Автор: Буракова Александра Николаевна
Милохранов К.В., Тимофеева В.В.
ТК ФГБОУ Во «Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова»
Буракова А.Н.
преподаватель по физике
КАК ПОЛУЧИТЬ ВОДОРОД ИЗ МОРСКОЙ ВОДЫ
В данной статье рассмотрена проблема экологии в ходе выделения вредных газов в атмосферу из-за различны видов топлива, которые используется для автотранспорта. Решением данной проблемы является замена топлива на водородное горючее и его добыча из морской воды с помощью усовершенствованного метода электролиза.
Ключевые слова: водород, электролиз, водородное горючее, морская вода, графен, Хонцзе Дай.
Актуальной данной темы обусловлена тем, что уровень загрязнения атмосферы сейчас достиг опасного значения. Большая доля выбросов приходится на транспортные средства. Наилучшим способом снижения выбросов является применение экологически чистого топлива, таковым и является водородное топливо. Если добывать водород из пресной воды, то будет её дефицит. Поэтому мы рассмотрим технологии получения водорода из морской воды.
Целью исследуемой темы является рассмотреть водород как экологически чистое топливо, изучить электролиз как способ получения водорода из морской воды, сделать вывод о перспективах использования водородного топлива.
Водород – это экологически чистое химическое горючее. При его сгорании выделяется тепло, обычная вода и ничтожно малое количество оксидов азота. Водород не содержит углерода и не увеличивает содержание парниковых газов в атмосфере. Сжигание водорода не разрушает озоновый слой и не вызывает кислотных дождей.
Водород является топливом будущего, самый экологичный и чистый способ его добычи — электролиз. Данному научному способу достаточно много лет. Первым его описал еще в 1834 году Майкл Фарадей. К источнику питания подсоединены два электрода (противоположные концы опущены в воду), таким методом можно разделять частицы воды. В итоге на катоде выделяется водород, а на аноде — кислород. Для данного процесса необходимо много пресной воды.
В случае если получать водород из обычной воды, то образуется ее недостаток. При применении водородного горючего, для извлечения 1 кг H2 необходимо 10 л воды. Таким образом, потребление пресной воды за год составит 25 млрд кубометров.
Морской же воды в мире очень много, но из-за того, что электроды постепенно разрушают хлориды, это явно уменьшает срок службы устройства, поэтому она не совсем подходит для электролиза.
Есть несколько технологий решения этой проблемы, которые мы рассмотрим. Но по сей день учёные спорят на эту тему, она остаётся актуальной.
1. Ученые из Института Макгилла совместили графен с кислородом в суспензии с водой для формирования ВОГ (восстановленного оксида графена), пористого, трехмерного, электропроводящего приспособления. Также они создали модернизацию с хлопьями ВОГ, которые уложены на стенки пор, ВОГ формирует оболочку, она пропускает воду, но не пропускает иные молекулы. Таким образом электролиз проходит без выделения хлора. Для подавления паразитных эффектов всех ионов, включая хлор, была разработана самодостаточная проводящая 3D макропористая матрица из частиц оксида кобальта, нанесенных на внутренние стенки закрытых пор восстановленного оксида графена (ВОГ). Стенки пор действуют как многослойная пленка из чешуек ВОГ, с наноканалами между слоями менее 1нм, проницаемыми для воды и газов, препятствующими диффузии растворенных ионов, таких как хлор. Это позволяет проводить электролиз без выделения хлора, поскольку каталитические частицы имеют избирательный доступ к молекулам воды, но не к ионам. Электрохимические эксперименты, проведенные в лаборатории, подтвердили, что система работает, как и ожидалось, блокируя нежелательные ионы.
2. Исследователи из Нанкинского технологического университета придумали решение этой проблемы. Изобретенный ими электролизёр работает с морской водой без перерыва почти полгода, извлекая из нее водород и литий. Статья об изобретении китайских ученых была опубликована в журнале Nature. Главное изобретение — изолятор, который отделяет морскую воду от электролизера. Анод и катод выделяют водород и кислород, которые разделены оболочкой, погружены в раствор гидроксида калия (электролит) и изолированы тонким слоем материала на основе тефлона. Поры в изоляции настолько малы, что не пропускают жидкость, но остаются проницаемыми для отдельных молекул водяного пара. Когда устройство работает, концентрация электролита увеличивается, и вода проходит через мембрану. Таким образом, в устройство постоянно поступает чистая вода, а соли выводятся из него. Авторы создали прототип устройства, где 11 таких ячеек, и испытали его с обычной морской водой. Устройство проработало 133 дня без деградации электродов и мембраны и без сбоев, произведя за это время около 386 литров водорода. Для производства одного кубического метра топлива требуется 5 киловатт-часов энергии, а поскольку один кубический метр водорода содержит 3,54 киловатт-часа энергии, КПД составляет 71%.
3. Ученые из Стэнфорда, профессор Хонцзе Дай и его команда предложили своё решение проблемы. Они решили покрыть анод отрицательно заряженным веществом, чтобы оно отталкивало ионы хлора, таким образом снижая скорость распада металла. Они сделали сердечник из никелевой пены, нанесли поверх него слой гидроксида никеля и железа, а также сульфида никеля. В итоге ядро из пены работает как проводник, а остальные элементы содействуют процессу электролиза. В ходе испытаний электрод с новой оболочкой проработал 1000 часов, это достаточно неплохой результат.
В заключении хочется сказать, что водород — одно из самых перспективных видов горючего. Его сжигание не способствует выделению вредных газов в атмосферу.
По утверждениям Дая, устройства электролиза, которые есть, можно просто и достаточно недорого модернизировать под новые модели, что намного легче, чем начинать заново, так как 90% работы выполнено.
Большую роль в использовании возобновляемых источников энергии играют транспортные средства, которые используют около одной трети мировой нефти. Транспортные средства, использующие углеводородное топливо на основе нефти, выбрасывают в окружающую среду большое количество токсичных веществ. Топливные элементы считаются окончательным решением энергетической проблемы, вырабатывая электрический ток из водорода и кислорода для питания двигателя. В результате электрохимического процесса, помимо электрической энергии, выделяется только тепло и водяной пар. Водородное топливо уже давно занимает лидирующие позиции среди других источников энергии. Благодаря своим уникальным свойствам водород по праву называют топливом ближайшего будущего.
Если сравнивать с дизельным и бензиновым топливом, у водородного горючего высокие КПД и экологичность вещества. Оно располагает превосходными характеристиками, но водород редко используют на транспортных средствах, так как люди привыкли применять бензин, который каждый день становится дороже.
Список литературы
1. Кузнецов, В. Н. Получение водорода из морской воды / В. Н. Кузнецов, А. В. Логинов // Энергетические системы и комплексы. – 2012. – № 1 (7). – С. 51-55.
2. Степанов, И. В. Получение водорода из морской воды: проблемы и перспективы / И. В. Степанов, А. А. Широков // Экологическая безопасность и природоохрана. – 2014. – № 4 (24). – С. 35-40.
3. Белоусов, В. В. Получение водорода из морской воды методом электролиза / В. В. Белоусов, Е. А. Столяров // Наука и образование: научно-технический журнал. – 2016. – № 1 (19). – С. 107-111.
4. Черненко, А. А. Получение водорода из морской воды методом гидролиза / А. А. Черненко, Е. Г. Дегтярева // Проблемы энергетики и энергосбережения: научно-технический журнал. – 2018. – № 3 (57). – С. 64-68.
9. Y. Yu, H. Li, X. Li, et al. «Hydrogen production from seawater by a novel electrochemical method». International Journal of Hydrogen Energy, 2014.