Как отделить кислород от водорода. Способ получения водорода из воды и устройство для его осуществления Количество энергии для разложения воды
Если найти дешёвый и простой способ электролиза/фотолиза воды, то мы получим невероятно богатый и чистый источник энергии - водородное топливо. Сгорая в кислороде, водород не образует никаких побочных выделений, кроме воды. Теоретически, электролиз - очень простой процесс: достаточно пропустить электрический ток через воду, и она разделяется на водород и кислород. Но сейчас все разработанные техпроцессы требуют такого большого количества энергии, что электролиз становится невыгодным.
Теперь учёные решили часть головоломки. Исследователи из Технион-Израильского технологического института разработали метод проведения второго из двух шагов окислительно-восстановительной реакции - восстановления - в видимом (солнечном) свете с энергетической эффективностью 100% , значительно превзойдя предыдущий рекорд 58,5%.
Осталось усовершенствовать полуреакцию окисления.
Столь высокой эффективности удалось добиться благодаря тому, что в процессе используется только энергия света. Катализаторами (фотокатализаторами) выступают наностержни длиной 50 нм. Они абсорбируют фотоны от источника освещения - и выдают электроны.
В полуреакции окисления производятся четыре отдельных атома водорода и молекула О 2 (которая не нужна). В полуреакции восстановления четыре атома водорода спариваются в две молекулы H 2 , производя полезную форму водорода - газ H 2 ,
Эффективность 100% означает, что все фотоны, поступившие в систему, участвуют в генерации электронов.
На такой эффективности каждый наностержень генерирует около 100 молекул H 2 в секунду.
Сейчас учёные работают над оптимизацией техпроцесса, который пока что требует щелочной среды с невероятно высоким pH. Такой уровень никак не приемлем для реальных условий эксплуатации.
К тому же, наностержни подвержены коррозии, что тоже не слишком хорошо.
Тем не менее, сегодня человечество стало на шажок ближе к получению неиссякаемого источника чистой энергии в виде водородного топлива.
Водород - самое экологически чистое топливо на Земле: при его сгорании образуется только вода. В качестве энергоносителя водород можно использовать для получения электричества и тепла в промышленности, в быту, на транспорте. В частности, с помощью водородных топливных элементов, в которых происходит прямое преобразование химической энергии в электричество, уже созданы опытные образцы электромобилей (см. "Наука и жизнь № ). Существует также много способов безопасного хранения и транспортировки водорода. А не нанесут ли вреда природе технологические процессы получения водорода?
В настоящее время водород в промышленных масштабах получают паровой конверсией метана (природного газа). При температуре 750-850 о С в присутствии водяного пара метан и вода расщепляются на водород и монооксид углерода, затем при 200-250°С происходит превращение монооксида углерода и воды в водород и диоксид углерода. Оба процесса эндотермические, и для их поддержания приходится сжигать около половины объема исходного газа, из-за чего экологический эффект оказывается очень низким.
Предлагается использовать для нагрева и подвода тепла высокотемпературные ядерные реакторы с гелиевым теплоносителем. Таким образом можно экономить углеводородное сырье и поставлять на рынки развивающихся стран водородное топливо вместо ядерных реакторов.
Дальнейшее развитие атомно-водородной энергетики пойдет по пути использования в качестве сырья не метана, а воды. Здесь могут быть использованы электролиз, а также термохимические и комбинированные методы получения водорода.
Известный способ термического разложения воды, которое происходит при температуре 2500°С, вряд ли применим, поскольку сложно предотвратить последующую рекомбинацию молекул воды. Однако возможен термохимический процесс разложения воды при температурах порядка 1000°С в присутствии соединений брома и йода. Правда, здесь требуется подведение тепла, и кпд составляет около 50%. На отдельных стадиях процесса наряду с термическим воздействием используется электролиз.
Электролитический водород получить проще всего, но экономически это невыгодно: на получение одного кубометра водорода требуется 4,8 киловатт-часа энергии. Если проводить электролиз перегретого пара, то эффективность процесса повышается, и на получение кубометра водорода уходит около 2,5 киловатт-часа.
В настоящее время "Курчатовский институт" и американская компания "GA" совместно разрабатывают очень перспективный проект газовой турбины-модульного гелиевого реактора. При генерации электричества с использованием прямого газотурбинного цикла можно достичь кпд, равного 50%.
Бесс Руфф - аспирантка из Флориды, работает над получением степени PhD по географии. Получила степень магистра экологии и менеджмента в Бренской школе экологии и менеджмента Калифорнийского университета в Санта-Барбаре в 2016 году.
Количество источников, использованных в этой статье: . Вы найдете их список внизу страницы.
Процесс расщепления воды (H 2 O) на ее составляющие (водород и кислород) с помощью электричества называется электролизом. Полученные в результате электролиза газы можно использовать сами по себе - например, водород служит одним из чистейших источников энергии. Хотя название данного процесса, возможно, и звучит несколько заумно, на самом деле это проще, чем может показаться, если у вас есть подходящее оборудование, знания и немного опыта.
Шаги
Часть 1
Подготовьте оборудование-
Возьмите стакан объемом 350 миллилитров и налейте в него теплую воду. Нет необходимости заполнять стакан до краев, хватит небольшого количества воды. Подойдет и холодная вода, хотя теплая лучше проводит электричество.
- Подойдет как водопроводная, так и бутилированная вода.
- Теплая вода имеет меньшую вязкость , благодаря чему в ней легче перемещаются ионы.
-
Растворите в воде 1 столовую ложку (20 граммов) поваренной соли. Насыпьте в стакан соль и перемешайте воду, чтобы она растворилась. В результате у вас получится солевой раствор.
- Хлорид натрия (то есть поваренная соль) является электролитом, который увеличивает электропроводность воды. Сама по себе вода плохо проводит электричество.
- После того как вы повысите электропроводность воды, созданный батарейкой ток будет легче проходить через раствор и эффективнее расщеплять молекулы на водород и кислород.
-
Заточите два твердо-мягких карандаша с обоих концов, чтобы обнажился графитовый стержень. Не забудьте снять с карандашей ластик. На обоих концах должен выступить графитовый стержень.
- Графитовые стержни послужат изолированными электродами, к которым вы подключите батарейку.
- Графит хорошо подходит для данного эксперимента, поскольку он не растворяется и не корродирует в воде.
-
Вырежьте достаточно большой лист картона, чтобы его можно было положить поверх стакана. Используйте довольно толстый картон, который не провиснет после того, как вы проделаете в нем два отверстия. Вырежьте квадратный кусок из коробки для обуви или чего-нибудь подобного.
- Картон нужен для того, чтобы удерживать карандаши в воде, так чтобы они не касались стенок и дна стакана.
- Картон не проводит ток, поэтому его можно без опаски положить на стакан.
-
Проделайте с помощью карандашей два отверстия в картоне. Проткните картон карандашами - в этом случае они окажутся плотно зажатыми и не будут выскальзывать. Проследите, чтобы графит не касался стенок или дна стакана, иначе это помешает провести эксперимент.
Часть 2
Проведите эксперимент-
Подсоедините к каждой клемме батарейки по одному проводу с зажимами «крокодил». Источником электрического тока послужит батарейка, и через провода с зажимами и графитовые стержни ток достигнет воды. Подключите один провод с зажимом к положительному, а второй - к отрицательному полюсу батарейки.
- Используйте 6-вольтовую батарейку. Если у вас нет такой батарейки, вместо нее можно взять 9-вольтовую батарейку.
- Подходящую батарейку можно приобрести в магазине электрических товаров или супермаркете.
-
Подсоедините вторые концы проводов к карандашам. Как следует закрепите металлические зажимы проводов на графитовых стержнях. Возможно, придется счистить с карандашей еще немного дерева, чтобы зажимы не соскальзывали с графитовых стержней.
- Таким образом вы замкнете цепь, и через воду потечет ток от батарейки.
-
Положите картон на стакан так, чтобы свободные концы карандашей погрузились в воду. Лист картона должен быть достаточно большим, чтобы устойчиво лежать на стакане. Действуйте аккуратно, чтобы не нарушить правильное расположение карандашей.
- Чтобы эксперимент удался, графит не должен касаться стенок и дна стакана. Еще раз проверьте это и при необходимости поправьте карандаши.
-
Понаблюдайте, как вода расщепляется на водород и кислород. От опущенных в воду графитовых стержней начнут подниматься пузырьки газа. Это водород и кислород. Водород будет выделяться на отрицательном, а кислород - на положительном полюсе.
- Как только вы подключите провода к батарейке и графитовым стержням, через воду потечет электрический ток.
- Больше пузырьков газа будет образовываться на том карандаше, который подсоединен к отрицательному полюсу, поскольку каждая молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.
- Если у вас нет карандашей с графитовыми стержнями, вместо них можно использовать две небольшие проволочки. Просто оберните одним концом каждой проволочки соответствующий полюс батарейки, а второй опустите в воду. Получится тот же результат, что и с карандашами.
- Попробуйте использовать другую батарейку. От вольтажа батарейки зависит величина протекающего тока, которая, в свою очередь, влияет на скорость расщепления молекул воды.
Предупреждения
- Если вы добавите в воду электролит, например соль, то учтите, что в ходе эксперимента будет образовываться небольшое количество такого побочного продукта, как хлор. В таких малых количествах он безопасен, однако вы можете почувствовать легкий запах хлора.
- Проводите данный эксперимент под наблюдением взрослых. Он связан с электричеством и газами, поэтому может представлять опасность, хотя это маловероятно.
-