Химический способ добычи водорода

Технологии получения Н2

Существует несколько способов получения водородной воды, включая электролиз (например, ионизаторы воды или специальные водородные генераторы), химическая реакция щелочными металлами и воды (например, алюминий, магний) или просто барботирование газообразного H2 в воду.

ЭЛЕКТРОЛИЗ

На рынке существует множество приборов и устройств, способных изменять химические и физические показатели воды при помощи электрического тока. Современные технологии научилась определять какие именно показатели воды имеют полезные и терапевтические свойства.

В настоящее время для производства водородной воды используется 2 метода электролиза, это электрические системы, которые воздействуют электрическим током через минеральные соли в воде, а именно, ионизаторы щелочной воды и генераторы водородной воды с нейтральным рН.

ИОНИЗАТОРЫ ВОДЫ

Ионизатором воды является любое устройство или изделие, которое увеличивает концентрацию заряженных частиц — ионов и свободных электронов. В данном методе образуется щелочная среда с насыщением водорода на катоде и кислая среда с насыщением кислорода на аноде, где анод и катод разделены барьером.

Приборы ионизации воды существуют очень давно и в настоящее время ежегодно появляются новые приборы и изделия для изменения свойств воды.

Что такое ионизация воды?

Под ионом подразумевается электрически заряженная частица (положительная или отрицательная) в виде атома или молекулы, которые образовываются при присоединении или потери электронов. Поэтому любое устройство, которое увеличивает концентрацию ионов является ионизатором воды.

После научного открытия ионизации воды путем электролиза М.Фарадея были обнаружены и другие возможности ионизации воды. Процесс ионизации можно получить несколькими способами, но его эффективность и себестоимость будет существенно отличаться.

Важно обратить внимание на то, что ионизаторы щелочной воды были разработаны до того, как стало известно о терапевтических свойствах Н2. Таким образом, эти устройства были оптимизированы для щелочного pH, а не для высокой концентрации растворенного водорода.

Только после 2007 года ученые обнаружили, что терапевтическое свойство в щелочной ионизированной воде представляет собой газообразный водород Н2. Поэтому для терапевтического эффекта важна концентрация Н2 в воде.

Важно также отметить, что, хотя некоторые ионизаторы воды могут создавать очень высокую концентрацию Н2 за счет замедления потока воды, эта продуцируемая вода часто имеет очень высокий уровень рН, что может сделать воду неприемлемой. В этом случае легко снизить pH путем добавления нескольких капель лимонного сока (лимонной кислоты) для снижения рН при сохранении более высокого уровня, растворенного Н2.

ГЕНЕРАТОРЫ ВОДОРОДНОЙ ВОДЫ

Генераторы водорода изначально разработаны для производства водорода, где конструкция, электроды и поток воды сделаны для получения высокой концентрации Н2. Однако прогресс не стоит на месте и недавно появились современные протонообменные мембраны (PEM) на основе твердого полимерного электролита (SPE).

Протонообменная мембрана, это прорыв в электролизе воды, которая позволяет получить более высокую концентрацию чистого Н2 с отделением побочных продуктов электролиза кислорода (О2), озона (О3), и хлора (Cl2).

Как происходит электролиз в SPE/PEM мембране?

Вода проникает через поры мембраны в анодное пространство. На границе анода и мембраны происходит электроокисление воды с выделением кислорода:

2H2O + 4e» —► O2 + 4H+

Непроницаемость PEM мембраны для кислорода препятствует его проникновению в катодное пространство и образованию взрывоопасной гремучей смеси кислорода и водорода. В итоге, кислород удаляется из реакционной зоны.

Далее протоны Н+ движутся через мембрану к катоду, где происходит их восстановление с электронами с выделением газообразного водорода:

Протекание катодной и анодной реакций стимулируется введением на границе раздела электродов и полимерных катализаторов — мелкодисперсных платины и оксида иридия, что делает процесс электролиза более эффективным.

В результате вы получаете воду с высокой концентрацией чистого Н2 (более 1,2 мг/л всего за 5 мин) без примесей продуктов распада электролиза и ОВП до -500 мВ.

ОТЛИЧИЯ ОБЫЧНОГО ЭЛЕКТРОЛИЗА ОТ СОВРЕМЕННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МЕМБРАН

Современные полимерные мембраны SPE/PME сами являются электролитом, поэтому им не требуется вода с содержанием минералов для проводимости тока, в связи с чем они имеют огромное технологическое преимущество, долгий срок службы и способны производить высокую концентрацию чистого Н2.

Благодаря более низкому электрическому сопротивлению между анодом и катодом в полимерной мембране происходит меньшее падение напряжения и более эффективный электролитический выход H2. Увеличение срока службы мембраны связано с тем, что рН питьевой воды практически не меняется, соответственно не происходит образования минерального налета на электродах.

Почему это важно, что в приборе есть протонобменная мембрана/ Твердый полимерный электролит?

Вода в приборе не является электролитом, электролиз идет внутри мембраны, вода только насыщается чистым водородом. Рекомендуется использовать дистиллированную воду или воду обратного осмоса. Это позволяет долгое время сохранять работоспособность мембраны, без необходимости в промывках.

Бывают ли приборы, разделяющие при электролизе водород и кислород, но без протонобменной мембраны?

Да, даже самые в первых приборах для электролиза в виде U образной трубки водород и кислород получались отдельно. Но электролитом в них является раствор солей в воде и помимо водорода и кислорода будут выделяться другие соединения. Бывают также приборы с мембраной, отделяющей водород, но при этом мембрана не является твердым полимерным электролитом. Эти приборы требуют использования воды с солями, поэтому мембрана засоряется и требует частых промывок. Узнайте, может ли прибор работать с дистиллированной водой, чтобы понять используется ли в нем SPE/PEM мембрана.

ХИМИЧЕСКАЯ РЕАКЦИЯ МЕТАЛЛОВ С ВОДОЙ

Другой простой и удобный способ получения воды, насыщенной Н2 заключается на химической реакции щелочноземельных металлов и воды. Например, хорошо известно, что добавление металлического натрия или калия к воде приводит к огненному взрыву.

Обратите внимание, что это металлическая форма натрия, а не ионная соль (т.е. металлический натрий, а не хлорид натрия [Na+ Cl- ]). Причина, по которой происходит эта реакция, заключается в том, что металлы быстро отдают свой внешний валентный электрон воде, которая производит молекулярный водород и гидроксид натрия: (2Na + 2H2 O -> H 2 + 2NaOH). Полученный гидроксид натрия (NaOH) диссоциирует с образованием ионов натрия (Na+ ) и гидроксид-ионов (OH- ) в соответствии с: NaOH -> Na + + OH — . Эти металлы настолько бурно реагируют с водой, что выделяется достаточно тепла, чтобы воспламенить образовавшийся газообразный водород.

Самой безопасной химической реакцией металла с водой для получения Н2 является магний. Mg+2H2O->H2 +Mg(OH)2.

Гидроксид магния (Mg(OH-)2) диссоциирует на ионы магния (Mg2+) и гидроксид ионы (ОН-) в соответствии с равновесием:

Есть магниевые палочки, которые можно поместить в воду, таблетки магния, которые растворяются в воде, таблетки, которые можно употреблять (которые производят H2 в желудке), или устройства картриджного типа, которые можно поместить в воду, быстро производя 2-4 мг/кг. Концентрация LH 2 , а также фильтры для воды, содержащие залитую магниевую среду. Как и электролиз, все эти методы увеличивают pH воды, поскольку они снижают концентрацию ионов H +.

В нашем магазине Вы можете купить водородные таблетки «Шипучий магний Drink HRW» позволяют получать самые высокие концентрации растворенного водорода в воде (более 7,0мг/л) всего за 1 минуту.

ЩЕЛОЧНЫЕ АЛКАЛИНОВЫЕ СТЕРЖНИ НЕ ВЫДЕЛЯЮТ ВОДОРОД.

На рынке воды существует большое количество недорогих щелочных алкалиновых стержней либо минеральных солей (турмалин, шунгит, кремний, оксиды и соли Mg, K, Ca, Na,Fe). Алкалиновые стержни делают воду щелочной, за счет обмена ионами и не выделяют водород в достаточном количестве.

Такие изделия имеют более низкую стоимость, и они воздействуют только на кислотно-щелочной баланс организма, минимально влияя на свободные радикалы.

Важно! Обращайте внимание на состав изделия и названия минералов. Только металлический магний образует газообразный водород, который имеет терапевтический эффект!

БАРБОТИРОВАНИЕ

Еще одним из популярных методов обогащения воды газом Н2 является Барботирование.

Барботирование — это процесс пропускания газа или пара через слой жидкости. Газ продавливается через слой жидкости с помощью трубки с мелкими отверстиями.

Данный метод часто используется в промышленности и в быту, например насыщение кислородом аквариумов.

На качество насыщения воды водородом влияют следующие характеристики барботажа:

1. Давление газа. Чем больше давление, тем лучше растворение.
2. Размер пузырьков. Чем меньше размер, тем лучше растворяется.
3. Время прохождения пузырьков через слой воды. Чем дольше пузыри находятся в воде, тем больше насыщение.
4. Температура воды. В холодной воде растворение водорода происходит лучше.

Для уменьшения пузырьков используют специальные полимерные аэраторы, которые позволяют получить нано пузырьки, в результате насыщение воды водородом увеличится в разы.

Данный метод часто используется для водородных ванн и других больших емкостей с водой.

ВОДОРОДНАЯ ВОДА В ПРИРОДЕ

Известно, что в природе существует очень полезная вода. Например, из горных источников, а люди, живущие с ней рядом и постоянно употребляя ее, являются долгожителями.

Известный факт, что средняя продолжительность жизни мужчин и женщин на Северном Кавказе составляет 112 и 114 лет соответственно. В горных источниках присутствует «легкий водород» в питьевой воде и пониженное содержание кислорода в воздухе, что и является одними из главных источников долгожительства.

Польза такой воды обусловлена тем, что она проходит через земные минералы, в результате чего обогащается полезными свойствами. Эффективность такой воды имеет место только при употреблении ее из источника т.к. при длительном взаимодействии с атмосферным воздухом (10-12 часов) вода теряет свои целебные свойства.

ЦЕЛЕБНЫЕ ВОДОРОДНЫЕ ИСТОЧНИКИ В МИРЕ

На земле имеются, известные на весь мир, источники целебной воды, такие как Лурд во Франции, Норденау в Германии, Тлакота в Мексике и Надана в Индии.

Каждый год огромное количество людей с самыми разными заболеваниями приезжают к этим святым местам. Все они хотят испить целебной воды из святых источников, чтобы избавиться от своих заболеваний. Целебность этих источников подтверждена многими уникальными случаями.

Ученые стали изучать свойства этих вод и обнаружили единственное схожее свойство, делающее их уникальными – это большое содержание газообразного водорода. Концентрация Н2 в этих водах составляет 0,2 – 0,8 мг/л. Для сравнения, в обычной воде водородный показатель воды приблизительно равен 0,018 ppm. Поэтому такую воду стали называть – водородная вода.

Лурдская вода Франции

66 пациентов с неизлечимыми заболеваниями получили свидетельства об их выздоровлении. Концентрация водорода: 800ppb (0,8 мг/л)

Колодец Тлакота в Мексике

Он стал известен благодаря Magic Johnson, игроку NBA, о его СПИДе. Концентрация водорода: 200 ppb (0,2 мг/л)

Подземная вода рудника Норденауэр в Германии

Было зарегистрировано исцеления от рака крови и диабета. Концентрация водорода: 420 ppb (0,42 мг/л)

Колодец Наданы Индии

Это знаменитая достопримечательность для лечения кожных заболеваний, полиомиелита и т. д. Концентрация водорода: 180 ppb (0,18 мг/л)

Источник

Водородная энергетика: начало большого пути

Ранее мы рассказывали про то, каким экологичным видом транспорта являются электробусы. Однако не упомянули один важный момент: c ростом числа электротранспорта городам потребуется больше электричества, которое зачастую получают экологически небезопасными способами. К счастью, сегодня мир научился получать энергию при помощи ветра, солнца и даже водорода. Новый материал мы решили посвятить последнему из источников и рассказать об особенностях водородной энергетики.

На первый взгляд, водород — идеальное топливо. Во-первых, он является самым распространенным элементом во Вселенной, во-вторых, при его сгорании высвобождается большое количество энергии и образуется вода без выделения каких-либо вредных газов. Преимущества водородной энергетики человечество осознало уже давно, однако применять ее в больших промышленных масштабах пока не спешит.

Водородные топливные элементы

Первый водородный топливный элемент был сконструирован английским ученым Уильямом Гроувом в 30-х годах XIX века. Гроув пытался осадить медь из водного раствора сульфата меди на железную поверхность и заметил, что под действием электрического тока вода распадается на водород и кислород. После этого открытия Гроув и работавший параллельно с ним Кристиан Шенбейн продемонстрировали возможность производства энергии в водородно-кислородном топливном элементе с использованием кислотного электролита.

Позже, в 1959 году, Фрэнсис Т. Бэкон из Кембриджа добавил в водородный топливный элемент ионообменную мембрану для облегчения транспорта гидроксид-ионов. Изобретением Бэкона сразу заинтересовалось правительство США и NASA, обновленный топливный элемент стал использоваться на космических аппаратах «Аполлон» в качестве главного источника энергии во время их полетов.

Водородный топливный элемент из сервисного модуля «Аполлонов», вырабатывающий электричество, тепло и воду для астронавтов. Источник: James Humphreys / Wikimedia Commons

Сейчас топливный элемент на водороде напоминает традиционный гальванический элемент с одной лишь разницей: вещество для реакции не хранится в элементе, а постоянно поставляется извне. Просачиваясь через пористый анод, водород теряет электроны, которые уходят в электрическую цепь, а сквозь мембрану проходят катионы водорода. Далее на катоде кислород ловит протон и внешний электрон, в результате чего образуется вода.

Принцип работы водородного топливного элемента. Источник: Geek.com

С одной топливной ячейки снимается напряжение порядка 0,7 В, поэтому ячейки объединяют в массивные топливные элементы с приемлемым выходным напряжением и током. Теоретическое напряжение с водородного элемента может достигать 1,23 В, но часть энергии уходит в тепло.

С точки зрения «зеленой» энергетики у водородных топливных элементов крайне высокий КПД — 60%. Для сравнения: КПД лучших двигателей внутреннего сгорания составляет 35-40%. Для солнечных электростанций коэффициент составляет всего 15-20%, но сильно зависит от погодных условий. КПД лучших крыльчатых ветряных электростанций доходит до 40%, что сравнимо с парогенераторами, но ветряки также требуют подходящих погодных условий и дорогого обслуживания.

Как мы видим, по этому параметру водородная энергетика является наиболее привлекательным источником энергии, но все же существует ряд проблем, мешающих ее массовому применению. Самая главная из них — процесс добычи водорода.

Проблемы добычи

Водородная энергетика экологична, но не автономна. Для работы топливному элементу нужен водород, который не встречается на Земле в чистом виде. Водород нужно получать, но все существующие сейчас способы либо очень затратны, либо малоэффективны.

Самым эффективным с точки зрения объёма полученного водорода на единицу затраченной энергии считается метод паровой конверсии природного газа. Метан соединяют с водяным паром при давлении 2 МПа (около 19 атмосфер, т. е. давление на глубине около 190 м) и температуре около 800 градусов, в результате чего получается конвертированный газ с содержанием водорода 55-75%. Для паровой конверсии необходимы огромные установки, которые могут быть применимы лишь на производстве.

Трубчатая печь для паровой конверсии метана — не самый эргономичный способ добычи водорода. Источник: ЦТК-Евро

Более удобный и простой метод — электролиз воды. При прохождении электрического тока через обрабатываемую воду происходит серия электрохимических реакций, в результате которых образуется водород. Существенный недостаток этого способа — большие энергозатраты, необходимые для проведения реакции. То есть получается несколько странная ситуация: для получения водородной энергии нужна… энергия. Во избежание возникновения при электролизе ненужных затрат и сохранения ценных ресурсов некоторые компании стремятся разработать системы полного цикла «электричество — водород— электричество», в которых получение энергии становится возможным без внешней подпитки. Примером такой системы является разработка Toshiba H2One.

Мобильная электростанция Toshiba H2One

Мы разработали мобильную мини-электростанцию H2One, преобразующую воду в водород, а водород в энергию. Для поддержания электролиза в ней используются солнечные батареи, а излишки энергии накапливаются в аккумуляторах и обеспечивают работу системы в отсутствие солнечного света. Полученный водород либо напрямую подается на топливные ячейки, либо отправляется на хранение во встроенный бак. За час электролизер H2One генерирует до 2 м 3 водорода, а на выходе обеспечивает мощность до 55 кВт. Для производства 1 м 3 водорода станции требуется до 2,5 м 3 воды.

Пока станция H2One не способна обеспечить электричеством крупное предприятие или целый город, но для функционирования небольших районов или организаций ее энергии будет вполне достаточно. Благодаря своей мобильности она может использоваться также как и временное решение в условиях стихийных бедствий или экстренного отключения электричества. К тому же, в отличие от дизельного генератора, которому для нормального функционирования необходимо топливо, водородной электростанции достаточно лишь воды.

Сейчас Toshiba H2One используется лишь в нескольких городах в Японии — к примеру, она снабжает электричеством и горячей водой железнодорожную станцию в городе Кавасаки.

Монтаж системы H2One в городе Кавасаки

Водородное будущее

Сейчас водородные топливные элементы обеспечивают энергией и портативные пауэр-банки, и городские автобусы с автомобилями, и железнодорожный транспорт (более подробно об использовании водорода в автоиндустрии мы расскажем в нашем следующем посте). Водородные топливные элементы неожиданно оказались отличным решением для квадрокоптеров — при аналогичной с аккумулятором массе запас водорода обеспечивает до пяти раз большее время полета. При этом мороз никак не влияет на эффективность. Экспериментальные дроны на топливных элементах производства российской компании AT Energy применялись для съемок на Олимпиаде в Сочи.

Стало известно, что на грядущих Олимпийских играх в Токио водород будет использоваться в автомобилях, при производстве электричества и тепла, а также станет главным источником энергии для олимпийской деревни. Для этого по заказу Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. в японском городе Намиэ строится одна из крупнейших в мире станций по производству водорода. Станция будет потреблять до 10 МВт энергии, полученной из «зеленых» источников, генерируя электролизом до 900 тонн водорода в год.

Водородная энергетика — это наш «запас на будущее», когда от ископаемого топлива придется окончательно отказаться, а возобновляемые источники энергии не смогут покрывать нужды человечества. Согласно прогнозу Markets&Markets объем мирового производства водорода, который сейчас составляет $115 млрд, к 2022 году вырастет до $154 млрд. Но в ближайшем будущем массовое внедрение технологии вряд ли произойдет, необходимо еще решить ряд проблем, связанных с производством и эксплуатацией специальных энергоустановок, снизить их стоимость. Когда технологические барьеры будут преодолены, водородная энергетика выйдет на новый уровень и, возможно, будет так же распространена, как сегодня традиционная или гидроэнергетика.

Источник