Разделение воды

редактировать
Диаграмма химического уравнения для электролиз воды, форма расщепления воды.

Расщепление воды - это химическая реакция, в которой вода расщепляется на кислород и водород :

2 H 2 O → 2 H 2 + O 2

Эффективное и экономичное фотохимическое расщепление воды стало бы технологическим прорывом, который uld лежит в основе водородной экономики. Никакой промышленно практический вариант расщепления воды чистой водой не продемонстрирован, но двухкомпонентные реакции (образование H 2 и образование O 2) хорошо известны. Разделение воды морской воды и другой соленой воды, однако, используется в промышленности для производства хлора, и собранный отработанный водород составляет около пяти процентов мировых запасов. Вариант расщепления воды происходит в фотосинтезе, но водород не образуется. Обратное расщепление воды лежит в основе водородного топливного элемента.

Содержание
  • 1 Электролиз
  • 2 Расщепление воды при фотосинтезе
  • 3 Фотоэлектрохимическое расщепление воды
  • 4 Фотокаталитическое расщепление воды
  • 5 Радиолиз
  • 6 Наногальванический порошок алюминиевого сплава
  • 7 Термическое разложение воды
    • 7.1 Ядерно-термическое
    • 7.2 Солнечно-термическое
  • 8 Исследования
  • 9 См. Также
  • 10 Ссылки
  • 11 Внешние ссылки
Электролиз
Передняя часть электролизера с электрической панелью на переднем плане

Электролиз воды - это разложение воды (H2O) на кислород (O2) и водород (H2) из-за электрического тока, проходящего через воду.

Атмосферное электричество Использование для химической реакции, в которой вода разделяется на кислород и водород. (Изображение взято: Vion, патент США 28793. Июнь 1860 г.)
  • Vion, U.S. Патент 28,793, «Усовершенствованный метод использования атмосферного электричества», июнь 1860 г.

В схемах выработки энергии из газа используется избыточная мощность или внепиковая мощность, создаваемая ветряными генераторами или солнечными батареями. для балансировки нагрузки энергосистемы путем хранения и последующего впрыска водорода в сеть природного газа.

Электролиз водного корабля Hydrogen Challenger

Производство водорода из воды является энергоемким. Потенциальные источники электроэнергии включают гидроэнергетику, ветряные турбины или фотоэлектрические элементы. Обычно потребляемая электроэнергия более ценится, чем произведенный водород, поэтому этот метод не получил широкого распространения. В отличие от низкотемпературного электролиза, высокотемпературный электролиз (HTE) воды преобразует большую часть первоначальной тепловой энергии в химическую энергию (водород), потенциально удваивая эффективность примерно до 50%. Поскольку часть энергии в HTE поставляется в виде тепла, меньшая часть энергии должна быть преобразована дважды (из тепла в электричество, а затем в химическую форму), и поэтому процесс более эффективен.

Расщепление воды при фотосинтезе

Вариант расщепления воды происходит в фотосинтезе, но электроны шунтируются не на протоны, а на транспортную цепь электронов в фотосистема II. Электроны используются для преобразования диоксида углерода в сахара.

Когда фотосистема I возбуждается фотовозбуждением, инициируются реакции переноса электронов, что приводит к восстановлению ряда акцепторов электронов, в конечном итоге восстанавливая НАДФ до НАДФН, а ФС I окисляется. Окисленная фотосистема I захватывает электроны из фотосистемы II через ряд этапов с участием таких агентов, как пластохинон, цитохромы и пластоцианин. Фотосистема II затем вызывает окисление воды, что приводит к выделению кислорода, причем реакция катализируется кластерами CaMn 4O5, встроенными в сложную белковую среду; комплекс известен как комплекс, выделяющий кислород (OEC).

биореактор из водорослей для производства водорода.

В биологическом производстве водорода электроны, производимые фотосистемой, шунтируются не в аппарат химического синтеза, а в гидрогеназы, что приводит к образованию H 2. Этот биоводород производится в биореакторе.

Фотоэлектрохимическом расщеплении воды

Использование электроэнергии, производимой фотоэлектрическими системами, потенциально предлагает самый чистый способ производства водорода, кроме ядерной, ветровой и геотермальной энергии., и гидроэлектростанции. Снова вода расщепляется на водород и кислород посредством электролиза, но электрическая энергия получается с помощью процесса фотоэлектрохимического элемента (PEC). Система также называется искусственный фотосинтез.

Фотокаталитическое расщепление воды

Преобразование солнечной энергии в водород посредством процесса расщепления воды - один из наиболее интересных способов получения чистой и возобновляемой энергии. Этот процесс может быть более эффективным, если ему помогают фотокатализаторы, взвешенные непосредственно в воде, а не фотоэлектрическая или электролитическая система, так что реакция протекает в один этап.

Радиолиз

Ядерное излучение обычно разрывает водные связи, на золотом руднике Мпоненг , Южная Африка, как выяснили исследователи в зоне с естественным высоким уровнем радиации, доминирует сообщество новым филотипом Desulfotomaculum, питающимся в основном радиолитически произведенным H2.отработанным ядерным топливом / "ядерными отходами", также рассматриваются как потенциальный источник водорода.

Наногальванический порошок алюминиевого сплава

Порошок алюминиевого сплава, изобретенный США. Армейская исследовательская лаборатория в 2017 году продемонстрировала способность производить газообразный водород при контакте с водой или любой жидкостью, содержащей воду, благодаря своей уникальной наноразмерной гальванической микроструктуре. Сообщается, что он генерирует водород с выходом 100% от теоретического без использования каких-либо катализаторов, химикатов или внешнего источника энергии.

Нано-гальванический порошок на основе алюминия, разработанный США. Армейская исследовательская лаборатория
Термическое разложение воды

При термолизе молекулы воды расщепляются на атомарные компоненты водород и кислород. Например, при 2200 ° C около трех процентов всего H 2 O диссоциируют на различные комбинации атомов водорода и кислорода, в основном H, H 2, O, O. 2 и ОН. Другие продукты реакции, такие как H 2O2или HO 2, остаются второстепенными. При очень высокой температуре 3000 ° C более половины молекул воды разлагается, но при температуре окружающей среды только одна молекула из 100 триллионов диссоциирует под действием тепла. Высокие температуры и материальные ограничения ограничивают возможности применения этого подхода.

Ядерно-тепловой

Одно из побочных преимуществ ядерного реактора, который производит и электричество, и водород, заключается в том, что он может переключать производство между ними. Например, электростанция может производить электричество днем ​​и водород ночью, согласовывая свой профиль выработки электроэнергии с дневными колебаниями спроса. Если водород можно производить экономично, эта схема будет выгодно конкурировать с существующими схемами сетевого накопления энергии. Более того, в Соединенных Штатах существует достаточный спрос на водород, чтобы все ежедневные пики производства могли быть обработаны такими установками.

Гибридный термоэлектрический цикл хлор-медь - система когенерации, использующая отходящее тепло ядерных реакторов, в частности CANDU реактор со сверхкритической водой.

солнечно-тепловой

Высокие температуры, необходимые для разделения воды, могут быть достигнуты за счет использования концентрирующей солнечной энергии. Hydrosol-2 - это 100-киловаттная пилотная установка на Plataforma Solar de Almería в Испании, которая использует солнечный свет для получения требуемой температуры от 800 до 1200 ° C для разделения вода. Hydrosol II находится в эксплуатации с 2008 года. Проект этой 100-киловаттной опытной установки основан на модульной концепции. В результате может оказаться возможным, что эту технологию можно будет легко расширить до мегаваттного диапазона, умножив доступные реакторные блоки и подключив установку к полям гелиостата (поля зеркал, отслеживающих солнце) подходящего размер.

Материальные ограничения из-за требуемых высоких температур уменьшены за счет конструкции мембранного реактора с одновременным извлечением водорода и кислорода, который использует определенный температурный градиент и быструю диффузию водорода. Благодаря концентрированному солнечному свету в качестве источника тепла и только воде в реакционной камере получаемые газы очень чистые, и единственным возможным загрязнителем является вода. «Солнечная установка для крекинга воды» с концентратором около 100 м² может производить почти один килограмм водорода за один солнечный час.

Исследования

Исследования проводятся по фотокатализу, ускорение фотореакции в присутствии катализатора. Его понимание стало возможным с момента открытия электролиза воды с помощью диоксида титана. Искусственный фотосинтез - это область исследований, которая пытается воспроизвести естественный процесс фотосинтеза, превращая солнечный свет, воду и углекислый газ в углеводы и кислород. В последнее время удалось разделить воду на водород и кислород с использованием искусственного соединения под названием Nafion.

Высокотемпературный электролиз (также HTE или паровой электролиз ) - метод, который в настоящее время используется исследованы на производство водорода из воды с кислородом в качестве побочного продукта. Другие исследования включают термолиз на дефектных углеродных подложках, что делает возможным производство водорода при температурах чуть ниже 1000 ° C.

цикл оксида железа представляет собой серию термохимических процессов, используемых для получения водорода. Цикл оксида железа состоит из двух химических реакций, чистым реагентом которых является вода, а чистыми продуктами - водород и кислород. Все остальные химические вещества перерабатываются. Процесс оксида железа требует эффективного источника тепла.

серо-йодный цикл (цикл S-I) - это серия термохимических процессов, используемых для производства водорода. Цикл S-I состоит из трех химических реакций, чистым реагентом которых является вода, а чистыми продуктами - водород и кислород. Все остальные химические вещества перерабатываются. Процесс S-I требует эффективного источника тепла.

Для расщепления воды или термолиза описано более 352 термохимических циклов. Эти циклы обещают производить водород, кислород из воды и тепла без использования электричества. Поскольку вся энергия для таких процессов - тепло, они могут быть более эффективными, чем высокотемпературный электролиз. Это связано с тем, что эффективность производства электроэнергии ограничена по своей природе. Термохимическое производство водорода с использованием химической энергии из угля или природного газа обычно не рассматривается, поскольку прямой химический путь более эффективен.

Для всех термохимических процессов суммарной реакцией является реакция разложения воды:

2 H 2 O ⇌ Тепло 2 H 2 + O 2 {\ displaystyle {\ ce {2H2O <=>[ {\ ce {Heat}}] 2H2 {} + O2}}}{\displaystyle {\ce {2H2O <=>[{\ ce {Heat}}] 2H2 {} + O2}}}

Все остальные реагенты перерабатываются. Ни один из процессов термохимического производства водорода не был продемонстрирован на уровни производства, хотя некоторые из них были продемонстрированы в лабораториях.

Также проводятся исследования жизнеспособности наночастиц и катализаторов для снижения температуры, при которой вода расщепляется.

Недавно Металл-Органик Материалы на основе каркаса (MOF) оказались очень многообещающим кандидатом для расщепления воды дешевыми переходными металлами первого ряда.;

Исследования сосредоточены на следующих циклах:

Термохимический цикл LHV КПДТемпература (° C / F)
Цикл оксид церия (IV)-оксид церия (III) (CeO 2 / Ce 2O3)? %2000 ° C (3630 ° F)
Гибридный цикл серы (HyS)43%900 ° C (1650 ° F)
Серно-йодный цикл (цикл SI)38%900 ° C (1650 ° F)
46%1000 ° C (1830 ° F)
39%1000 ° C (1830 ° F)
35%1100 ° C (2010 ° F)
Цинк цинк-оксидный цикл (Zn / ZnO)44%1900 ° C (3450 ° F)
42%1600 ° C (2910 ° F)
43%1600 ° C (2910 ° F)
Цикл оксида железа (Fe 3 O 4 / FeO {\ displaystyle {\ ce {Fe3O4 / FeO}}}{\ displaystyle {\ ce {Fe3O4 / FeO}}} )42%2200 ° C (3990 ° F)
49%1560 ° C (2840 ° F)
43%1800 ° C (3270 ° F)
43%1800 ° C (3270 ° F)
Медно-хлорный цикл (Cu-Cl)41%550 ° C (1022 ° F)
См. Также
Ссылки
Внешние ссылки
Последняя правка сделана 2021-06-20 09:31:25
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте