы в отрасли водородной энергетики в большинстве странах, тем более с развитой промышленностью, считаются приоритетными направлениями развития техники и науки. Они все больше поддерживаются финансами со стороны государства и частного капитала.

Свойства водорода

При нормальных условиях в свободном состоянии водород представлен бесцветным газом, не имеющим и запаха. Водород имеет плотность относительно воздуха 1/14. Обычно он встречается в комбинации с остальными элементами, например, углерода в метане, кислорода в воде, в разных органических соединениях. Поскольку водород чрезвычайно активен химически, он редко находится в несвязанном виде.

Водород, охлажденный до состояния жидкости, занимает 1/700 объема состояния в газообразном виде. При его соединении с кислородом, водород имеет максимально большое содержание энергии на одну единицу массы: 120,7 ГДж/т. Это является одной из нескольких причин, почему водород в жидком виде применяется в качестве ракетного топлива и служит энергетикой для современных космических кораблей, для которой большое удельное содержание энергии водорода и малая молекулярная масса имеет большое значение. В чистом кислороде при сжигании единственные продукты – это вода и тепло высокой температуры. Так, в случае применения водорода не выделяются вредные парниковые газы и даже не происходит нарушение в природе круговорота воды.

Производство водорода

Ресурсы водорода, которые содержатся в воде и в органическом веществе, почти неисчерпаемы. Разрыв данных связей дает возможность для получения водорода, после чего водород применяется для топлива. Разработано множество процессов по разделению воды на составные части.

Вода при нагревании более 2500°С начинает разлагаться на кислород и водород (прямой термолиз). Такую высокую температуру получают, например, при помощи концентраторов энергии солнца. Здесь проблема состоит в том, чтобы не допустить рекомбинацию кислорода и водорода.

Сегодня в мире основная часть получаемого водорода в промышленном масштабе получается в ходе паровой конверсии метана (ПКМ). Таким образом, получение водорода дает возможность применять его как реагент для процесса очистки нефти и в качестве составляющей азотных удобрений и для ракетной техники. Тепловая энергия и пар при температурах 750-800°С необходимы для выделения водорода из углеродной основы в метане, что и случается на каталитических поверхностях в химических реформерах. Самая первая ступень ПКМ процесса разделяет водяной пар и метан на моно оксид углерода, а также водород. На второй ступени в процессе «реакции сдвига» моно оксид углерода и вода преобразуются в водород и диоксид углерода. Данная реакция протекает при 200-250°С.

В СССР в 30-е годы в промышленных масштабах получали синтез-газ благодаря паровоздушной газификации угля. Сегодня в ИПХФ РАН, расположенном в Черноголовке, создается технология для газификации угля в сверхадиабатическом режиме. Данная технология дает возможность преобразовывать энергию тепла угля в тоже тепловую энергию синтез-газа с КПД 98%.

Начиная с 70-х годов предыдущего века, в нашей стране были сделаны и получили научно-техническое объяснение и подтверждение путем эксперимента проекты гелиевых высокотемпературных реакторов (ВТГР) энерготехнологических атомных станций (АЭТС) для черной металлургии и химической промышленности: АБТУ-50, а затем – проект атомной энергетической станции с реактором ВГ-400, мощность которой 1060 МВт для химико-ядерного комплекса по получению водорода и смесей, содержащих его, по выпуску метанола и аммиака, еще несколько проектов в данном направлении.

Базой для всех проектов ВТГР стали разработки ядерных двигателей для ракет на базе водорода. Испытательные высокотемпературные реакторы, выпущенные в нашей стране для данных целей, а также ядерные демонстрационные двигатели для ракет показали работоспособность при нагревании водорода до максимальной температуры 3000К.

Высокотемпературные реакторы на основе гелиевого теплоносителя – новейший тип универсальных экологически чистых атомных энергетических источников, уникальные характеристики которых – способность получать тепло при температурах выше 1000°С и высочайший уровень безопасности – определяют невероятные возможности их применения для получения в газотурбинном цикле электрической энергии с большим КПД и для обеспечения высокотемпературным теплом и электроэнергией производственных процессов получения водорода, технологических процессов нефтеперерабатывающей, химической, металлургической и других отраслей, для процессов опреснения воды.

Самым современным в этой области считается международный проект ГТ-МГР, разрабатывающийся общими стараниями отечественных институтов и компании GA из США. Также с проектом сотрудничают компании Фуджи электрик и Фраматом.

Получение атомного водорода

Источником атомного водорода являются вещества, которые отщепляют атомы водорода при их облучении. В процессе облучения ультрафиолетом, например, йодистого водорода начинает протекать реакция с выделением атомного водорода.

Для выделения атомного водорода используется термическая диссоциация молекулярного водорода на палладиевой, платиновой проволоке или проволоке из вольфрама, нагретой при давлении меньше 1,33 Па в атмосфере водорода. Разделения водорода на атомы удается достигнуть также, применяя радиоактивные вещества. Есть метод синтеза атомного водорода в электрическом высокочастотном разряде с дальнейшим вымораживанием молекулярного водорода.

Физические варианты способов получения водорода из смесей, содержащих его

Водород в значимых количества имеется во многих смесях газов, в коксовом газе, например, который выделяется при пиролизе бутадиена, в получении дивинила.

Чтобы выделить водород из смесей газов, содержащих водород, применяют физические методы концентрирования и выделения водорода.

Фракционирование и низкотемпературная конденсация. Данный процесс описывается высокой степенью получения водорода из газовой смеси и выгодными экономическими показателями. Как правило, при давлении газа 4 МПа для выделения 93-94%-ного водорода температура должна составлять 115К. При содержании в исходном газе водорода больше 40% степень его получения может достигать 95%. Затрата энергии на концентрирование Н2 70-90% приравнивается к 22 кВт.ч на 1000 м3 получаемого водорода.

Адсорбционное выделение. Данный процесс происходит с помощью использования молекулярных сит, адсорберов, работающих циклически. Его можно реализовывать под давлением, равным 3-3,5 МПа с извлечением до 80-85% Н2 в виде 90%-го концентрата. В сравнении с низкотемпературным способом получения водорода для осуществления данного процесса нужно приблизительно на 25-30% меньше материальных затрат и на 30-40% меньше эксплуатационных.

Адсорбционное производство водорода с использованием жидких растворителей. В некоторых случаях способ подходит для получения водорода в чистом виде. Данный метод позволяет извлекать до 80-90% водорода, который содержится в первоначальной смеси газов, а также достигать его концентрации в конечном продукте до 99,9%. Затраты энергии на получение водорода достигают 68 кВт.ч на 1000 м3 Н2.

Получение водорода путем электролиза воды

Электролиз воды – это один из распространенных и хорошо изученных способов получения водорода. Он гарантирует получение продукта в чистом виде (99,6-99,9% Н2) за одну технологическую ступень. На получение водорода в затратах на производство стоимость электроэнергии составляет около 855.

Данный способ применяется в нескольких странах, которые имеют значительные запасы недорогой гидроэнергии. Крупнейшие электрохимические комплексы располагаются в Индии, Канаде, Норвегии, Египте, но созданы и функционируют множество мелких установок в разных странах мира. Этот способ считается важным еще и потому, что он наиболее универсален относительно применения первичных энергетических источников. В связи с распространением атомной энергетики стал возможен новый расцвет процессов электролиза воды за счет недорогой электрической энергии атомных электростанций. Ресурсы электроэнергетики сегодня недостаточны для синтеза водорода как продукта для дальнейшего использования в энергетике.

Электрохимический метод получения водорода из воды имеет следующие преимущества:

1. Высокая чистота водорода в конечном продукте – до 99,99% и более;

2. Легкость и постоянство технологического процесса, можно автоматизировать процесс, в электролитической ячейке нет движущихся частей;

3. Возможность получения очень ценных дополнительных продуктов – кислорода и тяжелой воды;

4. Неисчерпаемое и доступное исходное сырье – вода;

5. Возможность получения водорода прямо под давлением;

6. Физическое распределение кислорода и водорода в ходе электролиза.

Во всех приведенных примерах получения водорода путем разложения воды побочным продуктом являются большие объемы кислорода. Это открывает новые возможности для его использования. Он сможет найти свое место не только в качестве ускорителя процессов технологии, но и в качестве незаменимого очистителя водоемов. Данная область применения кислорода может распространиться и на почву, атмосферу и воду. Сгорание в кислороде увеличивающихся количеств бытовых отходов поможет решить вопрос твердых отбросов крупных городов.

Еще один ценный продукт электролиза воды – тяжелая вода – прекрасный замедлитель нейтронов во всех атомных реакторах. Данная тяжелая вода может применяться в качестве сырья для синтеза дейтерия, который служит материалом для термоядерной энергетики.

Актуальность этого вопроса на сегодняшний день достаточно высока по причине того, что сфера использования водорода чрезвычайно обширна, а в чистом виде он практически нигде в природе не встречается. Именно поэтому было разработано несколько методик, позволяющих осуществлять добычу этого газа из других соединений посредством химических и физических реакций. Об этом и рассказывается в приведенной статье.

Способы получения водорода в промышленных условиях

Добыча путем конверсии метана . Вода в парообразном состоянии, предварительно нагретая до 1000 градусов по Цельсию, смешивается с метаном под давлением и в присутствии катализатора. Способ этот интересный и проверенный, также надо отметить, что он постоянно совершенствуется: ведется поиск новых катализаторов, более дешевых и эффективных.

Рассмотрим самый древний метод получения водорода - газификацию угля . При условии отсутствия доступа воздуха и температуре в 1300 градусов Цельсия, нагревают уголь и водяной пар. Таким образом, происходит вытеснение водорода из воды, и получается углекислый газ (водород будет наверху, углекислый газ, также получаемый в результате проводимой реакции, – внизу). Таким будет разделение газовой смеси, все очень просто.

Получение водорода путем электролиза воды считается самым простым вариантом. Для его осуществления необходимо залить в емкость раствор соды, поместить также туда два электрических элемента. Один будет заряжен положительно (анод), а второй – отрицательно (катод). При подаче тока водород отправится на катод, а кислород - на анод.

Получение водорода по методике частичного окисления . Для этого используется сплав алюминия и галлия. Его помещают в воду, что приводит к образованию водорода и оксида алюминия в процессе реакции. Галлий необходим для того, чтобы реакция произошла в полном объеме (этот элемент не позволит алюминию окислиться преждевременно).

В последнее время приобрела актуальность методика использования биотехнологий : при условии недостатка кислорода и серы, хламидомонады начинают интенсивно выделять водород. Очень интересный эффект, который сейчас активно изучается.

Не стоит забывать и еще один старый, проверенный метод добычи водорода, который заключается в использовании разных щелочных элементов и воды. В принципе, эта методика осуществима в лабораторных условиях при наличии необходимых мер безопасности. Таким образом, в ходе реакции (она протекает при нагревании и с катализаторами) образуется оксид металла и водород. Остается только его собрать.

Получить водород путем взаимодействия воды и угарного газа можно только в промышленных условиях. Образуется углекислый газ и водород, принцип их разделения описан выше.

Возможно ли получить водород в лабораторных или домашних условиях?

Сделать это можно, однако лучше не стоит. Причиной тому является взрывоопасность водорода. Кроме того, все реакции с его выделением являются экзотермическими, то есть сопровождаются интенсивным выделением тепла. В том случае, если вы решили синтезировать водород в домашних условиях и отступать от своих намерений не собираетесь, то делать это надо будет на улице. Если возникнет аварийная ситуация, так меньше будет пострадавших. В лучшем случае вы отделаетесь только ожогами от тепла, которое возникнет в ходе химической реакции.

Для того чтобы добыть водород в домашних условиях, используется несколько реагентов: медный купорос, кухонная соль, алюминий и вода. Сам процесс включает в себя несколько этапов.

1. Необходимо смешать раствор купороса с раствором хлорида натрия, в результате чего получится раствор зеленого цвета.
2. В приготовленный раствор помещаем алюминий.
3. Скопившиеся вокруг алюминия пузырьки – не что иное, как водород. Когда алюминиевая фольга покроется красным налетом, это будет свидетельствовать о том, что медь полностью вытеснена алюминием из раствора.

Опять-таки, если вы решили работать над получением водорода в домашних условиях, то необходимо позаботиться о том, чтобы в результате вашей деятельности не пострадали окружающие. показано, какие интересные и безопасные опыты с водородом можно провести дома.

В ограниченном масштабе применяют способ взаимодействия водяного пара с фосфором и термического разложения углеводородов:

СН 4 (1000 °С) = С + 2 Н 2 (выделяется в виде газа).

В некоторых случаях водород получают в результате каталитического расщепления метанола с водяным паром

СН 3 ОН + Н 2 О (250 °С) = СО 2 + 3 Н 2 ,

или в результате каталитического термического разложения аммиака

2 NH 3 (950 °С) --> N 2 + 3 H 2 .

Однако эти исходные соединения получают в больших масштабах из водорода; между тем получение из них водорода является особенно простым и может быть использовано в таких производствах, которые потребляют его в сравнительно малых количествах (менее 500 м 3 /сутки).

Важнейшие методы получения водорода.

1. Растворение цинка в разбавленной соляной кислоте

Zn + 2 HCl = ZnCl 2 + H 2

Этот способ чаще всего применяют в лабораториях.

Вместо соляной кислоты можно также использовать разбавленную серную кислоту; однако если концентрация последней слишком высока, то выделяющийся газ легко загрязняется SO 2 и H 2 S. При использовании не вполне чистого цинка образуются ещё и другие соединения, загрязняющие водород, например AsH 3 и PH 3 . Их присутствие и обусловливает неприятный запах получаемого этим способом водорода.

Для очистки водород пропускают через подкисленный раствор перманганата или бихромата калия, а затем через раствор едкого кали, а также через концентрированную серную кислоту или через слой силикагеля для освобождения от влаги. Мельчайшие капельки жидкости, захваченные водородом при его получении и заключённые в пузырьках газа, лучше всего устранять при помощи фильтра из плотно спрессованной обычной или стеклянной ваты.

Если приходится пользоваться чистым цинком, то к кислоте необходимо добавить две капли платинохлористоводородной кислоты или сернокислой меди, иначе цинк не вступает в реакцию.

2. Растворение алюминия или кремния в едкой щёлочи

2 Al + 2 NaOH + 6 H 2 O = 2 Na + 3 H 2

Si + 2 KOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 2 H 2

Эти реакции применяли раньше для получения водорода в полевых условиях (для наполнения аэростатов). Для получения 1 м 3 водорода (при 0 °С и 760 мм рт. ст.) требуется только 0,81 кг алюминия или 0,63 кг кремния по сравнению с 2,9 кг цинка или 2,5 кг железа.

Вместо кремния также применяют ферросилиций (кремниевый метод). Смесь ферросилиция и раствора едкого натра, введённая в употребление незадолго до первой мировой войны во французской армии под названием гидрогенита, обладает свойством после поджигания тлеть с энергичным выделением водорода по следующей реакции:

Si + Ca(OH) 2 + 2 NaOH = Na 2 SiO 3 + CaO + 2 H 2 .

3. Действие натрия на воду

2 Na + 2 H 2 O = 2 NaOH + H 2

Ввиду того, что чистый натрий реагирует в этом случае слишком энергично, его чаще вводят в реакцию в виде амальгамы натрия; этот способ применяют преимущественно для получения водорода, когда им пользуются для восстановления "in statu nascendi". Аналогично натрию с водой реагируют и остальные щелочные и щелочноземельные металлы.

4. Действие гидрида кальция на воду

СaН 2 + 2 H 2 O = Сa(OH) 2 + 2 H 2

Этот метод является удобным способом получения водорода в полевых условиях. Для получения 1 м 3 водорода теоретически необходимо 0,94 кг СаН 2 и, кроме воды, не требуется никаких других реактивов.5. Пропускание водяного пара над раскалённым докрасна железом

4 Н 2 О + 3 Fe = Fe 3 O 4 + 4 H 2

При помощи этой реакции в 1783 г. Лавуазье впервые аналитически доказал состав воды. Образующийся при этой реакции оксид железа нетрудно восстановить до металлического железа, пропуская над ним генераторный газ так, что пропускание водяного пара над одним и тем же железом можно провести произвольное число раз. Этот метод долгое время имел большое промышленное значение. В небольших масштабах его применяют и в настоящее время.

6. Пропускание водяного пара над коксом.

При температуре выше 1000 °С реакция идёт главным образом по уравнению

Н 2 О + С = СО + Н 2 .

Вначале получают водяной газ, т. е. смесь водорода и монооксида углерода с примесью небольших количеств углекислого газа и азота. От углекислого газа легко освобождаются промыванием водой под давлением. Монооксид углерода и азот удаляют при помощи процесса Франка-Каро-Линде, т. е. сжижением этих примесей, что достигается охлаждением жидким воздухом до -200 °С. Следы СО удаляют, пропуская газ над нагретой натронной известью

СО + NaOH = HCOONa - формиат натрия.

Этот метод даёт очень чистый водород, который используют, например, для гидрогенизации жиров.

Чаще, однако, водяной газ в смеси с парами воды при температуре 400 °С пропускают над соответствующими катализаторами, например над оксидом железа или кобальта (контактный способ получения водяного газа). В этом случае СО реагирует с водой по уравнению

СО + Н 2 Опар = СО 2 + Н 2 ("конверсия СО").

Образующийся при этом СО 2 поглощается водой (под давлением). Остаток монооксида углерода (~1 об. %) вымывают аммиачным раствором однохлористой меди. Применяемый в этом способе водяной газ получают пропусканием водяного пара над раскалённым коксом. В последнее время всё больше используют взаимодействие водяного пара с пылевидным углём (превращение угольной пыли в газы). Полученный таким способом водяной газ содержит обычно большое количество водорода. Выделяемый из водяного газа водород (содержащий азот) применяют главным образом для синтеза аммиака и гидрирования угля.

7. Фракционное сжиженнее коксового газа.

Подобно получению из водяного газа, водород можно получать фракционным сжижением коксового газа, основной составной частью которого является водород.

Сначала коксовый газ, из которого предварительно удаляют серу, очищают от СО 2 промыванием водой под давлением с последующей обработкой раствором едкого натра. Затем постепенно освобождают от остальных примесей ступенчатой конденсацией, проводимой до тех пор, пока не остаётся только водород; от других примесей его очищают промыванием сильно охлаждённым жидким азотом. Этот метод применяют главным образом, чтобы получить водород для синтеза аммиака.

8. Взаимодействие метана с водяным паром (разложение метана).

Метан взаимодействует с водяным паром в присутствии соответствующих катализаторов при нагревании (1100 °С) по уравнению

СН 4 + Н 2 Опар + 204 кДж (при постоянном давлении).

Необходимое для реакции тепло следует подводить или извне, или применяя "внутреннее сгорание", т. е. подмешивая воздух или кислород таким образом, чтобы часть метана сгорала до диоксида углерода

СН 4 + 2 О 2 = СО 2 + 2 Н 2 Опар + 802 кДж (при постоянном давлении).

При этом соотношение компонентов выбирают с таким расчётом, чтобы реакция в целом была экзотермичной

12 СН 4 + 5 Н 2 Опар + 5 О 2 = 29 Н2 + 9 СО + 3 СО 2 + 85,3 кДж.

Из монооксида углерода посредством "конверсии СО" также получают водород. Удаление диоксида углерода производят вымыванием водой под давлением. Получаемый методом разложения метана водород используют главным образом при синтезе аммиака и гидрировании угля.

9. Взаимодействие водяного пара с фосфором (фиолетовым).

2 Р + 8 Н 2 О = 2 Н 3 РО 4 + 5 Н 2

Обычно процесс проводят таким образом: пары фосфора, получающиеся при восстановлении фосфата кальция в электрической печи, пропускают вместе с водяным паром над катализатором при 400-600 °С (с повышением температуры равновесие данной реакции смещается влево). Взаимодействие образовавшейся вначале Н 3 РО 4 с фосфором с образованием Н 3 РО 3 и РН 3 предотвращают быстрым охлаждением продуктов реакции (закалка). Этот метод применяют прежде всего, если водород идёт для синтеза аммиака, который затем перерабатывают на важное, не содержащее примесей удобрение - аммофос (смесь гидро- и дигидрофосфата аммония).

10. Электролитическое разложение воды.

2 H 2 O = 2 H 2 + O 2

Чистая вода практически не проводит тока, поэтому к ней прибавляются электролиты (обычно КОН). При электролизе водород выделяется на катоде. На аноде выделяется эквивалентное количество кислорода, который, следовательно, в этом методе является побочным продуктом.

Получающийся при электролизе водород очень чист, если не считать примеси небольших количеств кислорода, который легко удалить пропусканием газа над подходящими катализаторами, например над слегка нагретым палладированным асбестом. Поэтому его используют как для гидрогенизации жиров, так и для других процессов каталитического гидрирования. Водород, получаемый этим методом довольно дорог.

Применение водорода.

В настоящее время водород получают в огромных количествах. Очень большую часть его используют при синтезе аммиака, гидрогенизации жиров и при гидрировании угля, масел и углеводородов. Кроме того, водород применяют для синтеза соляной кислоты, метилового спирта, синильной кислоты, при сварке и ковке металлов, а также при изготовлении ламп накаливания и драгоценных камней. В продажу водород поступает в баллонах под давлением свыше 150 атм. Они окрашены в тёмно-зелёный цвет и снабжаются красной надписью "Водород".

Водород используется для превращения жидких жиров в твердые (гидрогенизация), производства жидкого топлива гидрогенизацией углей и мазута. В металлургии водород используют как восстановитель оксидов или хлоридов для получения металлов и неметаллов (германия, кремния, галлия, циркония, гафния, молибдена, вольфрама и др.).

Практическое применение водорода многообразно: им обычно заполняют шары-зонды, в химической промышленности он служит сырьём для получения многих весьма важных продуктов (аммиака и др.), в пищевой - для выработки из растительных масел твёрдых жиров и т. д. Высокая температура (до 2600 °С), получающаяся при горении водорода в кислороде, используется для плавления тугоплавких металлов, кварца и т. п. Жидкий водород является одним из наиболее эффективных реактивных топлив. Ежегодное мировое потребление водорода превышает 1 млн. т.