Как создать воду из водорода и кислорода | Интересные истории

https://unsplash.com/photos/_y4LGVTeBwQ

Вода — это общее название монооксида диоксида водорода или h3O.

Молекула образуется в результате многочисленных химических реакций, включая реакцию синтеза ее элементов, водорода и кислорода.

Сбалансированное химическое уравнение для реакции таково:

2 h3 + O2 + O2 → 2 h3O

Как сделать воду

Теоретически, легко сделать воду из водорода и кислорода.

Нужно смешать два вещества вместе, добавить достаточное количество тепла, чтобы обеспечить энергию активации для начала реакции.

Простое же смешивание двух газов при комнатной температуре, однако, ничего не даст, так как молекулы водорода и кислорода в воздухе не образуют спонтанно реакцию.

Для разрыва ковалентных связей, удерживающих молекулы h3 и O2 вместе, необходима энергия.

Затем катионы водорода и анионы кислорода свободно вступают в реакцию друг с другом, делают они это из-за различий в их электроотрицательности.

Когда химические связи восстанавливаются, образуя воду, высвобождается дополнительная энергия, которая распространяет реакцию. Чистая реакция является высоко экзотермической, т.е. реакцией, сопровождающейся выделением тепла.

Две демонстрации

Одной из распространенных химических демонстраций является наполнение небольшого воздушного шарика водородом и кислородом и прикосновение к воздушному шару — с расстояния и за щитом безопасности — горящей шиной.

Более безопасным вариантом является наполнение воздушного шара газом водорода и зажигание воздушного шара в воздухе.

Ограниченный кислород в воздухе реагирует на образование воды, но в более контролируемой реакции.

Еще одна простая демонстрация заключается в пузырьке водорода добавленного в мыльную воду.

Пузырьки плавают, потому что они легче воздуха.

Зажигалка с длинной рукояткой или горящая шина может быть использована для зажигания и образования воды.

Можно использовать водород из баллона со сжатым газом или в результате нескольких химических реакций (например, реакции кислоты с металлом).

Понимание реакции

https://unsplash.com/photos/1WKZQb6bB-4

Французский химик назвал водород греческим словом водообразующий, основываясь на его реакции с кислородом.

Он был очарован реакцией горения. Для наблюдения за реакцией он разработал аппарат для формирования воды из водорода и кислорода.

По сути, в его установке использовались две емкости — одна для водорода, а другая для кислорода, — которые подавались в отдельный контейнер.

Искровой механизм инициировал реакцию, образуя воду.

Можно сконструировать устройство таким же образом, если тщательно контролировать расход кислорода и водорода, чтобы не пытаться одновременно образовывать слишком много воды. Также следует использовать термостойкий и ударопрочный контейнер.

Роль кислорода

В то время как ученые более раннего периода были знакомы с процессом образования воды из водорода и кислорода, французский ученый открыл для себя роль кислорода в горении.

Его исследования в конечном итоге опровергли теорию флогистонов, которая предполагала, что во время горения из вещества выделяется огнеподобный элемент под названием флогистон.

Он показал, что газ должен иметь массу для горения и что масса должна быть сохранена после реакции.

Реакция водорода и кислорода для получения воды была отличной реакцией окисления для изучения, потому что почти вся масса воды поступает из кислорода.

Почему мы не можем просто сделать воду?

https://unsplash.com/photos/eMX1aIAp9Nw

Согласно оценкам, приведенным в докладе Организации Объединенных Наций за 2006 год, 20% населения планеты не имеют доступа к чистой питьевой воде.

Если так трудно очистить воду или опреснить морскую воду, вам может быть интересно, почему мы просто не делаем воду из ее элементов.

Реакция водорода и кислорода в основном заключается в сжигании водорода газом, за исключением того, что вместо того, чтобы использовать ограниченное количество кислорода в воздухе, вы разжигаете огонь.

Во время горения кислород добавляется в молекулу, которая в результате этой реакции образует воду.

Горение также высвобождает много энергии. Тепло и свет выделяются настолько быстро, что ударная волна расширяется наружу.

Чем больше воды делать за один раз, тем сильнее взрыв. Это работает для запуска ракет.

Таким образом, мы можем делать воду из водорода и кислорода, а химики и педагоги часто делают это в небольших количествах.

Нецелесообразно использовать этот метод в больших масштабах из-за опасности и гораздо более дорогостоящей очистки водорода и кислорода для протекания реакции, чем для получения воды другими способами, очистки загрязненной воды или конденсации водяного пара из воздуха.

Почему мы до сих пор не умеем делать воду — и как научиться ее беречь

5 августа 2019

Лето — разве не идеальное время, чтобы бросить побольше льда в лимонад, наполнить бассейн и почаще принимать долгий, освежающий душ? Если коротко — то нет.

На самом деле, когда мы все наслаждаемся прекрасной погодой, легко забыть о важности экономии воды. Но разве не было бы проще, если бы мы могли просто делать воду с нуля? В конце концов, сегодня мы можем изготавливать самые разнообразные вещи — от бриллиантов до бургеров.

Н-2-О нет!

Теоретически, сделать воду должно быть легко. Надо лишь взять два атома водорода и соединить с атомом кислорода — разве это может быть сложно? Оказывается, может — и даже очень.

Просто смешав водород с кислородом, воду вы не получите — для того, чтобы их соединить, нужна энергия. Проблема с добавлением в это уравнение энергии заключается в том, что масштабная химическая реакция легковоспламеняющегося водорода и кислорода (который как раз и поддерживает горение) может привести к довольно большому взрыву. Поэтому опасности в этой затее больше, чем пользы.

Если мы не можем просто сделать воду из ее атомов, есть ли другие способы ее создать? В последнее время ученые сосредотачиваются на получении воды из воздуха и использовании для этого влажности. К сожалению, большинство таких исследований находятся на ранних стадиях и проводятся в небольших масштабах. То есть, бороться с нехваткой воды и засухой таким образом сейчас, безусловно, нельзя.

Настоящая жажда

Однако засуха — не единственная причина, почему мы работаем над тем, чтобы научиться делать воду. Население Земли постоянно увеличивается — и спрос на воду также растет.

Кроме того, в мире до сих пор есть места, где нет доступа к чистой воде. Хотя около 71% поверхности Земли — это вода, большая ее часть — это соленая вода, то есть не питьевая. Лишь 2% воды на Земле является пресной и безопасной для питья, и более половины ее находится в полярных ледяных шапках, откуда мы не можем ее получить. В то же время много чистой, питьевой воды мы теряем просто потому, что воспринимаем ее как должное.

Нам так легко получить воду у себя дома и на работе, что мы забываем, что это ограниченный ресурс и однажды он, вполне вероятно, закончится. По всем этим причинам поиск новых способов создания воды становится все более актуальным.

Голубая планета №2?

Підпис до фото,

Можем ли мы добывать воду на других планетах?

Ученые заинтересованы не только в создании и сборе воды на Земле. На самом деле, их исследования распространяются на самые удаленные уголки космоса. Сейчас астронавты NASA полагаются на свою Систему восстановления воды (Water Recovery System) для переработки водорода и углекислого газа в космосе для получения воды (и метана). В космосе у них нет дождя и водоемов, которые есть здесь у нас, поэтому количество воды еще более ограничено. Было бы почти идеально, если бы мы могли брать воду из космоса — но насколько это реально?

В прошлом году ученые обнаружили доказательства наличия льда на так называемой темной стороне Луны. Ранее подобные образования льда находили и на других планетах, например на Меркурии. Не трудно представить, как сильно это взволновало научное сообщество. Возможность брать воду с Луны и других планет не только открывает водные ресурсы за пределами Земли, но также дает возможность дальнейшего исследования космоса.

Но лед — не единственный водный ресурс в космосе. На Марсе есть ряд возможных источников воды — нам просто нужно найти способ ее добычи. Например, воду можно было бы собирать из атмосферы, из почвы или даже добывать из полезных ископаемых — возможности бесконечны. К сожалению, наши технологии еще не настолько развиты.

А может, начать с того, чтобы беречь то, что имеем?

Поэтому, возможно, вода — это не столь ограниченный ресурс, как мы считали изначально. Но пока возможность получать воду в глобальном или даже планетарном масштабе все еще недоступна.

Так что же мы можем сделать для сохранения воды, которая уже есть? Самое главное — не воспринимать воду как должное. Вот пять полезных советов, которые помогут вам уменьшить количество потребляемой воды:

• Не принимайте душ слишком долго. В жаркую погоду понятно желание принимать душ чаще. Однако, когда вы его принимаете, делайте это недолго, или даже замените долгий душ частично наполненной ванной.
• Не оставляйте кран открытым, когда в этом нет необходимости. Чаще всего так происходит, когда вы чистите зубы или умываетесь — но подумайте, что вся эта вода просто стекает в канализацию!
• Используйте стиральную или посудомоечную машины только с полной загрузкой. Одна полная загрузка экономит гораздо больше воды, чем две или три частичных.
• Не поливайте газон и растения избыточно. А также поливайте их в прохладное время суток — например, вечером вода не испаряется на солнце, поэтому расходуется меньше.
• Держите бутылку с водой в холодильнике, а не ждите, пока из крана потечет холодная.

В среднем человек использует около 9 000 литров воды в год — этого достаточно для наполнения двух бензиновых цистерн! Еще страшнее думать, что, по прогнозам, к 2025 году более 60% людей будут иметь ограниченный доступ к пресной воде.

Даже самая незначительная экономия воды может иметь огромное значение — если в ней будет участвовать большое количество людей.

Ученые научились получать водород из воды — Российская газета

Ученые Стэнфордского университета создали «расщепитель» воды, способный 24 часа в сутки и семь дней в неделю производить из воды водород и кислород. По словам ученых, это своего рода мировой рекорд. Но самое главное, что цена этого водорода намного ниже, чем у всех существующих сегодня электролизеров. Дело в том, что в них применяются дорогие катализаторы — как правило платина и иридий, на которых и протекает реакция электролиза. Кроме этого, электроды находятся в электролитах, разделенных дорогостоящей мембраной, обеспечивающей ионную электрическую проводимость. Словом высокая цена оставалась главным препятствием для водородной революции на транспорте, которую вот уже лет 20 обещают энтузиасты водорода.

Созданный американскими учеными намного дешевле, он сделан из оксида железа-никеля. Электролизер расщепляет воду при потенциале всего в 1,5 вольта, а его эффективность при комнатной температуре имеет беспрецедентное значение — 82 процента.

Ключом к созданию высокоэффективного и простого катализатора стали ионы лития, которые позволили «расколоть» слой оксида железа-никеля на очень мелкие частички. В итоге намного увеличилась площадь поверхности, на которой проходит реакция расщепления воды, и к тому же она стала более активной. «Кроме этого, частички оксида хорошо связаны друг с другом, что обеспечивает высокую электрическую проводимость электрода в целом», — говорит автор разработки профессор И Куи.

Водород уже давно считается одним из самых перспективных видов альтернативного топлива. Но методы получения водорода из воды путем электролиза до последнего времени были экономически не выгодны и, поэтому, не получили широкого распространения. Созданная в Стэнфорде технология может стать бесконечным источником экологически чистого водородного топлива для различных видов транспорта и для промышленных нужд. Профессор Куи уверен, что такие же принципы могут стать основой создания катализаторов, предназначенных для других реакций, нежели электрохимическое расщепление воды на водород и кислород.

Секреты горения водорода — MEL Science Blog

24 марта 2015г.

,
Vassili Philippov

Все знают химическую формулу воды: H₂O. Большинство сможет написать уравнение реакции получения воды: 2H₂ + O₂ = 2H₂O. Но только единицы из миллиона смогут объяснить, как эта реакция реально идет. Встречайте видео, которое все объясняет.

Водородные пузыри

“Бросая в воду камешки, смотри на круги, ими образуемые; иначе такое бросание будет пустою забавою.” Козьма Прутков

Водородные пузыри классно горят! Я люблю поджигать с детьми их. Детей всегда очень удивляет тот факт, что при сгорании водорода образуется вода. Мы взрослые к этому факту привыкли. Он не кажется нам удивительным. Все знают:

2H₂ + O₂ = 2H₂O

или иными словами

H₂ + H₂ + O₂ = H₂O + H₂O

Но задумывались ли вы когда-нибудь, как это происходит? Думаете, как в реакции написано: сталкиваются в одном месте две молекулы водорода и одна молекула кислорода и получается две молекулы воды? Как бы не так. Вероятность, что три молекулы столкнутся в одном месте ничтожна. А если не так, то как? Скоро вы узнаете ответ на этот вопрос.

Простой водород, непростая реакция

Водород – это самый простой элемент. Всего один электрон вращается вокруг ядра, состоящего из всего одного протона. Что может быть проще? А вот поди ж ты, реакция горения водорода совсем не такая и простая. Спросите своего знакомого химика, как горит водород? Я ставлю десять к одному, что он не ответит, или ответит неправильно. До середины двадцатого века человечество не знало, как происходит эта реакция. В 1956 году за ее объяснение дали Нобелевскую премию по химии.

На самом деле, это не так уж и сложно. Скоро мы посмотрим под виртуальным микроскопом, что там происходит при горении водорода и все увидим своими глазами. Просто, раньше у ученых не было такого виртуального микроскопа, в который можно подсмотреть за механизмами реакций.

Очень большой бум

Сгорание небольшого пузыря с водородом не очень опасно. Спичка, которой вы будете поджигать пузырь выделит в десятки раз больше энергии, чем сгорающий водород.

Но история водорода знает другие ситуации. Пожалуй, самой трагичной историей был пожар на огромном дирижабле Гинденбург перевозившим 97 пассажиров и членов экипажа в 1937 году из Германии в США.

При посадке возникла искра, приведшая к взрыву водорода, которым был наполнен дирижабль. Эта трагедия унесла жизнь 36 человек и, по сути, поставила крест на всем дирижаблестроении. На самом деле, водород быстро прогорел в самом начале и подавляющая часть тепла выделилась от горения обшивки.

Давайте заглянем внутрь взрыва

Пришло время выполнить обещание, и показать, как же на самом деле горит водород. В этом коротком видео мы погрузимся внутрь взрыва смеси водорода и кислорода так, чтобы стали видны отдельные молекулы. И посмотрим, что же там происходит.

Подписывайтесь на наш Твиттер

Читайте также

Расщепление воды с эффективностью 100%: полдела сделано / Хабр

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 О₂ (которая не нужна). В полуреакции восстановления четыре атома водорода спариваются в две молекулы H₂, производя полезную форму водорода — газ H₂,

Эффективность 100% означает, что все фотоны, поступившие в систему, участвуют в генерации электронов.

На такой эффективности каждый наностержень генерирует около 100 молекул H₂ 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.

Научная работа опубликована в журнале Nano Letters (зеркало).

Электричество из лужи, или Как получить энергию из воды — Энергетика и промышленность России — № 19 (327) октябрь 2017 года — WWW.EPRUSSIA.RU

Газета «Энергетика и промышленность России» | № 19 (327) октябрь 2017 года

Без еды человек может прожить от четырех до шести недель, а вот без воды – не более трех дней. Впрочем, не только человек, все живое нуждается в воде.

Однако именно человек пошел дальше всех, ведь людям вода нужна не только для поддержания жизни, приготовления пищи и гигиены, но и для многого другого. Воду мы используем и в быту, и на производстве. И вот теперь человечество всерьез задумалось о том, чтобы добывать из воды энергию!

Конечно, человек давно уже умеет добывать энергию с помощью воды, для чего служит огромное количество гидроэлектростанций, построенных по всему миру. Однако можно ли добывать энергию прямо из воды?

Невозможное возможно?

В принципе, современная физика к подобному относится с изрядным скепсисом. Ведь, в соответствии с фундаментальными физическими законами, нет способа извлекать химическую энергию из воды. У воды отрицательная энтальпия образования, следовательно, для разделения ее на элементы требуется затратить энергию. Не существует соединений кислорода и водорода с большей негативной энтальпией образования, за счет которой мог бы быть получен избыток энергии. Поэтому многие изобретатели, которые заявляли, что научились добывать энергию непосредственно из воды, получали клеймо мошенников.

Однако изобретателей это не останавливает, и раз за разом ученые пытаются добиться невозможного. Вот и опять не так давно была опубликована информация о том, что ученые разработали технологию, благодаря которой из воды стало возможно получать экологически чистую энергию. Якобы этого добился профессор Массачусетского технологического института Дэниэл Носер.

Прототип получил название Sun Catalytix. Для извлечения водорода из воды устройство использует солнечную энергию. Специальный солнечный элемент помещается в сосуд с водой. При попадании на него света образуются пузырьки водорода. Процесс получения дешевой энергии из воды полностью обратим. При помощи солнечного света происходит разложение воды на водород и кислород. Получаемый кислород впоследствии используется при горении водорода. Конечным продуктом горения снова является вода. Получается такой себе «круговорот воды в природе» в пределах энергетической установки. По сути, солнечная энергия преобразуется в удобную для использования форму посредством воды.

Разработчики уверены, что их изобретение сможет применяться не только для обеспечения энергией отдельных домов и учреждений, но даже в транспортных средствах. Их уверенность была подкреплена грантом в размере 4 млн долл. от Агентства исследований в области энергетики и индийского машиностроительного гиганта Tata. Была даже создана «Sun Catalytix Corporation».

По словам разработчиков, их технология обеспечит источниками бесплатной энергии как жилые дома, так и другие объекты в странах третьего мира. Сюда включаются и транспортные решения, и промышленные предприятия и т. д.

Единственное, что смущает в этой «новости» – датирована она 2011 г., а Google даже утверждает, что «по их данным, компания Sun Catalytix Corporation закрыта навсегда».

Топливо из воды

Так что же получается? Неужели физика права, и вода не сможет нам помочь в деле производства энергии? Возможно, это и так, но из воды можно получить топливо. Например, водород. Сейчас водород получают, главным образом, из природного газа методом каталитической конверсии с водяным паром. Пока это самый дешевый способ, но в конечном итоге такой путь ведет в тупик, ведь запасы газа рано или поздно тоже закончатся. Неиссякаемым источником водорода может служить вода. Электролиз воды технически осуществить довольно просто, но этот процесс требует значительных энергозатрат. Технология будет экономически выгодной только в том случае, если использовать дешевую электроэнергию, получаемую желательно из возобновляемых источников, – за счет энергии воды, ветра, солнца.

Еще в 1935 г. Чарльз Гаррет продемонстрировал «в течение нескольких минут» работу «водяного автомобиля». Как можно увидеть из патента Гаррета, оформленного в том же году, для генерации водорода применялся электролиз. Повторить успех Гаррета пытались и другие изобретатели. Конечно, в этом деле тоже не все так просто. И многие изобретатели, заявлявшие, что добились в вопросе получения топлива из воды существенного прогресса, также оказались мошенниками.

Например, в 2002 г. Genesis World Energy анонсировала готовое к продвижению на рынок устройство, которое извлекало бы энергию из воды путем ее разложения на водород и кислород. Увы, в 2006 г. Патрик Келли, собственник GWE, был приговорен в Нью-Джерси к пяти годам тюрьмы за кражу и выплате возмещений в размере 400 тыс. долл.

Другой изобретатель, Дэниэл Дингел, заявлял, что разработал технологию, позволяющую использовать воду в качестве топлива. В 2000 г. Дингел стал бизнес-партнером компании Formosa Plastics Group с целью дальнейшего развития технологии. Но в 2008-м компания подала на изобретателя иск за мошенничество, и 82‑летний Дингел был приговорен к 20 годам тюрьмы.

В том же 2008 г. СМИ Шри-Ланки сообщили о некоем гражданине этой страны по имени Тушара Приямал Эдиризинге, который утверждал, что проехал около 300 км на «водяном автомобиле», потратив 3 литра воды. Тушара продемонстрировал свою технологию премьер-министру Ратнасири Викреманаяке, который пообещал всемерную правительственную поддержку его усилий по продвижению водяного автомобиля на рынок Шри-Ланки. Однако несколько месяцев спустя Тушара был арестован по обвинению в мошенничестве.

Шанс все же есть

Вместе с тем, ошибочно думать, что все, кто занимается проблемой получения топлива из воды, – мошенники. Например, авторитетный ученый Джеффри Хьюитт даже стал лауреатом премии «Глобальная энергия» в 2007 г. за идею производства топлива на основе энергии воды. К сожалению, сам ученый считает, что подобные методы добычи топлива еще долго останутся недоступными для будничного использования в связи с их высокой стоимостью. По его мнению, стоимость такой энергии безумно велика, и время, когда экологичные виды топлива можно будет использовать в повседневной жизни, настанет еще не скоро. Так что пока энергия из воды – не конкурент традиционной энергетики. Однако ученый уверен, что эту отрасль энергетики необходимо активно развивать, так как применение, например, водородного сырья может повысить коэффициент полезного действия электростанций до 85 % с текущего уровня в 50 %. И в будущем новое горючее способно заменить все существующие ныне ресурсы.

Так что ученые не зря бьются над этой проблемой. Возможно, в скором времени это принесет свои плоды. Например, в марте этого года пришло сообщение, что в процессе лабораторных исследований ученые из Калифорнийского университета научились создавать топливо из воды. Над созданием альтернативного вида топлива американские специалисты начали работу еще два года назад. На протяжении этого времени ученые обнаружили, что при правильном расщеплении молекул воды получается горючее, которое в будущем способно заменить все существующие ныне ресурсы. Полученный результат не до конца удовлетворил ученых, поэтому исследовательская работа еще продолжается.

Новый метод, который разработали специалисты, способен расщеплять воду на несколько молекул. При правильном синтезе водорода возникают процессы, которые присущи топливу. Однако существует основная проблема, решением которой занимаются ученые. Дело в том, что расщепленные молекулы подвергаются стремительному разрушению, в результате чего синтезировать все элементы не представляется возможным.

На сегодняшний день ученые работают над созданием метода, который бы позволил использовать все полученные элементы. Конечно, это вновь может оказаться уткой, но возможно что и нет. И если результаты научной работы окажутся положительными, то человечество получит новый альтернативный вид топлива, ресурсы которого будут неограниченными.

Удаление из воды кислорода и углекислого газа

Г. Овчинников

Растворенные в воде кислород и углекислый газ повышают скорость коррозии стали, особенно при повышенных температурах. Поэтому их положено максимально удалять из котловой воды и воды отопительных систем. В данной публикации предлагается обзор направленных на это современных способов водоподготовки

Котловые системы по их назначению принято подразделять на водогрейные и паровые, поэтому для каждого типа существует свой набор требований к очищенной воде, которые также зависят от мощности и температурного режима.

Разработку официальных требований осуществляют надзорные органы, однако они всегда мягче рекомендаций производителя, устанавливаемых исходя из гарантийных обязательств. Кроме того, в европейском Союзе эти документы проходят всестороннюю экспертизу в органах стандартизации и профильных организациях с точки зрения эффективности и длительной эксплуатации котла. Поэтому целесообразно ориентироваться именно на рекомендации производителя.

Рис. Установка с зернистым редокситом для удаления кислорода из подпиточной воды пеллетных котлов Национального Ботанического сада им. Н.Н. Гришко

Все многообразие водно-химических режимов регламентируется Правилами технической эксплуатации, а также различными руководящими документами, относящимися к отдельным из перечисленных режимам. Только соблюдение правильного водного и химического режимов обеспечит надежную, безаварийную и долговечную работу котельного оборудования, наряду с системами теплоснабжения.

Вред растворенных в котловой воде газов

Также необходима нейтрализация свободной СО₂ в оборотных конденсатах нагревательных систем.

Для удаления кислорода из питательной воды котлов можно использовать как физические, так и химические методы. Обычно их комбинируют, сначала — физические, затем химические методы.

Физические методы

К физическим методам относят применение деаэраторов, которые бывают термическими и вакуумными. Для деаэрации воды также разработаны электромагнитный, высокочастотный и ультразвуковой способы, а также пузырьковый азотный.

Наибольшее распространение в паровых и водогрейных котельных получил термический способ. Он основан на процессах, описанных в законе Генри. Согласно с ним, растворимость идеальных газов в воде при постоянной температуре и невысоком давлении прямо пропорциональна парциальному давлению данных газов над водой. Повышение температуры до уровня насыщения при данном давлении снижает до нуля парциальные давления газов над водой, следовательно, и растворимость газов в воде снижается до нуля. Вследствие нарушения равновесия в системе происходит выделение газов из воды (физическая десорбция).

Подбирая такие соотношения температуры и давления, при которых газы становятся практически нерастворимыми, можно почти полностью удалить их из воды.

За последние годы конструкции аппаратов для удаления газов были значительно улучшены. В настоящее время имеется несколько удачных типов деаэраторов, каждый из которых приспособлен для специальной цели. Существуют установки для деаэрации холодной воды без нагревания, дающие 15000 м³ в день и снижающие содержание кислорода до 0,22 мл/дм³. Вода в таком аппарате разбрызгивается по специальным лоткам камеры, находящейся под низким давлением. Газы могут удаляться паровыми эжекторами с холодильниками или вакуумными насосами.

В паровых котельных применяются в основном смешивающие десорберы атмосферного типа низкого избыточного давления. В таком аппарате струйки воды движутся вниз навстречу поступающему из парораспределительной камеры пару, и, соприкасаясь с ним, нагреваются до температуры кипения, в результате чего из воды выделяется растворенный в ней воздух.

В устройстве поддерживается давление 0,12 МПа, а вода нагревается до 104°C, т.е. до температуры кипения при этом давлении. Испарившаяся вода и воздух через штуцер направляются в теплообменник для подогрева воды, поступающей в аппарат. Номинальная производительность таких деаэраторов 25–300 т/ч.

В котельных с водогрейными котлами, где нет пара, используются вакуумные деаэраторы, в которых поддерживается давление около 0,03 МПа при температуре кипения около 69°C. Такое разрежение создается при помощи водоструйного эжектора.

Главным условием удаления газов из горячей воды является поддержание ее в тонкораспыленном состоянии (в течение достаточного времени) при температуре кипения, соответствующей давлению, при котором растворенные газы свободно выделяются в газообразную фазу. При простом типе открытого нагревателя питательной воды деаэратор, при нагреве до 88—93°C и свободном отводе газов в атмосферу, снижает концентрацию кислорода приблизительно до 0,3 мл/дм³.

Устройства для удаления кислорода для систем горячего водоснабжения для больших зданий и комплексов зданий устроены иначе. Воду нагревают под вакуумом так, чтобы температура кипения ее не превышала 60—80°C при помощи рядов змеевиков с греющим паром. Затем воду разбрызгивают вниз по тарелкам. Температура пара, поступающего в нижние змеевики, выше температуры воды, которая вследствие этого испаряется; пар увлекает выделившиеся газы через клапан, охлаждаемый входящей холодной водой. Конденсат из клапана стекает обратно, в тарелочную камеру, в то время, как газы выбрасываются вакуумным насосом или паровым эжектором.

если устройство помещается в подвале здания, то требуется циркуляционный насос для горячей воды, иногда его устанавливают в чердачных технических этажах здания, чтобы подача воды реализовывалась за счет естественной циркуляции. В таких условиях достигается концентрация кислорода 0,04 мл/дм³, что обеспечивает защиту системы от коррозии при температуре ниже 70°С.

В деаэраторах для котловой питательной воды осуществляется прямой контакт воды с паром. Чаще всего применяются аппараты тарелочного типа, работающие под давлением или вакуумом. Десорбер с распылением, работающий под небольшим давлением, широко применяется в котельных установках. В деаэраторе тарелочного типа холодная питательная вода проходит через холодильник, затем поступает в камеру, нагреваемую паром, где разбрызгивается на металлические тарелки. После этого вода стекает в резервуар для хранения. Пар наполняет все пространство, причем направление его движения таково, что он нагревает воду и удаляет выделяющиеся газы. Таким образом, можно достигнуть практически полного отсутствия кислорода в воде.

В более современной модели деаэратора происходит распыление воды в атмосферу пара при давлении приблизительно 0,1 кг/см². Этот тип десорбера разработан для судовых котлов. Устройство состоит из холодильника, секции с паровым обогревом, деаэрационной секции, окружающей впуск пара, и секции для хранения деаэрированной воды, расположенной внизу аппарата. Холодная питательная вода проходит через холодильник, затем через распыляющие форсунки, поступает в камеру, обогреваемую паром, и снова через форсунки в деаэрационную камеру, а затем в водосборник. Пар входит в деаэрационную камеру под давлением 0,7 кг/см² и подымается в холодильник, где выпускаются удаляемые газы, а теплота пара передается воде, поступающей в аппарат. Большая часть растворенного кислорода удаляется из воды при первоначальном ее нагревании; последние 5% кислорода удаляются значительно труднее. Для этого служит деаэрационная камера, которая обеспечивает практически полное удаление кислорода из воды.

Наиболее мощные деаэраторы удаляют также всю свободную двуокись углерода и частично — полусвязанную углекислоту и другие газы. При этом, вследствие отсутствия двуокиси углерода, рН воды увеличивается.

Существует безреагентная технология глубокого удаления кислорода для паровых и водогрейных систем, с использованием гидрофобных мембран в контакторах, что позволяет достигать глубокой степени очистки воды – до 1 мкг/дм³.

Применение десорбционных методов позволяет удалять газ до известного предела, недостаточного в ряде случаев по условиям использования воды. Кроме того, не всегда имеется возможность и необходимость включения в схемы сложных аппаратов для газоудаления. Поэтому на многих теплоэлектростанциях для обработки питательной и добавочной воды применяются химические методы связывания O₂ и CO₂ в вещества, являющимися безопасными в коррозионном отношении.

Химические методы

В основе химических методов удаления из воды растворенных газов лежит их химическое связывание, достигаемое введением реагентов или фильтрованием через специальные загрузки.

Для извлечения из воды кислорода применяют ее фильтрование через легко окисляющиеся вещества, например, стальные стружки, другие регенерируемые загрузки.

Степень удаления свободного кислорода для предотвращения коррозии котлов и сетей, зависит от температуры теплоносителя, объема воды.

Обычно при 70°, как это имеет место во многих системах ГВС, не требуется уменьшение содержания кислорода ниже 0,07 мл/дм³. Для паровых котлов, работающих под давлением ниже 17,5 кг/см² (без экономайзеров) желательный предел не должен превышать примерно 0,02 мл/дм³. Для котлов высокого давления (или при применении экономайзеров) требуется практически полное отсутствие кислорода, т. е. ниже 0,0035 мл/дм³.

Содержание O₂ в системах холодной воды при одноступенчатой аэрации достигает значения не более 0,2 мл/дм³, а при условии содержания кислорода менее 0,07 мл/дм³, применяется дополнительная обработка воды, выходящей из деаэратора, дозированием химических препаратов.

Существует много реагентов и их композиций под разными коммерческими названиями, которые могут быть использованы для нейтрализации кислорода. У каждого реагента есть свои положительные и отрицательные свойства и качества. Они будут рассмотрены ниже.

Самым распространенным реагентом для химического удаления кислорода из воды служит сульфит натрия Na₂SO₃ под разными фирменными названиями. Как в чистом виде, так и в виде каталитически активной формы. В качестве катализаторов используют очень небольшие количества меди или кобальта.

Рекомендуемые концентрации сульфита натрия у разных авторов значительно отличаются. Для удаления 1 кг кислорода требуется около 8 кг сульфита натрия, однако есть много рекомендаций по дозированию избыточного количества этого катализатора – от 2 до 40 мг/дм³ для конкретных котлов и режимов работы.

Обработка воды с помощью Na₂SO₃ основана на реакции окисления сульфита растворенным в воде кислородом:

2Na₂SO₃ + O₂ = 2Na₂SO₄.

В этой реакции в качестве восстановителя выступает четырехвалентная сера S⁴⁺, которая отдает электроны кислороду, окисляясь до S⁶⁺.

Важным показателем процесса связывания кислорода является скорость реакции между сульфитом натрия и кислородом. Она зависит от температуры обрабатываемой воды и, в соответствии с законом действия масс, — от количества вводимого реагента.

Так, при температуре воды 40°C и дозировке стехиометрического количества сульфита натрия процесс завершается за 6—7 минут, при температуре 80°C время реакции составляет немногим более 1 минуты. При 70% избытке реагента, в соответствии с законом действия масс, реакция протекает до конца в течение 2 минут при любой температуре.

При температуре свыше 275°C (давление насыщения 6 МПа) сульфит натрия может разлагаться с образованием SO₂ или H₂S, что заметно увеличивает скорость коррозии оборудования пароконденсатного тракта.

Поэтому данный реагент может быть использован только для обескислороживания воды котлов среднего давления (3–6 МПа), испарителей и для подпиточной воды тепловой сети.

Раствор сульфита натрия концентрацией 3–6% готовят в баке, защищенном от контакта с атмосферой, и затем, с помощью дозатора, вводят в обрабатываемую воду с некоторым избытком против стехиометрического количества.

Однако передозировка реагента во много раз повышает электропроводность котловой воды (содержание солей), а также шламообразование, возможны проблемы в связи с образованием пены в котловой воде.

Сульфитирование просто в осуществлении, не требует громоздкой и дорогой аппаратуры. Недостатком данного метода является то, что оно увеличивает сухой остаток в количестве 10–12 мг/дм³ на 1 мг/дм³ растворенного кислорода.

Разработана и применяется оригинальная эффективная технология по удалению O₂ из воды с применением зернистого фильтрующего материала, изготовленного на основе синтетических ионитов макропористой структуры, в которую встраиваются активные центры металлов, в частности, двухвалентного железа.

В процессе фильтрации воды через слой загрузочного материала окисление растворенным кислородом переводит закисные формы железа (FeO) в двойной оксид железа (FeO•Fe₂O₃nH₂O) или в полутораокиси (Fe₂O₃•nH₂O).

Сущность технологического процесса заключается в применении сорбента, имеющего достаточно высокую емкость поглощения по кислороду (т.е. представляющего собой редоксит в восстановленной форме). В качестве такого сорбента использован ионитный комплекс с переходным металлом, введенным в фазу ионита.

При этом процесс химического поглощения кислорода можно представить в виде следующего уравнения:

4RMe(ОН)_n + О₂ + 2H₂O → 4RMe(OH)_(n+1),

где R – нерастворимый в воде сложный радикал ионита;Ме – переходной металл.

По мере фильтрации воды через слой редоксита все большая его часть будет переходить в окисленную форму и, наконец, способность к дальнейшему поглощению кислорода будет полностью исчерпана. По истечению рабочего цикла Redox-фильтра истощенный сорбент подвергается регенерации.

Регенерация представляет собой процесс восстановления поглотительной способности редоксита путем пропуска через слой, например, тиосульфата натрия:

RMe(ОН)_n + 2H₂O → 4RMe(OH)_(n-1),

где R – нерастворимый в воде сложный радикал ионита; Ме – переходной металл.

Перед пропуском регенерационного раствора редоксит необходимо взрыхлять обратным током воды. После его отмывают от избытка реагента и продуктов регенерации.

Для барабанных котлов высоких и сверхвысоких давлений применяется гидразин в форме гидразин-гидрата или гидразин-сульфата, которые энергично взаимодействуют с кислородом, окисляясь в итоге до воды и азота, т.е. не повышая солесодержания воды:

N₂H₄·H₂O + O₂ = 3H₂O + N₂.

Гидразин-гидрат можно успешно применять для обработки питательной воды как барабанных, так и прямоточных котлов (он не повышает сухого остатка воды), в то время как гидразин-сульфат — только для обработки питательной воды барабанных котлов (он несколько увеличивает сухой остаток).

Скорость реакции зависит от температуры, pH среды, избытка гидразина, в соответствии с законом действия масс, а также присутствия катализаторов. При температуре менее 30°C гидразин практически не взаимодействует с O₂, но при 105°C, pH = 9–9,5 и избытке гидразина около 0,02 мг/дм³ время практически полного связывания кислорода составляет несколько секунд.

Гидразин вводится в воду в виде 0,1–0,5% раствора с избытком против стехиометрического количества с учетом того, что часть его расходуется на восстановление высших оксидов железа и меди из отложений на трубах.

Гидразин-сульфат может применяться при любых давлениях, однако наиболее целесообразно использовать его только при давлении 70 кгс/см² и выше, а при низком давлении лучше применять сульфит натрия вследствие его меньшей стоимости.

Расчет дозы гидразина g (мкг/кг) в пересчете на NH₄рекомендуется производить по формуле:

g=С₁+0,35С₂+0,15С₃+0,25С₄+40,

где С₁ — концентрация кислорода в питательной воде до ввода гидразина, мкг/кг; С₂ – концентрация нитритов в питательной воде до ввода гидразина, мкг/кг;С₃ – концентрация железа в питательной воде, мкг/кг;С₄ – концентрация меди в питательной воде, кг/кг.

Концентрация гидразина в рабочем растворе С (мг/кг) рассчитывается по формуле:

С = D/DH,

где D – расход питательной воды, т/ч;DН – средняя (регулируемого диапазона) подача насоса-дозатора, л/ч.

При приготовлении рабочего раствора гидразин-сульфата, последний должен быть нейтрализован едким натром. его количество, необходимое для нейтрализации, y (кг) рассчитывается по формуле:

у=0,62у₁+0,04ЩV_б,

где у₁ – количество загружаемого гидразинсульфата, кг;Щ – щелочность по фенолфталеину воды, используемой для приготовления рабочего раствора, мг-экв/кг;V_б – объем бака, м³.

В котловой воде и в пароперегревателях избыток гидразина разлагается с образованием аммиака:

3N₂H₄ = 4NH₃ + N₂.

При организации гидразинной обработки воды следует учитывать, что гидразин является высокотоксичным и канцерогенным веществом, при концентрации выше 40% он горюч, поэтому должны предусматриваться специальные строгие меры безопасности.

Для связывания кислорода в котловой воде могут применяться и другие органические и неорганические соединения. Например гидрохинон (парадиоксибензол), пирогаллол (несимм-триоксибензол), изоаскорбиновая кислота, карбогидразин, N, N-диэтилгидроксиламин (ДЭГА). Их применение регламентируется рекомендациями производителя конкретного оборудования.

Все вышеперечисленные химические соединения могут входить в рецептуру многих комплексных фирменных составов для обработки котловой воды и внутрикотловых поверхностей.

Углекислота, поступающая в пароводяной цикл через различные воздушные неплотности оборудования, а также и за счет разложения карбонатов солей (в добавочной воде), приводит к понижению рН воды. Это, в свою очередь, усиливает процессы коррозии за счет взаимодействия водородных ионов с металлом, а также за счет снижения защитных свойств окисной пленки на поверхности металла. Вследствие этого углекислота всегда является фактором усиления коррозии.

Для предотвращения углекислотной коррозии оборудования конденсатно-питательного тракта ТЭС с барабанными котлами применяется способ связывания свободной углекислоты путем ввода в конденсат турбин или питательную воду щелочного реагента – водного раствора аммиака. Основной задачей такой обработки является повышение pH воды и конденсата на участках пароводяного тракта, что надежно обеспечивает защиту оборудования от коррозии с водородной деполяризацией.

Дозировка аммиака определяется его количеством, необходимым для связывания диоксида углерода в гидрокарбонат аммония. Небольшой избыток NH₃ сверх этого количества образует уже карбонат аммония и повышает pH воды до значений выше 8,5:

NH₃ + H₂O + CO₂ = NH₄HCO₃,
NH₄HCO₃ + NH₃ = (NH₄)₂CO₃.

Из приведенных уравнений следует, что для связывания 1 мг/дм³ CO₂ достаточно 0,26 мг/дм³ аммиака.

Аммиак обычно вводится в обрабатываемую воду в виде 1–5% раствора Nh5OH с помощью насосов-дозаторов, автоматизированных по расходу воды. При концентрации свободной углекислоты в воде или паре свыше 8 мг/дм³ применение аммиака обычно недопустимо, так как может протекать коррозия медных сплавов (латуни), применяющихся для изготовления оборудования конденсатно-питательного тракта.

Разработан и применяется комбинированный гидразино-аммиачный режим,который характеризуется вводом в теплоноситель (в основном в питательную воду) аммиака в целях повышения рН воды и нейтрализации воздействия углекислоты, а также вводом гидразина с целью снижения содержания остаточного кислорода после деаэраторов питательной воды. Благодаря воздействию высокого значения рН, замедляются коррозионные процессы стали и медных сплавов. Однако аммиак, помимо способности к повышению рН аминируемой воды, обладает также способностью специфического коррозионного воздействия на медные сплавы. Поэтому доза аммиака при введении гидразино-аммиачного режима ограничивается поддержанием в питательной воде содержания аммиака на уровне, не превышающем 1 мг/дм³.

Читайте статьи и новости в Telegram-канале AW-Therm. Подписывайтесь на YouTube-канал.

Просмотрено: 38 322

Вам также может понравиться

Заказ был отправлен, с Вами свяжется наш менеджер.

Как сделать воду из водорода и кислорода

Вода — это общее название монооксида дигидрогена или H ₂ O. Молекула образуется в результате многочисленных химических реакций, в том числе реакции синтеза ее элементов, водорода и кислорода. Сбалансированное химическое уравнение реакции:

2 H ₂ + O ₂ → 2 H ₂ O

Как сделать воду

Теоретически легко сделать воду из газообразного водорода и газообразного кислорода.Смешайте два газа вместе, добавьте искру или достаточно тепла, чтобы получить энергию активации, чтобы начать реакцию, и предварительно растворите воду. Однако простое смешивание двух газов при комнатной температуре ничего не даст, например, молекулы водорода и кислорода в воздухе не образуют воду самопроизвольно.

Для разрыва ковалентных связей, которые удерживают молекулы H ₂ и O ₂ вместе, необходима энергия. Катионы водорода и анионы кислорода затем могут свободно реагировать друг с другом, что они и делают из-за разницы в электроотрицательности.Когда химические связи реформируются, образуя воду, высвобождается дополнительная энергия, которая способствует развитию реакции. Итоговая реакция является сильно экзотермической, что означает реакцию, которая сопровождается выделением тепла.

Две демонстрации

Одна из распространенных демонстраций химии — наполнить небольшой воздушный шар водородом и кислородом и коснуться воздушного шара — на расстоянии и за защитным экраном — горящей шиной. Более безопасный вариант — заполнить баллон газообразным водородом и зажечь баллон в воздухе.Ограниченный кислород в воздухе реагирует с образованием воды, но в более контролируемой реакции.

Еще одна простая демонстрация — это пузырьки водорода в мыльной воде с образованием пузырьков газообразного водорода. Пузырьки плавают, потому что они легче воздуха. Зажигалка с длинной ручкой или горящая шина на конце метра можно использовать, чтобы зажечь их, чтобы образовалась вода. Вы можете использовать водород из баллона со сжатым газом или из любой из нескольких химических реакций (например, реакции кислоты с металлом).

Как бы вы ни реагировали, лучше надеть средства защиты органов слуха и держаться на безопасном расстоянии от реакции.Начните с малого, чтобы знать, чего ожидать.

Понимание реакции

Французский химик Антуан Лоран Лавуазье назвал водород, по-гречески «образующий воду», на основе его реакции с кислородом, другим элементом, названным Лавуазье, что означает «продуцент кислоты». Лавуазье был очарован реакциями горения. Он изобрел устройство для образования воды из водорода и кислорода, чтобы наблюдать за реакцией. По сути, в его установке использовались два колпака — один для водорода и один для кислорода, которые подавались в отдельный контейнер.Механизм искрения инициировал реакцию, образуя воду.

Вы можете сконструировать устройство таким же образом, если будете осторожно контролировать скорость потока кислорода и водорода, чтобы не пытаться образовать слишком много воды за один раз. Также следует использовать термостойкий и ударопрочный контейнер.

Роль кислорода

В то время как другие ученые того времени были знакомы с процессом образования воды из водорода и кислорода, Лавуазье открыл роль кислорода в горении.Его исследования в конечном итоге опровергли теорию флогистона, согласно которой во время горения из вещества выделялся элемент, похожий на огонь, называемый флогистоном.

Лавуазье показал, что газ должен иметь массу, чтобы произошло горение, и что масса сохраняется после реакции. Превращение водорода и кислорода в воду было отличной реакцией окисления для изучения, потому что почти вся масса воды происходит из кислорода.

Почему мы не можем просто делать воду?

Согласно отчету ООН за 2006 год, 20 процентов людей на планете не имеют доступа к чистой питьевой воде.Если так сложно очистить воду или опреснить морскую воду, вы можете задаться вопросом, почему мы просто не производим воду из ее элементов. Причина? Одним словом — БУМ!

Взаимодействие с водородом и кислородом — это, по сути, сжигание газообразного водорода, за исключением того, что вместо использования ограниченного количества кислорода в воздухе вы разжигаете огонь. Во время горения к молекуле добавляется кислород, который в этой реакции образует воду. Сжигание также высвобождает много энергии. Тепло и свет производятся так быстро, что ударная волна распространяется наружу.

По сути, у вас взрыв. Чем больше воды вы сделаете за один раз, тем сильнее будет взрыв. Он работает для запуска ракет, но вы видели видео, где это было ужасно неправильно. Взрыв Гинденбурга — еще один пример того, что происходит, когда вместе собирается много водорода и кислорода.

Итак, мы можем производить воду из водорода и кислорода, что часто делают химики и преподаватели, — в небольших количествах. Нецелесообразно использовать этот метод в больших масштабах из-за рисков и из-за того, что очистка водорода и кислорода для протекания реакции намного дороже, чем производство воды другими методами, очистка загрязненной воды или конденсация водяного пара. с воздуха.

Ученые открыли новый способ получения воды

На знакомой школьной демонстрации химии инструктор сначала использует электричество для разделения жидкой воды на составляющие газы, водород и кислород. Затем, комбинируя два газа и зажигая их искрой, инструктор с громким хлопком превращает газы обратно в воду.

Ученые из Университета Иллинойса открыли новый способ получения воды, причем без хлопка.Они могут не только производить воду из маловероятных исходных материалов, таких как спирты, их работа также может привести к созданию лучших катализаторов и менее дорогих топливных элементов.

«Мы обнаружили, что нетрадиционные гидриды металлов можно использовать для химического процесса, называемого восстановлением кислорода, который является неотъемлемой частью процесса производства воды», — сказал Захария Хайден, докторант и ведущий автор статьи, принятой для публикации в Журнал Американского химического общества .

Молекула воды (официально известная как монооксид дигидрогена) состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.Но нельзя просто взять два атома водорода и наклеить их на атом кислорода. Реальная реакция образования воды немного сложнее: 2h3 + O2 = 2h3O + Energy.

На английском языке уравнение гласит: Чтобы получить две молекулы воды (h3O), две молекулы двухатомного водорода (h3) должны быть объединены с одной молекулой двухатомного кислорода (O2). Энергия будет высвобождена в процессе.

«Эта реакция (2h3 + O2 = 2h3O + Energy) известна на протяжении двух столетий, но до сих пор никто не заставил ее работать в гомогенном растворе», — сказал Томас Раухфус из университета.профессора химии и автора-корреспондента статьи.

Хорошо известная реакция также описывает то, что происходит внутри водородного топливного элемента.

В типичном топливном элементе двухатомный газообразный водород входит с одной стороны элемента, а двухатомный кислород — с другой стороны. Молекулы водорода теряют свои электроны и становятся положительно заряженными в результате процесса, называемого окислением, в то время как молекулы кислорода получают четыре электрона и становятся отрицательно заряженными в результате процесса, называемого восстановлением.Отрицательно заряженные ионы кислорода объединяются с положительно заряженными ионами водорода, образуя воду и выделяя электрическую энергию.

«Трудная сторона» топливного элемента — это реакция восстановления кислорода, а не реакция окисления водорода, — сказал Раухфусс. «Однако мы обнаружили, что новые катализаторы восстановления кислорода могут также привести к новым химическим средствам окисления водорода».

Раухфус и Хайден недавно исследовали относительно новое поколение катализаторов гидрирования с переносом для использования в качестве нетрадиционных гидридов металлов для восстановления кислорода.

В своей статье JACS исследователи сосредотачиваются исключительно на окислительной способности катализаторов гидрогенизации переноса на основе иридия в гомогенном неводном растворе. Они обнаружили, что комплекс иридия действует как на окисление спиртов, так и на восстановление кислорода.

«Большинство соединений реагируют либо с водородом, либо с кислородом, но этот катализатор реагирует с обоими», — сказал Хайден. «Он реагирует с водородом с образованием гидрида, а затем реагирует с кислородом с образованием воды; и делает это в гомогенном неводном растворителе.”

Новые катализаторы могут привести в конечном итоге к разработке более эффективных водородных топливных элементов, что существенно снизит их стоимость, сказал Хайден.

Источник: Иллинойсский университет в Урбана-Шампейн.

Исследователи открыли новый способ производства водорода с помощью микроволн.

Ссылка :
Ученые открыли новый способ получения воды (31 октября 2007 г.)
получено 4 марта 2021 г.
с https: // физ.org / news / 2007-10-science.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Производство воды из водорода и кислорода

В результате химической реакции между кислородом и водородом образуется вода.(Anne Helmenstine)

Сделать воду из водорода и кислорода так же просто, как смешать газообразный водород и газообразный кислород и добавить искру или тепло. Вычисленное уравнение химической реакции:

2 H ₂ + O ₂ → 2 H ₂ O

Это реакция синтеза, в ходе которой из элементов образуется вода. Это еще и реакция горения. При сжигании водорода для получения воды возникает яркое красное пламя и громкий звук.

Как водород и кислород создают воду

Простое смешивание водорода и кислорода не приведет к образованию воды.И водород, и кислород существуют в виде двухатомных газов. Реакция между ними требует энергии, чтобы разорвать связи между атомами, чтобы они могли образовать новый продукт. Как только связи разрываются, каждый атом водорода имеет положительный заряд +1, а каждый атом кислорода имеет отрицательный заряд -2. Два атома водорода, связанные с одним атомом кислорода, дают воду, которая электрически нейтральна. Электрическая искра инициирует реакцию, как и тепло. Но как только реакция начинается, она становится очень экзотермической и проходит до завершения.

Простые демонстрации получения воды

Продемонстрировать получение воды из водорода и кислорода несложно. Главное — сохранить небольшой масштаб реакции. В противном случае выделяется слишком много тепла.

Один из методов — продувать водород через мыльную воду с образованием водородных мыльных пузырей. Эти пузыри плавают, потому что они легче воздуха. Используйте зажигалку с длинной ручкой или горящую шину, прикрепленную к измерителю, чтобы зажечь пузыри. Получите водород либо из баллона со сжатым газом, либо с помощью химической реакции.

Другой метод — наполнение небольшого баллона водородом и прикосновение к баллону горящей шиной, прикрепленной к измерителю. Водород в баллоне реагирует с кислородом воздуха. Вы можете наполнить баллон водородом и кислородом и зажечь его, но только за защитным экраном и с использованием средств защиты органов слуха.

Посмотрите разницу между использованием чистого водорода и водорода с кислородом. Обратите внимание на красный цвет реакции (1:50).

Питьевая вода и топливные элементы

Согласно отчету ООН о развитии водных ресурсов за 2006 год, примерно каждый пятый человек не имеет доступа к чистой питьевой воде.Если воду так легко приготовить, почему бы нам не использовать ее в качестве источника пресной воды? Есть две причины. Во-первых, опасно сочетать большое количество водорода и кислорода. Авария в Гинденбурге — пример результата. Другая причина в том, что это нецелесообразно с экономической или экологической точки зрения. Для производства водорода требуется больше энергии, чем для получения воды из других источников.

Однако реакция между водородом и кислородом находит практическое применение в топливных элементах.В топливном элементе водород (или другое топливо) реагирует с кислородом (или другим окислителем), производя электричество и тепло. В топливных элементах используются катализаторы, снижающие энергию активации реакции, поэтому ее легче инициировать. Никель является обычным катализатором, а вода — наиболее распространенным «отходом». Водородные топливные элементы используются для резервного питания, питания космических аппаратов и удаленных объектов, а также в водородных автомобилях.

Почему водород и кислород создают воду вместо перекиси водорода

Вода — не единственное распространенное химическое вещество, получаемое из водорода и кислорода.Вы можете задаться вопросом, почему водород и кислород производят воду (H ₂ O) вместо перекиси водорода (H ₂ O ₂ ). Самое простое объяснение состоит в том, что для двух атомов водорода гораздо выгоднее реагировать с одним атомом кислорода, чем добавлять в смесь еще один кислород. Несмотря на то, что газообразный кислород — O ₂ , связь между атомами должна разорваться, чтобы кислород образовал связи с водородом и образовал воду. Помните, что, хотя обычная степень окисления кислорода составляет -2, на самом деле он показывает другие состояния.Иногда водород и кислород действительно образуют перекись водорода, но эта молекула по своей природе нестабильна и в конечном итоге разлагается на воду и кислород.

Лавуазье делает воду

Ученые знали, что кислород и водород производят воду задолго до того, как они поняли молекулярную основу химических реакций. Французский химик Антуан Лавуазье даже назвал этот элемент водородом. Название водорода происходит от греческих слов, которые означают «водообразование». Лавуазье открыл роль кислорода в горении, в конечном итоге используя реакцию между водородом и кислородом, чтобы продемонстрировать сохранение массы для реакций горения и опровергнуть теорию флогистона.

Список литературы

• Grove, William Robert (1839). «О гальванических рядах и сочетании газов платиной». Философский журнал и научный журнал . XIV (86–87): 127–130. DOI: 10,1080 / 14786443908649684
• Хаух, Энн; Эббесен, Суне Далгаард; и другие. (2008). «Высокоэффективный высокотемпературный электролиз». Журнал химии материалов . 18 (20): 2331. DOI: 10.1039 / b718822f
• Хурми Р. С. (2014). Материаловедение .С. Чанд и компания.
• Шмидт-Рор, К. (2015). «Почему процессы горения всегда экзотермичны, давая около 418 кДж на моль O ₂ ». J. Chem. Educ . 92: 2094–2099. doi: 10.1021 / acs.jchemed.5b00333

Похожие сообщения

Ученые открывают новый способ создания воды — ScienceDaily

На знакомой школьной демонстрации химии инструктор сначала использует электричество для разделения жидкой воды на составляющие его газы, водород и кислород.Затем, комбинируя два газа и зажигая их искрой, инструктор с громким хлопком превращает газы обратно в воду.

Ученые из Университета Иллинойса открыли новый способ получения воды, причем без хлопка. Они могут не только производить воду из маловероятных исходных материалов, таких как спирты, их работа также может привести к созданию лучших катализаторов и менее дорогих топливных элементов.

«Мы обнаружили, что нетрадиционные гидриды металлов можно использовать для химического процесса, называемого восстановлением кислорода, который является важной частью процесса производства воды», — сказал Захария Хайден, докторант и ведущий автор статьи, принятой для публикации в Журнал Американского химического общества и размещен на его веб-сайте.

Молекула воды (официально известная как монооксид дигидрогена) состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Но вы не можете просто взять два атома водорода и наклеить их на атом кислорода. Реальная реакция образования воды немного сложнее: 2H ₂ + O ₂ = 2H ₂ O + Energy.

На английском языке уравнение гласит: Чтобы получить две молекулы воды (H ₂ O), две молекулы двухатомного водорода (H ₂ ) должны быть объединены с одной молекулой двухатомного кислорода (O ₂ ).Энергия будет высвобождена в процессе.

«Эта реакция (2H ₂ + O ₂ = 2H ₂ O + энергия) известна уже два столетия, но до сих пор никто не заставил ее работать в гомогенном растворе», — сказал Томас Раухфусс, Ю. И., профессор химии и автор статьи.

Хорошо известная реакция также описывает то, что происходит внутри водородного топливного элемента.

В типичном топливном элементе двухатомный газообразный водород входит с одной стороны элемента, а двухатомный кислород — с другой стороны.Молекулы водорода теряют свои электроны и становятся положительно заряженными в результате процесса, называемого окислением, в то время как молекулы кислорода получают четыре электрона и становятся отрицательно заряженными в результате процесса, называемого восстановлением. Отрицательно заряженные ионы кислорода объединяются с положительно заряженными ионами водорода, образуя воду и выделяя электрическую энергию.

«Трудная сторона» топливного элемента — это реакция восстановления кислорода, а не реакция окисления водорода, — сказал Раухфусс. «Однако мы обнаружили, что новые катализаторы восстановления кислорода могут также привести к новым химическим средствам окисления водорода.«

Раухфус и Хайден недавно исследовали относительно новое поколение катализаторов гидрирования с переносом для использования в качестве нетрадиционных гидридов металлов для восстановления кислорода.

В своей статье JACS исследователи сосредотачиваются исключительно на окислительной способности катализаторов гидрогенизации переноса на основе иридия в гомогенном неводном растворе. Они обнаружили, что комплекс иридия действует как на окисление спиртов, так и на восстановление кислорода.

«Большинство соединений реагируют либо с водородом, либо с кислородом, но этот катализатор реагирует с обоими», — сказал Хайден.«Он реагирует с водородом с образованием гидрида, а затем реагирует с кислородом с образованием воды; и это происходит в гомогенном неводном растворителе».

Новые катализаторы могут привести в конечном итоге к разработке более эффективных водородных топливных элементов, что существенно снизит их стоимость, сказал Хайден.

Работа финансировалась Министерством энергетики США.

Почему при объединении водорода и кислорода обычно образуется вода, а не перекись водорода?

Химики Джоэл Розенталь и Дэниел Г.Носера из Массачусетского технологического института дает такой ответ.

Когда молекулярный водород (H ₂ ) и кислород (O ₂ ) объединяются и дают возможность взаимодействовать вместе, высвобождается энергия, и молекулы водорода и кислорода могут объединяться с образованием воды или перекиси водорода. Эти два процесса представлены двумя химическими уравнениями, показанными справа. Химики используют окислительно-восстановительные полуреакции для описания термодинамических процессов, подобных тем, которые воплощаются в таких уравнениях.Для обеих показанных реакций молекулы водорода окисляются, а атомы кислорода восстанавливаются. Соответственно, каждая из приведенных ниже реакций описывается комбинацией двух полуреакций — одна соответствует химическому окислению, а другая — восстановлению.

Редокс-полуреакция окисления водорода относительно проста и показана в левой части схемы ниже. В этом окислении молекула газообразного водорода ионизируется до двух электронов и двух протонов.Записать полуреакцию восстановления кислорода сложнее, поскольку кислород может быть восстановлен одним, двумя или четырьмя электронами, как показано квадратной схемой окислительно-восстановительного потенциала справа внизу. В большинстве химических реакций молекулярный кислород восстанавливается по красным и синим путям, выделенным на этой окислительно-восстановительной схеме. Полное восстановление O ₂ четырьмя электронами (4e ^— + 4H ⁺ , синий горизонтальный путь) генерирует два эквивалента воды, тогда как соответствующее двухэлектронное восстановление (2e ^— + 2H ⁺ , красный диагональный путь) дает перекись водорода.Как двух- (G¿ = -0,695 В), так и четырехэлектронного (G¿ = -1,229 В) восстановления O ₂ энергетически падают, но в первой реакции тратится более половины вольта энергии. . Соответственно, биологические процессы, связанные с восстановлением O ₂ , такие как клеточное дыхание, являются высокоселективными для полного пути 4e ^— + 4H ⁺ , чтобы максимизировать энергию, доступную для синтеза АТФ. Селективное восстановление кислорода до воды в таких биологических системах имеет решающее значение не только для максимизации энергии, производимой для клеточного метаболизма, но также потому, что перекись водорода является мощным окислителем и цитотоксином, который вредит живым клеткам.

Учитывая энергетику, представленную выше, существует сильная термохимическая предвзятость для производства воды по перекиси водорода, когда H ₂ и O ₂ взаимодействуют вместе. Например, когда газообразный водород сжигается в присутствии кислорода, выделяется большое количество энергии, и в качестве основного продукта образуется вода. Однако в случаях, когда реакция более контролируема, например, потребление водорода и кислорода в топливном элементе, механизм и кинетика процесса восстановления O ₂ могут значительно усложнить проблемы.Например, доставка протонов и электронов, образующихся в результате ионизации водорода (см. Полуреакцию окислительно-восстановительного потенциала выше), к молекуле кислорода должна точно контролироваться с помощью процесса, известного как перенос электронов с протонной связью, чтобы гарантировать, что полное четырехэлектронное восстановление O ₂ доминирует. Металлическая платина может служить катализатором, обладающим исключительной селективностью для четырехэлектронного восстановления кислорода до воды, и, соответственно, лежит в основе конструкции и функционирования топливных элементов.Учитывая, что платина редка и чрезвычайно дорога, текущие исследования направлены на разработку структурных и функциональных моделей активации кислорода и его восстановления до воды посредством протонно-связанного переноса электронов. Подобные стратегии также используются для запуска энергетически активной обратной реакции, в которой водород производится из воды с использованием солнечной энергии. Успех обеих этих областей работы может в конечном итоге оказаться решающим для развития и устойчивости глобальной водородной экономики.

Почему мы не можем производить воду?

Вода вокруг нас все время, мы ее просто не видим. Воздух в нашей атмосфере содержит разное количество водяного пара в зависимости от погоды. Когда жарко и влажно, испаренная вода может составлять до 6 процентов воздуха, которым мы дышим. В холодные и засушливые дни он может составлять всего 0,07 процента состава воздуха [источник: Министерство энергетики США].

Этот воздух является частью круговорота воды , земного процесса. Грубо говоря, вода испаряется из рек, озер и океана.Он уносится в атмосферу, где может собираться в облака (которые на самом деле представляют собой скопления водяного пара). После того, как облака достигнут точки насыщения, образуются капли воды, которые мы знаем как дождь. Этот дождь стекает с земли и собирается в водоемы, где весь процесс начинается снова.

Проблема в том, что круговорот воды проходит через засушливые периоды. Из-за этого некоторые изобретатели начали задаваться вопросом, а зачем ждать? Почему бы не вытянуть водяной пар прямо из воздуха?

Один австралийский изобретатель сделал именно это.Макс Виссон является создателем ветряной мельницы Whisson , которая использует энергию ветра для сбора воды из атмосферы. Whisson указывает Австралийской радиовещательной корпорации, что водяной пар составляет около «10 000 миллиардов литров [около 2 600 миллиардов галлонов] в нижнем километре [около 0,62 мили] воздуха во всем мире» [источник: ABC]. Более того, эта вода заменяется каждые несколько часов в рамках круговорота воды.

Ветряная мельница Уиссона использует хладагент для охлаждения лопастей своей мельницы, которую он назвал Max Water.Эти лопасти расположены не по диагонали, а вертикально, так что их поворачивает даже легкий ветерок. Холодные лезвия охлаждают воздух, заставляя водяной пар конденсироваться, — снова становиться жидкой водой. Затем этот конденсат собирается и хранится. Ветряная мельница Whisson может собирать до 2600 галлонов воды из воздуха в день.

Уиссон говорит, что его самая большая проблема — не в разработке его изобретения, а в поиске венчурного капитала для его поддержки — он говорит, что люди думают, что это слишком хорошо, чтобы быть правдой.Эта проблема может показаться знакомой паре американских изобретателей, у которых есть собственное изобретение по производству воды.

Джонатан Райт и Дэвид Ричардс создали машину, похожую на машину Whisson, за исключением того, что она больше похожа на складной автофургон, чем на ветряную мельницу. Это изобретение, которое его создатели называют AquaMagic , вытягивает воздух непосредственно из окружающей его области. Внутри машины воздух охлаждается через охлаждающий змеевик. Воздух конденсируется, а вода собирается, очищается и выпускается через кран.

Аппарат AquaMagic, который в настоящее время стоит около 28 000 долларов за единицу, может производить до 120 галлонов очищенной воды за 24 часа, и, поскольку он небольшой, его можно перевозить как в места бедствий, так и в страны Африки к югу от Сахары. Но у него также есть один недостаток: для производства такого количества воды AquaMagic требуется около 12 галлонов дизельного топлива. Именно здесь ветряная мельница Whisson (которая стоит около 43000 долларов за единицу) имеет явное преимущество перед AquaMagic: она полностью экологична. Он работает исключительно на энергии ветра, не требуя ископаемого топлива.Даже конденсатор использует энергию, вырабатываемую турбинами ветряной мельницы.

Говоря об окружающей среде, зачем собирать воду из воздуха? Почему бы просто не вызвать еще больше дождя? Это может показаться надуманным, но на самом деле это делается — иногда с катастрофическими последствиями. На следующей странице выясните, почему манипулировать круговоротом воды — не лучшая идея.

Производство водорода: электролиз | Министерство энергетики

Как это работает?

Подобно топливным элементам, электролизеры состоят из анода и катода, разделенных электролитом.Различные электролизеры функционируют немного по-разному, в основном из-за разного типа материала электролита.

Мембранные электролизеры с полимерным электролитом

В электролизере с полимерной электролитной мембраной (PEM) электролит представляет собой твердый специальный пластик.

• Вода реагирует на аноде с образованием кислорода и положительно заряженных ионов водорода (протонов).
• Электроны проходят через внешнюю цепь, а ионы водорода избирательно перемещаются через PEM к катоду.
• На катоде ионы водорода объединяются с электронами из внешней цепи с образованием газообразного водорода. Анодная реакция: 2H ₂ O → O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^— Катодная реакция: 4H ⁺ + 4e ^— → 2H ₂

Щелочные электролизеры

за счет переноса гидроксид-ионов (OH ^— ) через электролит от катода к аноду с образованием водорода на катодной стороне.Электролизеры, использующие жидкий щелочной раствор гидроксида натрия или калия в качестве электролита, коммерчески доступны в течение многих лет. Новые подходы, использующие твердые щелочнообменные мембраны в качестве электролита, перспективны в лабораторных условиях.

Твердооксидные электролизеры

Твердооксидные электролизеры, в которых в качестве электролита используется твердый керамический материал, который селективно проводит отрицательно заряженные ионы кислорода (O ^2-) при повышенных температурах, генерируют водород немного по-другому.

• Вода на катоде соединяется с электронами из внешней цепи с образованием газообразного водорода и отрицательно заряженных ионов кислорода.
• Ионы кислорода проходят через твердую керамическую мембрану и реагируют на аноде с образованием газообразного кислорода и генерации электронов для внешней цепи.

Твердооксидные электролизеры должны работать при температурах, достаточно высоких для нормального функционирования твердооксидных мембран (около 700-800 ° C, по сравнению с электролизерами PEM, которые работают при 70-90 ° C, и промышленными щелочными электролизерами, работать при 100–150 ° C).Электролизеры на твердом оксиде могут эффективно использовать тепло, доступное при этих повышенных температурах (из различных источников, включая ядерную энергию), для уменьшения количества электроэнергии, необходимой для производства водорода из воды.

Почему рассматривается этот путь?

Водород, произведенный посредством электролиза, может привести к нулевым выбросам парниковых газов, в зависимости от источника используемой электроэнергии. Источник необходимой электроэнергии, включая ее стоимость и эффективность, а также выбросы в результате производства электроэнергии, необходимо учитывать при оценке выгод и экономической целесообразности производства водорода с помощью электролиза.Во многих регионах страны сегодняшняя электросеть не идеальна для обеспечения электроэнергией, необходимой для электролиза, из-за выделяемых парниковых газов и количества топлива, необходимого из-за низкой эффективности процесса производства электроэнергии. Производство водорода посредством электролиза используется для возобновляемых (ветряных) и ядерных источников энергии. Эти пути приводят к практически нулевым выбросам парниковых газов и загрязняющих веществ.

Потенциал для синергизма с производством энергии из возобновляемых источников
Производство водорода посредством электролиза может открыть возможности для синергизма с производством переменного тока, что характерно для некоторых технологий возобновляемых источников энергии.Например, несмотря на то, что стоимость энергии ветра продолжает снижаться, присущая ветру изменчивость является препятствием для эффективного использования энергии ветра. Водородное топливо и производство электроэнергии могут быть интегрированы в ветряную электростанцию, что позволит гибко менять производство, чтобы наилучшим образом согласовать наличие ресурсов с эксплуатационными потребностями системы и рыночными факторами. Кроме того, во время избыточного производства электроэнергии ветряными электростанциями вместо того, чтобы сокращать потребление электроэнергии, как это обычно делается, можно использовать это избыточное электричество для производства водорода путем электролиза.

Важно отметить …

• Сегодняшняя электросеть не является идеальным источником электроэнергии для электролиза, поскольку большая часть электроэнергии вырабатывается с использованием технологий, которые приводят к выбросам парниковых газов и являются энергоемкими. Производство электроэнергии с использованием технологий возобновляемой или ядерной энергии, либо отдельно от сети, либо в качестве растущей части структуры сети, является возможным вариантом преодоления этих ограничений для производства водорода посредством электролиза.
• Министерство энергетики США и другие продолжают усилия по снижению стоимости производства электроэнергии из возобновляемых источников и развитию более эффективного производства электроэнергии на основе угля с улавливанием, использованием и хранением углерода. Например, производство ветровой электроэнергии быстро растет в Соединенных Штатах и ​​во всем мире.

Исследования направлены на преодоление проблем

• Снижение капитальных затрат на электролизер и баланс системы, а также повышение энергоэффективности преобразования электроэнергии в водород.