I begränsad skala används metoden för interaktion av vattenånga med fosfor och termisk nedbrytning av kolväten:
CH 4 (1000 ° C) \u003d C + 2 H 2 (frisätts som en gas).
I vissa fall produceras väte genom katalytisk klyvning av metanol med ånga.
CH 3 OH + H 2 O (250 ° C) \u003d CO 2 + 3 H 2,
eller som ett resultat av katalytisk termisk nedbrytning av ammoniak
2NH3 (950°C) --> N2 + 3 H2.
Dessa moderföreningar framställs dock i stor skala från väte; Samtidigt är det särskilt enkelt att få väte från dem och kan användas i sådana industrier som förbrukar det i relativt små mängder (mindre än 500 m 3 /dag).
De viktigaste metoderna för att få väte.
1. Upplösning av zink i utspädd saltsyra
Zn + 2 HCl \u003d ZnCl2 + H 2
Denna metod används oftast i laboratorier.
Istället för saltsyra kan även utspädd svavelsyra användas; men om koncentrationen av den senare är för hög, förorenas den frigjorda gasen lätt med SO 2 och H 2 S. När inte helt ren zink används bildas andra väteförorenande föreningar, till exempel AsH 3 och PH 3 . Deras närvaro bestämmer den obehagliga lukten av vätet som produceras med denna metod.
För rening leds väte genom en surgjord lösning av kaliumpermanganat eller dikromat och sedan genom en lösning av kaustikkali, samt genom koncentrerad svavelsyra eller genom ett lager av silikagel för att avlägsna fukt. De minsta vätskedropparna, som fångas upp av väte under dess produktion och inneslutna i gasbubblor, avlägsnas bäst med ett filter tillverkat av tätt pressad vanlig ull eller glasull.
Om du måste använda ren zink så måste två droppar klorplatinsyra eller kopparsulfat tillsättas syran, annars reagerar inte zinken.
2. Upplösning av aluminium eller kisel i kaustikalkali
2 Al + 2 NaOH + 6 H 2 O \u003d 2 Na + 3 H 2
Si + 2 KOH + H 2 O \u003d Na 2 SiO 3 + 2 H 2
Dessa reaktioner användes tidigare för att producera väte i fält (för att fylla ballonger). För att få 1 m 3 väte (vid 0 ° C och 760 mm Hg) krävs endast 0,81 kg aluminium eller 0,63 kg kisel, jämfört med 2,9 kg zink eller 2,5 kg järn.
Istället för kisel används även ferrokisel (kiselmetoden). En blandning av ferrokisel och murbruk kaustiksoda, som introducerades kort före första världskriget i den franska armén under namnet hydrogenit, har egenskapen att glöda efter antändning med kraftig utveckling av väte enligt följande reaktion:
Si + Ca (OH) 2 + 2 NaOH \u003d Na 2 SiO 3 + CaO + 2 H 2.
3. Effekt av natrium på vatten
2 Na + 2 H 2 O \u003d 2 NaOH + H 2
Med tanke på det faktum att rent natrium reagerar för kraftigt i detta fall, införs det oftare i reaktionen i form av natriumamalgam; denna metod används främst för produktion av väte när den används för "in statu nascendi"-reduktion. Andra alkali- och jordalkalimetaller reagerar på liknande sätt som natrium med vatten.
4. Verkan av kalciumhydrid på vatten
CaH 2 + 2 H 2 O \u003d Ca (OH) 2 + 2 H 2
Denna metod är ett bekvämt sätt att producera väte i fält. För att erhålla 1 m 3 väte krävs teoretiskt 0,94 kg CaH 2 och förutom vatten krävs inga andra reagens.5. För vattenånga över glödhett järn
4 H 2 O + 3 Fe \u003d Fe 3 O 4 + 4 H 2
Med hjälp av denna reaktion 1783 var Lavoisier den första som analytiskt bevisade vattens sammansättning. Järnoxiden som bildas under denna reaktion kan lätt reduceras till metalliskt järn genom att passera en generatorgas över den på ett sådant sätt att vattenånga kan passera över samma järn ett godtyckligt antal gånger. Denna metod har länge varit av stor industriell betydelse. Det används fortfarande i liten skala idag.
6. Passage av vattenånga över koks.
Vid temperaturer över 1000 °C fortskrider reaktionen huvudsakligen enligt ekvationen
H 2 O + C \u003d CO + H 2.
Först erhålls vattengas, det vill säga en blandning av väte och kolmonoxid blandad med små mängder koldioxid och kväve. Koldioxid frigörs lätt genom att tvätta med vatten under tryck. Kolmonoxid och kväve avlägsnas med Frank-Caro-Linde-processen, d.v.s. genom att flyta dessa föroreningar, vilket uppnås genom kylning med flytande luft till -200 ° C. Spår av CO avlägsnas genom att passera gasen över upphettad sodakalk
CO + NaOH = HCOONa - natriumformiat.
Denna metod ger mycket rent väte, som används till exempel för hydrering av fetter.
Oftare passerar dock vattengas blandad med vattenånga vid en temperatur av 400 °C över lämpliga katalysatorer, till exempel över järnoxid eller koboltoxid (kontaktmetod för framställning av vattengas). I detta fall reagerar CO med vatten enligt ekvationen
CO + H 2 Opar \u003d CO 2 + H 2 ("CO-omvandling").
Den resulterande CO 2 absorberas av vattnet (under tryck). Resten av kolmonoxiden (~1 vol.%) tvättas ut med en ammoniaklösning av kopparmonoklorid. Vattengasen som används i denna metod erhålls genom att leda vattenånga över het koks. PÅ senare tid mer och mer utnyttjas växelverkan mellan vattenånga och pulveriserat kol (omvandlingen av koldamm till gaser). Vattengasen som erhålls på detta sätt innehåller vanligtvis en stor mängd väte. Väte (innehållande kväve) som frigörs från vattengas används främst för syntes av ammoniak och hydrering av kol.
7. Fraktionerad flytande koksugnsgas.
I likhet med produktion från vattengas kan väte framställas genom fraktionerad flytande av koksugnsgas, den viktigaste integrerad del som är väte.
Först renas koksugnsgasen, från vilken svavel tidigare avlägsnats, från CO 2 genom tvättning med vatten under tryck, följt av behandling med en natriumhydroxidlösning. Sedan befrias de gradvis från de återstående föroreningarna genom stegvis kondensation, utförd tills endast väte återstår; det renas från andra föroreningar genom tvättning med starkt kylt flytande kväve. Denna metod används huvudsakligen för att erhålla väte för syntes av ammoniak.
8. Interaktion av metan med vattenånga (sönderdelning av metan).
Metan interagerar med vattenånga i närvaro av lämpliga katalysatorer vid upphettning (1100 °C) enligt ekvationen
CH 4 + H 2 Opar + 204 kJ (vid konstant tryck).
Värmen som krävs för reaktionen måste tillföras antingen utifrån, eller genom att använda "intern förbränning", det vill säga genom att blanda luft eller syre på ett sådant sätt att en del av metanen förbränns till koldioxid
CH 4 + 2 O 2 \u003d CO 2 + 2 H 2 Opar + 802 kJ (vid konstant tryck).
I detta fall väljs förhållandet mellan komponenterna på ett sådant sätt att reaktionen som helhet är exoterm
12 CH 4 + 5 H 2 Opar + 5 O 2 \u003d 29 H2 + 9 CO + 3 CO 2 + 85,3 kJ.
Väte framställs också av kolmonoxid genom "CO-omvandling". Avlägsnande av koldioxid utförs genom tvättning med vatten under tryck. Vätet som produceras genom nedbrytningen av metan används främst vid syntes av ammoniak och hydrering av kol.
9. Interaktion mellan vattenånga och fosfor (violett).
2 P + 8 H 2 O \u003d 2 H 3 RO 4 + 5 H 2
Vanligtvis utförs processen på detta sätt: fosforånga, som härrör från reduktionen av kalciumfosfat i en elektrisk ugn, leds tillsammans med vattenånga över en katalysator vid 400-600 ° C (med ökande temperatur, jämvikten för denna reaktionen skiftar till vänster). Interaktionen som bildas i början av H 3 RO 4 med fosfor med bildning av H 3 RO 3 och PH 3 förhindras genom snabb kylning av reaktionsprodukterna (härdning). Denna metod används främst om väte används för syntes av ammoniak, som sedan bearbetas till ett viktigt, föroreningsfritt gödningsmedel - ammophos (en blandning av ammoniumväte- och divätefosfat).
10. Elektrolytisk nedbrytning av vatten.
2 H 2 O \u003d 2 H 2 + O 2
Rent vatten leder praktiskt taget inte ström, därför tillsätts elektrolyter (vanligtvis KOH). Vid elektrolys frigörs väte vid katoden. En ekvivalent mängd syre frigörs vid anoden, vilket därför är en biprodukt i denna metod.
Vätet som produceras genom elektrolys är mycket rent, förutom inblandning av små mängder syre, som lätt avlägsnas genom att gasen leds över lämpliga katalysatorer, till exempel över lätt upphettad palladiumasbest. Därför används den både för hydrering av fetter och för andra katalytiska hydreringsprocesser. Vätet som produceras med denna metod är ganska dyrt.
Användningen av väte.
För närvarande produceras väte i enorma mängder. I hög grad mest det används vid syntes av ammoniak, hydrering av fetter och hydrering av kol, oljor och kolväten. Dessutom används väte för syntes av saltsyra, metylalkohol, cyanvätesyra, vid svetsning och smide av metaller, såväl som vid tillverkning av glödlampor och ädelstenar. Vätgas säljs i cylindrar under tryck över 150 atm. De är målade mörkgröna och är försedda med en röd inskription "väte".
Väte används för att omvandla flytande fetter till fasta fetter (hydrering), för att producera flytande bränslen genom att hydrera kol och eldningsolja. Inom metallurgin används väte som reduktionsmedel för oxider eller klorider för att producera metaller och icke-metaller (germanium, kisel, gallium, zirkonium, hafnium, molybden, volfram, etc.).
Den praktiska tillämpningen av väte är mångsidig: den är vanligtvis fylld med ballonger, i den kemiska industrin fungerar den som ett råmaterial för produktion av många mycket viktiga produkter (ammoniak, etc.), i livsmedelsindustrin - för produktion av fasta ämnen fetter från vegetabiliska oljor etc. Hög temperatur (upp till 2600 °C), erhållen genom att bränna väte i syre, används för att smälta eldfasta metaller, kvarts etc. Flytande väte är ett av de mest effektiva flygbränslena. Den årliga världsförbrukningen av väte överstiger 1 miljon ton.
Mottagande.
I begränsad skala används metoden för interaktion av vattenånga med fosfor och termisk nedbrytning av kolväten:
CH 4 (1000 ° C) \u003d C + 2 H 2 (frisätts som en gas).
I vissa fall produceras väte genom katalytisk klyvning av metanol med ånga.
CH 3 OH + H 2 O (250 ° C) \u003d CO 2 + 3 H 2,
eller som ett resultat av katalytisk termisk nedbrytning av ammoniak
2NH3 (950°C) --> N2 + 3 H2.
Dessa moderföreningar framställs dock i stor skala från väte; Samtidigt är det särskilt enkelt att få väte från dem och kan användas i sådana industrier som förbrukar det i relativt små mängder (mindre än 500 m 3 /dag).
De viktigaste metoderna för att få väte.
1. Upplösning av zink i utspädd saltsyra
Zn + 2 HCl \u003d ZnCl2 + H 2
Denna metod används oftast i laboratorier.
Istället för saltsyra kan även utspädd svavelsyra användas; men om koncentrationen av den senare är för hög, förorenas den frigjorda gasen lätt med SO 2 och H 2 S. När inte helt ren zink används bildas andra väteförorenande föreningar, till exempel AsH 3 och PH 3 . Deras närvaro bestämmer den obehagliga lukten av vätet som produceras med denna metod.
För rening leds väte genom en surgjord lösning av kaliumpermanganat eller dikromat och sedan genom en lösning av kaustikkali, samt genom koncentrerad svavelsyra eller genom ett lager av silikagel för att avlägsna fukt. De minsta vätskedropparna, som fångas upp av väte under dess produktion och inneslutna i gasbubblor, avlägsnas bäst med ett filter tillverkat av tätt pressad vanlig ull eller glasull.
Om du måste använda ren zink så måste två droppar klorplatinsyra eller kopparsulfat tillsättas syran, annars reagerar inte zinken.
2. Upplösning av aluminium eller kisel i kaustikalkali
2 Al + 2 NaOH + 6 H 2 O \u003d 2 Na + 3 H 2
Si + 2 KOH + H 2 O \u003d Na 2 SiO 3 + 2 H 2
Dessa reaktioner användes tidigare för att producera väte i fält (för att fylla ballonger). För att få 1 m 3 väte (vid 0 ° C och 760 mm Hg) krävs endast 0,81 kg aluminium eller 0,63 kg kisel, jämfört med 2,9 kg zink eller 2,5 kg järn.
Istället för kisel används även ferrokisel (kiselmetoden). En blandning av ferrokisel och kaustiksodalösning, introducerad strax före första världskriget i den franska armén under namnet hydrogenit, har egenskapen att glöda efter antändning med kraftig utveckling av väte enligt följande reaktion:
Si + Ca (OH) 2 + 2 NaOH \u003d Na 2 SiO 3 + CaO + 2 H 2.
3. Effekten av natrium på vatten
2 Na + 2 H 2 O \u003d 2 NaOH + H 2
Med tanke på det faktum att rent natrium reagerar för kraftigt i detta fall, införs det oftare i reaktionen i form av natriumamalgam; denna metod används främst för produktion av väte när den används för "in statu nascendi"-reduktion. Andra alkali- och jordalkalimetaller reagerar på liknande sätt som natrium med vatten.
4. Verkan av kalciumhydrid på vatten
CaH 2 + 2 H 2 O \u003d Ca (OH) 2 + 2 H 2
Denna metod är ett bekvämt sätt att producera väte i fält. För att erhålla 1 m 3 väte behövs teoretiskt 0,94 kg CaH 2 och förutom vatten behövs inga andra reagenser.
5. För vattenånga över glödhett järn
4 H 2 O + 3 Fe \u003d Fe 3 O 4 + 4 H 2
Med hjälp av denna reaktion 1783 var Lavoisier den första som analytiskt bevisade vattens sammansättning. Järnoxiden som bildas under denna reaktion kan lätt reduceras till metalliskt järn genom att passera en generatorgas över den på ett sådant sätt att vattenånga kan passera över samma järn ett godtyckligt antal gånger. Denna metod har länge varit av stor industriell betydelse. Det används fortfarande i liten skala idag.
6. Passage av vattenånga över koks.
Vid temperaturer över 1000 °C fortskrider reaktionen huvudsakligen enligt ekvationen
H 2 O + C \u003d CO + H 2.
Först erhålls vattengas, det vill säga en blandning av väte och kolmonoxid blandad med små mängder koldioxid och kväve. Koldioxid frigörs lätt genom att tvätta med vatten under tryck. Kolmonoxid och kväve avlägsnas med Frank-Caro-Linde-processen, d.v.s. genom att flyta dessa föroreningar, vilket uppnås genom kylning med flytande luft till -200 ° C. Spår av CO avlägsnas genom att passera gasen över upphettad sodakalk
CO + NaOH = HCOONa - natriumformiat.
Denna metod ger mycket rent väte, som används till exempel för hydrering av fetter.
Oftare passerar dock vattengas blandad med vattenånga vid en temperatur av 400 °C över lämpliga katalysatorer, till exempel över järnoxid eller koboltoxid (kontaktmetod för framställning av vattengas). I detta fall reagerar CO med vatten enligt ekvationen
CO + H 2 Opar \u003d CO 2 + H 2 ("CO-omvandling").
Den resulterande CO 2
absorberas av vatten (under tryck). Resten av kolmonoxiden (~1 vol.%) tvättas ut med en ammoniaklösning av kopparmonoklorid. Vattengasen som används i denna metod erhålls genom att leda vattenånga över het koks. På senare tid har växelverkan mellan vattenånga och pulveriserat kol (omvandlingen av koldamm till gaser) använts alltmer. Vattengasen som erhålls på detta sätt innehåller vanligtvis en stor mängd väte. Väte (innehållande kväve) som frigörs från vattengas används främst för syntes av ammoniak och hydrering av kol.
7. Fraktionerad flytande koksugnsgas.
I likhet med produktion från vattengas kan väte framställas genom fraktionerad kondensering av koksugnsgas, vars huvudkomponent är väte.
Först renas koksugnsgasen, från vilken svavel tidigare avlägsnats, från CO 2 genom tvättning med vatten under tryck, följt av behandling med en natriumhydroxidlösning. Sedan befrias de gradvis från de återstående föroreningarna genom stegvis kondensation, utförd tills endast väte återstår; det renas från andra föroreningar genom tvättning med starkt kylt flytande kväve. Denna metod används huvudsakligen för att erhålla väte för syntes av ammoniak.
8. Interaktion av metan med vattenånga (metannedbrytning).
Metan interagerar med vattenånga i närvaro av lämpliga katalysatorer vid upphettning (1100 °C) enligt ekvationen
CH 4 + H 2 Opar + 204 kJ (vid konstant tryck).
Värmen som krävs för reaktionen måste tillföras antingen utifrån, eller genom att använda "intern förbränning", det vill säga genom att blanda luft eller syre på ett sådant sätt att en del av metanen förbränns till koldioxid
CH 4 + 2 O 2 \u003d CO 2 + 2 H 2 Opar + 802 kJ (vid konstant tryck).
I detta fall väljs förhållandet mellan komponenterna på ett sådant sätt att reaktionen som helhet är exoterm
12 CH 4 + 5 H 2 Opar + 5 O 2 \u003d 29 H2 + 9 CO + 3 CO 2 + 85,3 kJ.
Väte framställs också av kolmonoxid genom "CO-omvandling". Avlägsnande av koldioxid utförs genom tvättning med vatten under tryck. Vätet som produceras genom nedbrytningen av metan används främst vid syntes av ammoniak och hydrering av kol.
9. Interaktion mellan vattenånga och fosfor (violett).
2 P + 8 H 2 O \u003d 2 H 3 RO 4 + 5 H 2
Vanligtvis utförs processen på detta sätt: fosforånga, som härrör från reduktionen av kalciumfosfat i en elektrisk ugn, leds tillsammans med vattenånga över en katalysator vid 400-600 ° C (med ökande temperatur, jämvikten för denna reaktionen skiftar till vänster). Interaktionen som bildas i början av H 3 RO 4 med fosfor med bildning av H 3 RO 3 och PH 3 förhindras genom snabb kylning av reaktionsprodukterna (härdning). Denna metod används främst om väte används för syntes av ammoniak, som sedan bearbetas till ett viktigt, föroreningsfritt gödningsmedel - ammophos (en blandning av ammoniumväte- och divätefosfat).
10. Elektrolytisk nedbrytning av vatten.
2 H 2 O \u003d 2 H 2 + O 2
Rent vatten leder praktiskt taget inte ström, så elektrolyter (vanligtvis KOH) läggs till det. Vid elektrolys frigörs väte vid katoden. En ekvivalent mängd syre frigörs vid anoden, vilket därför är en biprodukt i denna metod.
Vätet som produceras genom elektrolys är mycket rent, förutom inblandning av små mängder syre, som lätt avlägsnas genom att gasen leds över lämpliga katalysatorer, till exempel över lätt upphettad palladiumasbest. Därför används den både för hydrering av fetter och för andra katalytiska hydreringsprocesser. Vätet som produceras med denna metod är ganska dyrt.
Elektrolys av vatten är en fysikalisk och kemisk process där vatten, under inverkan av en elektrisk likström, sönderdelas till syre och väte. Den konstanta spänningen för cellen erhålls som regel genom att likrikta en trefas växelström. I en elektrolytisk cell utsätts destillerat vatten för elektrolys, medan den kemiska reaktionen fortskrider enligt följande välkända schema: 2H2O + energi -> 2H2 + O2.
Som ett resultat av uppdelningen i delar av vattenmolekyler erhålls väte i volym dubbelt så mycket som syre. Före användning dehydreras och kyls gaserna i anläggningen. Enhetens utloppsrör är alltid skyddade av backventiler för att förhindra bränder.
Direkt är strukturens ram gjord av stålrör och tjocka stålplåtar, vilket ger hela strukturen hög styvhet och mekanisk styrka. Bensintankar måste trycktestas.
Enhetens elektroniska enhet styr alla steg i produktionsprocessen och tillåter operatören att övervaka parametrarna på panelen och på tryckmätare, vilket garanterar säkerheten. Effektiviteten av elektrolys är sådan att cirka en kubikmeter av båda gaserna erhålls från 500 ml vatten till en kostnad av cirka 4 kWh elektrisk energi.
Jämfört med andra metoder för att framställa väte har vattenelektrolys ett antal fördelar. För det första används tillgängliga råvaror - avmineraliserat vatten och el. För det andra sker inga förorenande utsläpp under produktionen. För det tredje är processen helt automatiserad. Slutligen är produktionen en ganska ren (99,99%) produkt.
Därför används nu elektrolysanläggningar och det väte som erhålls från dem i många industrier: i kemisk syntes, vid värmebehandling av metaller, vid produktion av vegetabiliska oljor, i glasindustrin, i elektronik, i kylsystem inom energisektorn , etc.
Installation för elektrolys är anordnad enligt följande. Utanför finns en kontrollpanel för vätgasgeneratorn. Därefter installeras en likriktare, transformator, ställverk, avmineraliserat vattensystem och ett block för påfyllning.
I elektrolyscellen på sidan av katodplattan produceras väte och på sidan av anoden produceras syre. Här lämnar gaserna cellen. De separeras och matas in i separatorn, kyls sedan med avmineraliserat vatten, varefter de separeras med gravitation från vätskefasen. Vätgas skickas till tvättmaskinen, där lutdroppar avlägsnas från gasen och kylning sker i spolen.
Slutligen filtreras vätet (filtret i toppen av separatorn), där vattendroppar helt elimineras, och kommer in i torkkammaren. Syre skickas vanligtvis till atmosfären. Avmineraliserat vatten pumpas in i tvättmaskinen.
Lut används här för att öka vattnets elektriska ledningsförmåga. Om cellens funktion är normal, fylls luten på en gång om året i en liten mängd. Fast kaustikkali placeras i en luttank fylld till två tredjedelar med avmineraliserat vatten, varefter pumpen blandar det till en lösning.
Cellens vattenkylningssystem har två syften: det kyler vätskan till 80-90°C och kyler de resulterande gaserna till 40°C.
Gasanalyssystemet tar väteprover. I avskiljaren separeras lutdropparna, gasen tillförs analysatorn, trycket reduceras och syrehalten i väte kontrolleras. Innan vätet skickas till tanken kommer daggpunkten att mätas i fuktmätaren. Signalen kommer att skickas till operatören eller till PC:n för att avgöra om det resulterande vätet är lämpligt att skicka till lagringstanken, om gasen uppfyller mottagningsvillkoren.
Anläggningens drifttryck regleras av ett automatiskt styrsystem. Sensorn får information om trycket inuti cellen, sedan skickas data till en PC, där den jämförs med de angivna parametrarna. Vidare omvandlas resultatet till en signal i storleksordningen 10 mA, och driftstrycket hålls på en given nivå.
Enhetens driftstemperatur styrs av en pneumatisk membranventil. Datorn kommer på liknande sätt att jämföra temperaturen med den inställda, och skillnaden kommer att omvandlas till en lämplig signal för .
Elektrolysatorns säkerhet säkerställs av ett blockerings- och larmsystem. Vid vätgasläcka sker detektering automatiskt av detektorerna. Programmet stänger samtidigt omedelbart av generationen och startar fläkten för att ventilera rummet. En bärbar läckagedetektor måste förvaras av operatören. Alla dessa åtgärder gör det möjligt att uppnå en hög grad av säkerhet vid drift av elektrolysatorer.
Väteenergi dök upp som en av utvecklingslinjerna för vetenskapliga och tekniska framsteg på 70-talet av föregående århundrade. Med utvidgningen av forskningsområdet relaterat till produktion, transport och lagring, såväl som användningen av väte, blev miljöfördelarna med teknik för väteproduktion inom olika områden av den nationella ekonomin mer uppenbara. Effektiviteten i utvecklingen av vissa väteteknologier (bränsleceller, metallhydridsystem, transportvätesystem etc.) har visat att användningen av väte ger helt nya kvalitativa indikatorer på hur enheter och system fungerar.
Genomförda genomförbarhetstester har visat att, trots att väteelementet är en sekundär energibärare, det vill säga det är dyrare än naturliga bränslen, är dess användning i vissa fall av ekonomin ändamålsenlig redan idag. Därför anses arbete inom väteenergiindustrin i de flesta länder, särskilt med en utvecklad industri, prioriterade områden för utveckling av teknik och vetenskap. De stöds i allt högre grad av finansiering från staten och privat kapital.
Egenskaper för väte
Under normala förhållanden, i fritt tillstånd, är väte en färglös, luktfri gas. Väte har en densitet i förhållande till luft på 1/14. Det finns vanligtvis i kombination med andra grundämnen, såsom kol i metan, syre i vatten och i olika organiska föreningar. Eftersom väte är extremt reaktivt kemiskt, finns det sällan i sin obundna form.
Väte, kylt till flytande tillstånd, upptar 1/700 av tillståndets volym i gasform. I kombination med syre har väte det högsta energiinnehållet per massenhet: 120,7 GJ/t. Detta är en av flera anledningar till varför flytande väte används som ett raketbränsle och fungerar som energi för modern rymdskepp, för vilket ett stort specifikt energiinnehåll av väte och en liten molekylvikt har stor betydelse. I rent syre, vid förbränning, är de enda produkterna vatten och högtemperaturvärme. Så vid användning av väte släpps inte skadliga växthusgaser ut och inte ens vattnets kretslopp störs i naturen.
Vätgasproduktion
Vätgasresurser som finns i vatten och i organiskt materialär nästan outtömliga. Bristen på dessa bindningar gör det möjligt att producera väte, varefter vätet används till bränsle. Många processer har utvecklats för att separera vatten i dess beståndsdelar.
När vattnet värms till över 2500°C börjar det sönderdelas till syre och väte (direkt termolys). Sådan hög temperatur fås till exempel med hjälp av solenergikoncentratorer. Här är problemet att förhindra rekombination av syre och väte.
Idag, i världen, erhålls huvuddelen av det väte som produceras i industriell skala under ångreformeringen av metan (SCM). På det här sättet, väteproduktion gör det möjligt att använda det som ett reagens för oljeraffineringsprocessen och som en komponent i kvävegödselmedel och för raketteknik. Termisk energi och ånga vid temperaturer på 750-800°C behövs för att frigöra väte från kolbasen i metan, vilket är vad som händer på katalytiska ytor i kemiska reformatorer. Det allra första steget i PCM-processen separerar vattenånga och metan till kolmonoxid och väte. I det andra steget omvandlar "skiftreaktionen" kolmonoxid och vatten till väte och koldioxid. Denna reaktion fortskrider vid 200-250°C.
I Sovjetunionen på 1930-talet producerades syntesgas i industriell skala tack vare ång-luftförgasning av kol. Idag utvecklar IPCP RAS, som ligger i Chernogolovka, en teknik för kolförgasning i den superadiabatiska regimen. Denna teknik gör det möjligt att omvandla värmeenergin från kol till samma termiska energi som syntesgas med en verkningsgrad på 98 %.
Från och med 70-talet av föregående århundrade, i vårt land, gjordes projekt av helium högtemperaturreaktorer (HTGR) av krafttekniska kärnkraftverk (AETS) för järnmetallurgi och kemisk industri och fick en vetenskaplig och teknisk förklaring och bekräftelse genom experiment: ABTU-50, och sedan - ett projekt av ett kärnkraftverk med en VG-400-reaktor, med en kapacitet på 1060 MW för ett kemiskt-kärntekniskt komplex för produktion av väte och blandningar som innehåller det, för produktion av metanol och ammoniak, och flera fler projekt i denna riktning.
Grunden för alla HTGR-projekt var utvecklingen av kärnkraftsmotorer för vätebaserade missiler. Högtemperaturtestreaktorer tillverkade i vårt land för dessa ändamål, såväl som kärntekniska demonstrationsmotorer för raketer, har visat funktionsduglighet när väte värms upp till en maximal temperatur av 3000K.
Högtemperaturreaktorer baserade på heliumkylvätska är den senaste typen av universella miljövänliga kärnkraftskällor, vars unika egenskaper - förmågan att ta emot värme vid temperaturer över 1000 ° C och den högsta säkerhetsnivån - bestämmer de otroliga möjligheterna för deras applikation för att generera elektrisk energi i gasturbincykeln med hög effektivitet och för att tillhandahålla högtemperaturvärme och el produktionsprocess väteproduktion, tekniska processer för oljeraffinering, kemiska, metallurgiska och andra industrier, för vattenavsaltningsprocesser.
Det mest moderna inom detta område anses vara det internationella GT-MHR-projektet, som utvecklas av gemensamma ansträngningar från inhemska institutioner och GA-företaget från USA. Fuji Electric och Framatom samarbetar också med projektet.
Erhålla atomärt väte
Källan till atomärt väte är ämnen som spjälkar av väteatomer när de bestrålas. I processen med ultraviolett bestrålning, till exempel vätejodid, börjar en reaktion inträffa med frisättning av atomärt väte.
För att frigöra atomärt väte används termisk dissociation av molekylärt väte på en palladium-, platina- eller volframtråd uppvärmd vid ett tryck på mindre än 1,33 Pa i en väteatmosfär. Separationen av väte till atomer kan också uppnås genom att använda radioaktiva ämnen. Det finns en metod för syntes av atomärt väte i en elektrisk högfrekvent urladdning med ytterligare frysning av molekylärt väte.
Fysiska varianter av metoder för att framställa väte från blandningar som innehåller det
Väte finns i betydande mängder i många blandningar av gaser, till exempel i koksugnsgas, som frigörs vid pyrolys av butadien, vid framställning av divinyl.
För att isolera väte från blandningar av gaser som innehåller väte, fysiska metoder koncentration och frisättning av väte.
Fraktionering och lågtemperaturkondensering. Denna process beskrivs av en hög grad av väteproduktion från gasblandningen och gynnsamma ekonomiska indikatorer. Som regel, vid ett gastryck på 4 MPa, för att frigöra 93-94% väte, bör temperaturen vara 115K. När innehållet av väte i källgasen är mer än 40% kan graden av dess produktion nå 95%. Energiförbrukningen för H2-koncentration på 70-90 % är lika med 22 kWh per 1000 m3 producerat väte.
frisättning av adsorption. Denna process sker genom användning av molekylsilar, adsorbatorer, som arbetar cykliskt. Det kan säljas under ett tryck på 3-3,5 MPa med en extraktion på upp till 80-85% H2 i form av ett 90% koncentrat. I jämförelse med lågtemperaturmetoden för väteproduktion kräver denna process cirka 25-30% lägre materialkostnader och 30-40% lägre driftskostnader.
Adsorptionsproduktion av väte med hjälp av flytande lösningsmedel. I vissa fall är metoden lämplig för att framställa rent väte. Denna metod låter dig extrahera upp till 80-90% av vätet som finns i den initiala blandningen av gaser, samt att nå sin koncentration i slutprodukten upp till 99,9%. Energikostnaderna för vätgasproduktion når 68 kWh per 1000 m3 H2.
Produktion av väte genom elektrolys av vatten
Vattenelektrolys är en av de vanligaste och välstuderade metoderna för att framställa väte. Det garanterar mottagandet av produkten i ren form (99,6-99,9% H2) i ett tekniskt steg. För att få vätgas i produktionskostnader är kostnaden för el cirka 855.
Denna metod används i flera länder som har betydande reserver av billig vattenkraft. De största elektrokemiska komplexen finns i Indien, Kanada, Norge, Egypten, men många små installationer har skapats och är verksamma i olika länder fred. Denna metod anses också viktig eftersom den är den mest mångsidiga i förhållande till användningen av primära energikällor. I samband med spridningen av kärnenergin blev en ny blomning av vattenelektrolysprocesser möjlig på grund av billig elektrisk energi från kärnkraftverk. Elkraftindustrins resurser idag är otillräckliga för syntesen av väte som en produkt för vidare användning inom energisektorn.
Den elektrokemiska metoden för att producera väte från vatten har följande fördelar:
1. Hög renhet av väte i slutprodukten - upp till 99,99% eller mer;
2. Lätthet och beständighet teknisk process, processen kan automatiseras, det finns inga rörliga delar i elektrolyscellen;
3. Möjligheten att erhålla mycket värdefulla ytterligare produkter - syre och tungt vatten;
4. Outtömlig och tillgänglig råvara - vatten;
5. Möjligheten att erhålla väte direkt under tryck;
6. Fysisk fördelning av syre och väte under elektrolys.
I alla ovanstående exempel på väteproduktion genom nedbrytning av vatten är stora volymer syre biprodukter. Detta öppnar nya möjligheter för dess användning. Det kommer att kunna hitta sin plats inte bara som en accelerator av tekniska processer, utan också som en oumbärlig reningsverk av reservoarer. Denna applicering av syre kan sträcka sig till mark, atmosfär och vatten. Förbränning i syre av ökande mängder hushållsavfall kommer att bidra till att lösa problemet med fast avfall från storstäder.
En annan värdefull produkt av vattenelektrolys är tungt vatten, en utmärkt neutronmoderator i alla kärnreaktorer. Detta tunga vatten kan användas som ett råmaterial för syntesen av deuterium, som fungerar som ett material för termonukleär energi.
Jag har velat göra något sånt här länge. Men ytterligare experiment med ett batteri och ett par elektroder nådde inte. Jag ville göra en fullfjädrad apparat för produktion av väte, i mängder för att blåsa upp ballongen. Innan jag gjorde en fullfjädrad apparat för vattenelektrolys hemma bestämde jag mig för att kontrollera allt på modellen.
Det allmänna schemat för elektrolysören ser ut så här.
Denna modell är inte lämplig för full daglig användning. Men idén testades.
Så för elektroderna bestämde jag mig för att använda grafit. En utmärkt grafitkälla för elektroder är trolleybussströmavtagaren. Det finns gott om dem som ligger runt vid sluthållplatserna. Man måste komma ihåg att en av elektroderna kommer att förstöras. 
Sågning och efterbehandling med fil. Elektrolysens intensitet beror på strömstyrkan och elektrodernas yta. 
Ledningar är fästa på elektroderna. Ledningarna måste isoleras noggrant. 
För elektrolysmodellens kropp är de ganska lämpliga plastflaska. Hål görs i locket för rör och ledningar. 
Allt är noggrant belagt med tätningsmedel. 
Avskurna flaskhalsar är lämpliga för att ansluta två behållare. 
De måste kopplas ihop och smälta sömmen. 
Nötter är gjorda av kapsyler. 
Hål görs i botten av två flaskor. Allt är anslutet och noggrant fyllt med tätningsmedel. 
Vi kommer att använda ett 220V hushållsnät som spänningskälla. Jag vill varna dig för att detta är en ganska farlig leksak. Så om det inte finns tillräckliga färdigheter eller det finns tvivel, är det bättre att inte upprepa. I hushållsnätet har vi växelström, för elektrolys måste den rätas ut. En diodbrygga är perfekt för detta. Den på bilden var inte tillräckligt kraftfull och brändes snabbt ut. Bästa alternativet var den kinesiska diodbryggan MB156 i ett aluminiumhölje. 
Diodbryggan blir väldigt varm. Kräver aktiv kylning. En kylare för en datorprocessor kommer att passa perfekt. För fallet kan du använda en lämplig storlek lödbox. Säljs i elvaror. 
Under diodbryggan är det nödvändigt att lägga flera lager kartong. 
De nödvändiga hålen görs i locket på lödboxen. 
Så här ser den sammansatta enheten ut. Elektrolysatorn drivs från elnätet, fläkten från en universell strömkälla. En lösning används som elektrolyt bikarbonat. Här måste man komma ihåg att ju högre koncentration lösningen är, desto högre reaktionshastighet. Men samtidigt är uppvärmningen högre. Dessutom kommer reaktionen av natriumsönderdelning vid katoden att bidra till uppvärmningen. Denna reaktion är exoterm. Som ett resultat kommer väte och natriumhydroxid att bildas. 
Enheten på bilden ovan var väldigt varm. Den var tvungen att stängas av med jämna mellanrum och vänta tills den svalnat. Problemet med uppvärmning löstes delvis genom att kyla elektrolyten. För detta använde jag en bordsfontänpump. Ett långt rör går från en flaska till en annan genom en pump och en hink med kallt vatten. 