Частота разложения воды на водород и кислород. Способ получения водорода и кислорода из воды. Резюмэ по разделу

Для этого нужен более сложный прибор - электролизер, который состоит из широкой загнутой трубки, наполненной раствором щелочи, в которую погружены два электрода из никеля.

Кислород будет выделяться в правом колене электролизера, куда подключен положительный полюс источника тока, а водород - в левом.

Это обычный тип электролизера, которым пользуются в лабораториях для получения небольших количеств чистого кислорода.

В больших количествах кислород получают в электролитических ваннах разнообразных типов.

Войдем в один из электрохимических заводов по производству кислорода и водорода. В огромных светлых залах-цехах строгими рядами стоят аппараты, к которым по медным шинам подводится постоянный ток. Это электролитические ванны. В них из воды можно получить кислород и водород.

Электролитическая ванна - сосуд, в котором параллельно друг другу расположены электроды. Сосуд наполняют раствором - электролитом. Число электродов в каждой ванне зависит от размера сосуда и от расстояния между электродами. По схеме включения электродов в электрическую цепь ванны делятся на однополярные (монополярные) и двухполярные (биполярные).

В монополярной ванне половина всех электродов подключается к положительному полюсу источника тока, а вторая половина - к отрицательному полюсу.

В такой ванне каждый электрод служит или анодом, или катодом, и на обеих сторонах его идет один и тот же процесс.

В биполярной ванне источник тока подключается только к крайним электродам, один из которых служит анодом, а другой - катодом. С анода ток поступает в электролит, через который он переносится ионами к близлежащему электроду и заряжает его отрицательно.

Проходя через электрод, ток снова входит в электролит, заряжая обратную сторону этого электрода положительно. Таким образом, проходя от одного электрода к другому, ток доходит до катода.

В биполярной ванне только анод и катод работают как монополярные электроды. Все же остальные электроды, расположенные между ними, являются с одной стороны катодами (-), а с другой стороны - анодами (+).

При прохождении электрического тока через ванну между электродами выделяются кислород и водород. Эти газы нужно отделить друг от друга и направить каждый по своему трубопроводу.

Существуют два способа отделения кислорода от водорода в электролитической ванне.

Первый из них заключается в том, что электроды отгораживаются друг от друга металлическими колоколами. Образующиеся на электродах газы поднимаются в виде пузырьков кверху и попадают каждый в свой колокол, откуда через верхний отвод направляются в трубопроводы.

Этим способом кислород легко отделить от водорода. Однако такое разделение приводит к излишним, непроизводительным затратам электроэнергии, так как электроды приходится ставить на большом расстоянии друг от друга.

Другой способ разделения кислорода и водорода при электролизе заключается в том, что между электродами ставится перегородка - диафрагма, которая является непроницаемой для пузырьков газа, но хорошо пропускает электрический ток. Диафрагма может быть сделана из плотно сотканной асбестовой ткани толщиной 1,5-2 миллиметра. Эту ткань натягивают между двумя стенками сосуда, создавая тем самым изолированные друг от друга катодные и анодные пространства.

Водород из всех катодных и кислород из всех анодных пространств поступают в сборные трубы. Оттуда по трубопроводам каждый газ направляется в отдельное помещение. В этих помещениях под давлением 150 атмосфер полученными газами наполняют стальные баллоны. Баллоны направляют во все уголки нашей страны. Кислород и водород находят широкое применение в различных областях народного хозяйства.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .

Разделение воды, с целью получения водорода, является "священным Граалем" многих ученых, ведущих работы в направлении разработки практически неисчерпаемого источника экологически чистой энергии. Теперь, благодаря исследования ученых университета Монаша (Monash University) в Австрии, этот процесс будет реализовать гораздо проще, чем считалось ранее. Согласно профессору Леоне Спиччиа (Leone Spiccia), ключом к водородной энергетике будущего может стать природный минерал бернессит (Birnessite), который в природе придает черную окраску некоторым горным породам.

"Камнем преткновения процесса получения водорода является собственно разложение воды на кислород и водород. Используя традиционные способы на разрушение химических связей требуется очень много энергии, что делает эти процессы экономически невыгодными. Наша команда разработала процесс расщепления молекулы воды, основанный на марганцесодержащем катализаторе и использующий для этого солнечный свет" - говорит профессор Спиччиа. - "Основой минерала бернессита является марганец, который, как и все элементы из середины периодической системы, может существовать в нескольких состояниях, которые химики называют степенями окисления. Это соответствует количеству атомов кислорода, с которыми связан атом вещества".

Изначально ученые пытались использовать весьма сложные катализаторы на основе того же марганца. После того, как им удалось получить достаточно эффективный каталитический процесс разложения воды на водород и кислород, используя электрический ток, они, используя совершенные спектроскопические методы анализа, обнаружили, что использованный ими сложный катализатор преобразовался в более простое соединение, аналогом которого является природный минерал бернессит. Работа этого катализатора полностью повторяет процессы, на которых основывается процесс расщепления воды под воздействием солнечных лучей в природе.

"Эти исследования позволили нам проникнуть глубже в тайны природы и выяснить как в действительности в природе работает естественный марганцевый катализатор" - рассказывает доктор Розали Хокинг (Dr Rosalie Hocking) из Австралийского центра изучения электроматериалов (Australian Centre for Electromaterials Science). - "Ученые приложили большие усилия к созданию сложных марганцесодержащих молекул для того что бы получить эффективный катализатор. Но все оказалось гораздо проще, самой большой эффективностью в области расщепления воды обладает естественный материал, который достаточно устойчив, что бы выдержать жесткие физические и химические нагрузки во время его использования".

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.

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

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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

   1. 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.

   2. 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.

   3. 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.

   4. 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.

Изобретение относится к водородной энергетике. Техническим результатом изобретения является получение водорода за счет разложения воды. Согласно изобретению способ получения водорода из воды включает разложение воды под действием электрического поля с помощью водяного коаксиального конденсатора с изолированными обкладками, на которые подается высоковольтное выпрямленное напряжение импульсной формы, при этом разложение воды на кислород и водород происходит под действием резонансного электромагнитного поля, частота n-ой гармоники которого приближается к собственной частоте воды, причем энергия разложения воды складывается из тепловой и минимально расходуемой электрической энергии разложения воды. Патентуется также устройство для реализации заявленного способа. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Рисунки к патенту РФ 2456377

Изобретение относится к технике получения водорода из воды (водородной энергетике) электролизом и может быть использовано в качестве узла для преобразования тепловой энергии, при сжигании водорода, в механическую.

Известен двигатель Стенли Мейера, работающий на водороде, который получается из воды путем ее электролитического разложения (патент США № 5149507). Это устройство содержит две пары коаксиально расположенных электрода, размещенных в воде, причем у одной пары отсутствует контакт с водой. На изолированные электроды подается высокое напряжение не выше 10 кВ и частотой 15-260 кГц. На остальные электроды для нейтрализации атомов водорода и кислорода подается постоянное низковольтное напряжение.

Исходя из физического принципа обратимости энергии для получения из воды, например, кубометра водорода (при 0°С и 101,3 кПа), необходимо затратить 10,8 мДж/м 3 или 2580 ккал/м 3 энергии, т.е. столько же, сколько выделяется при сжигании водорода при тех же условиях. Это значит, что при сжигании кубометра водорода получим 2580 ккал/сек. В устройстве Мейлера выделяется за секунду не более 710 кал, т.е. в 3600 раз меньше.

Известно, что резонансная (собственная) частота воды (50,8 и 51,3) 10 ГГц, поэтому резонанс воды будет происходить, если возмущающее воздействие будет иметь указанную частоту, что никак не согласуется с представленной Меером электросхемой.

Кроме того, устройство Мейлера не обеспечивает условия поглощения тепла как из окружающей среды, так и от других источников тепла, например, из самой воды, на компенсацию эндотермического эффекта реакции разложения воды.

Целью изобретения является повышение производительности, КПД, экономической целесообразности.

Для получения указанных целей необходимо увеличение энергетической мощности для совершения полезной работы при условии работы электросхемы в режиме резонанса или максимально к ней приближенной. Допустим, что мы имеем несинусоидальное напряжение питания, представляющее собой двухполупериодное выпрямленное синусоидальное напряжение. Тогда условие резонанса на к-ой гармонической составляющей запишется в виде

Х LK =K L=N 2 AKµa /L=X CK =1/K ·C=d/KAa .

В нашем случае (51)10 ГГц - резонансная частота воды, значит, для к-ой гармоники K =(51)10 ГГц, откуда =(51)10 ГГц/K.

Откуда частота питающего напряжения к-ой гармоники может быть снижена в к раз, однако она остается достаточно высокой. Для увеличения входной частоты можно использовать способ ее увеличения за счет сложения частот от нескольких питающих напряжений, соединенных параллельно резонансным контуром при условии не совпадения амплитуд входных напряжений, что достигается сдвигом их фаз на угол, удовлетворяющий первому условию. Следует отметить, что индуктивность, также как и емкость резонансного контура, с целью обеспечения наибольшего поверхностного контакта с водой может состоять из параллельного, последовательного или смешанного соединения элементов, что обеспечивает равномерность передачи удельной энергии по всему объему, и в свою очередь с увеличением объема устройства создаются условия для увеличения производительности выделения газов за счет увеличенной подачи тепловой и электрической энергий. Примем, что, например, при сжигании 1 литра водорода выделяется К калорий тепла за доли секунды. Количество образовавшейся воды составит примерно 0.001 литра. Эти параметры соответствуют границе перехода ГА3-ВОДА и ВОДА-ГАЗ, т.е. они обратимы. Это значит, чтобы разложить 0.001 литра воды без затрат электроэнергии, надо равномерно распылить ее в объеме 1 литр и сообщить К калорий тепла с плюсом на потери за то же время. Как видим, соотношение в затратах электрической и тепловой энергий для разложения воды зависит от многих параметров и требует экспериментального исследования. При стремлении к минимальному расходу электроэнергии требуется ужесточение энергетических тепловых параметров, например, невозможность создания высокого давления или требуемой тепловой мощности при той же предполагаемой производительности, требует эквивалентной компенсации недостающей тепловой энергии энергией электромагнитного поля. Известно, что уменьшение энергии электрического поля при резонансе сопровождается увеличением энергии магнитного поля и наоборот, т.е.: W=Wm+Wэ=L1/2=CU/2=CONST. Поэтому, чтобы не терять половину энергии, индуктивность размещаем внутри водяного конденсатора. Таким образом на молекулы воды действуют две резонансные направленные под углом 90 градусов силы от электрического и магнитного полей, которые, используя тепловую энергию, расщепляют молекулу воды на водород и кислород. При одновременном действии этих сил требуется смещение, например, фазы магнитного поля относительно электрического на 90 градусов, которое может быть достигнуто с помощью фазосдвигающих устройств.

Подвод тепловой энергии для компенсации эндотермического эффекта при разложении воды происходит за счет циркуляции воды (например, насосом) по замкнутому контуру, через устройство разложения воды, теплоприемником и устройством восполнения потерь воды при разложении. Теплоприемник - это устройство с развитой поверхностью, обогреваемой солнцем, или (и) обеспечивает впрыск в холодную воду продуктов сгорания, например, от водородного двигателя, тем самым замыкая процесс и значительно повышая КПД. Устройство предлагаемого контура повышает экономичность промышленного производства, позволяет использовать его как в устройствах промышленной энергетики, так и автомобильно-железнодорожном транспорте. При создании нескольких параллельных контуров создается возможность отбирать тепловую энергию от многих источников.

Способ получения водорода из воды включает разложение воды под действием электрического поля с помощью водяного коаксиального конденсатора с изолированными обкладками, на которые подается высоковольтное выпрямленное напряжение импульсной формы, разложение воды на кислород и водород происходит под действием резонансного электромагнитного поля n-гармоники, которая приближается к собственной частоте воды, причем энергия разложения воды складывается из тепловой и минимально расходуемой электрической энергии разложения воды.

В устройстве для получения водорода из воды между обкладками конденсатора размещена индуктивность, обеспечивающая разделение и перемещение кислорода и водорода по выходным не сообщающимся друг с другом отверстиям, причем нейтрализация газов происходит с помощью токопроводящих сеток, установленных на выходе отверстий, которые связаны с источником постоянного напряжения, а подача тепловой энергии происходит по замкнутым параллельным контурам, каждый из которых связан с источником посторонней тепловой энергии, причем теплоносителем является вода, циркулирующая с помощью насоса с изменяющейся производительностью, при этом индуктивность и емкость резонансного контура состоит из параллельных, последовательных и смешанных электрических соединений элементов.

На фиг. представлено устройство, реализующее предлагаемый способ. Устройство содержит корпус 5, выполненный способом литья под давлением, например, из теплостойкого сополимера, диэлектрическая проницаемость которого доходит до 100000 единиц, имеет горизонтальные каналы, обеспечивающие вход-выход воды, которые соединяются с коаксиально расположенными каналами, в перегородках которых залиты обкладки конденсатора 1 и обмотки индуктивности 2. Коаксиальные каналы вертикальными отверстиями, по ходу магнитных силовых линий индуктивностей 2, связаны с выходными газовыми отверстиями, имеющими металлические сетки 4, на которые подается постоянное напряжение, обеспечивающее нейтрализацию ионов водорода и кислорода. Клапаны 3 обеспечивают выход газов при незначительном избыточном давлении.

Устройство работает следующим образом. При подаче высокочастотного высоковольтного напряжения на элементы 1, 2 последовательного резонансного контура и заполнения каналов циркуляционной нагретой водой, за счет электрической и тепловой энергий происходит разложение воды на ионы кислорода и водорода. Под действием магнитного поля индуктивности 2 ионы кислорода и водорода разделяются в пространстве магнитного поля и каждый газ раздельно по своим каналам проходит через металлические сетки 4, где нейтрализуется и через клапана 3 нейтральные газы поступают по своему назначению.

Преимущество устройства в сравнении с прототипом то, что вода одновременно является носителем тепловой энергии. Увеличение электрической энергии на единицу объема воды в результате развитой контактной поверхности емкостных пластин с водой приводит к увеличению производительности и эффективности работы устройства. Размещение индуктивности в устройстве приводит к увеличению производительности и КПД устройства. Устройство производит разделение газов (водорода и кислорода). При изменении скорости воды создается возможность изменять производительность.

Наша планета купается в потоке тепловой энергии, поступающей от Солнца, из земных недр и от хозяйственной деятельности человека. Человек в недостаточной степени осваивает эту энергию, поэтому данное изобретение направлено на освоение дармовой указанной выше энергии.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ получения водорода из воды, включающий разложение воды под действием электрического поля с помощью водяного коаксиального конденсатора с изолированными обкладками, на которые подается высоковольтное выпрямленное напряжение импульсной формы, отличающийся тем, что разложение воды на кислород и водород происходит под действием резонансного электромагнитного поля, частота n-й гармоники которого приближается к собственной частоте воды, причем энергия разложения воды складывается из тепловой и минимально расходуемой электрической энергии разложения воды.

2. Устройство, отличающееся тем, что между обкладками конденсатора размещена индуктивность, обеспечивающая разделение и перемещение кислорода и водорода по выходным несообщающимся друг с другом отверстиям, причем нейтрализация газов происходит с помощью токопроводящих сеток, установленных на выходе отверстий, которые связаны с источником постоянного напряжения, а подача тепловой энергии происходит по замкнутым параллельным контурам, каждый из которых связан с источником посторонней тепловой энергии, причем теплоносителем является вода, циркулирующая с помощью насоса с изменяющейся производительностью.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что индуктивность и емкость резонансного контура состоит из параллельных, последовательных и смешанных электрических соединений элементов.