Для этого нужен более сложный прибор - электролизер, который состоит из широкой загнутой трубки, наполненной раствором щелочи, в которую погружены два электрода из никеля.
Кислород будет выделяться в правом колене электролизера, куда подключен положительный полюс источника тока, а водород - в левом.
Это обычный тип электролизера, которым пользуются в лабораториях для получения небольших количеств чистого кислорода.
В больших количествах кислород получают в электролитических ваннах разнообразных типов.
Войдем в один из электрохимических заводов по производству кислорода и водорода. В огромных светлых залах-цехах строгими рядами стоят аппараты, к которым по медным шинам подводится постоянный ток. Это электролитические ванны. В них из воды можно получить кислород и водород.
Электролитическая ванна - сосуд, в котором параллельно друг другу расположены электроды. Сосуд наполняют раствором - электролитом. Число электродов в каждой ванне зависит от размера сосуда и от расстояния между электродами. По схеме включения электродов в электрическую цепь ванны делятся на однополярные (монополярные) и двухполярные (биполярные).
В монополярной ванне половина всех электродов подключается к положительному полюсу источника тока, а вторая половина - к отрицательному полюсу.
В такой ванне каждый электрод служит или анодом, или катодом, и на обеих сторонах его идет один и тот же процесс.
В биполярной ванне источник тока подключается только к крайним электродам, один из которых служит анодом, а другой - катодом. С анода ток поступает в электролит, через который он переносится ионами к близлежащему электроду и заряжает его отрицательно.
Проходя через электрод, ток снова входит в электролит, заряжая обратную сторону этого электрода положительно. Таким образом, проходя от одного электрода к другому, ток доходит до катода.
В биполярной ванне только анод и катод работают как монополярные электроды. Все же остальные электроды, расположенные между ними, являются с одной стороны катодами (-), а с другой стороны - анодами (+).
При прохождении электрического тока через ванну между электродами выделяются кислород и водород. Эти газы нужно отделить друг от друга и направить каждый по своему трубопроводу.
Существуют два способа отделения кислорода от водорода в электролитической ванне.
Первый из них заключается в том, что электроды отгораживаются друг от друга металлическими колоколами. Образующиеся на электродах газы поднимаются в виде пузырьков кверху и попадают каждый в свой колокол, откуда через верхний отвод направляются в трубопроводы.
Этим способом кислород легко отделить от водорода. Однако такое разделение приводит к излишним, непроизводительным затратам электроэнергии, так как электроды приходится ставить на большом расстоянии друг от друга.
Другой способ разделения кислорода и водорода при электролизе заключается в том, что между электродами ставится перегородка - диафрагма, которая является непроницаемой для пузырьков газа, но хорошо пропускает электрический ток. Диафрагма может быть сделана из плотно сотканной асбестовой ткани толщиной 1,5-2 миллиметра. Эту ткань натягивают между двумя стенками сосуда, создавая тем самым изолированные друг от друга катодные и анодные пространства.
Водород из всех катодных и кислород из всех анодных пространств поступают в сборные трубы. Оттуда по трубопроводам каждый газ направляется в отдельное помещение. В этих помещениях под давлением 150 атмосфер полученными газами наполняют стальные баллоны. Баллоны направляют во все уголки нашей страны. Кислород и водород находят широкое применение в различных областях народного хозяйства.
В отличие от традиционного топлива, которое выделяет вредные выхлопные газы, загрязняющие атмосферу и приводящие к изменению климатических условий, водородное топливо абсолютно безвредно для окружающей среды.
Почему все транспортные средства не используют водород в качестве топлива?
До сих пор экологически чистый процесс получения водорода требовал большого количества драгоценных металлов, что значительно повышает стоимость водородного топлива, особенно в сравнении с традиционным.
Путем химического взаимодействия атомов водорода с атомами кислорода, находящегося в воздухе, водородное топливо вырабатывает достаточно энергии для двигателя автомобиля, а «выхлопами» такого мотора становится чистая вода. Однако сегодня практически каждый «чистый» двигатель, который работает на водородном топливе, использует водород, полученный с помощью природного газа - процесс, экологическая чистота которого находится под сомнением.
Как получить «чистый» водород?
С помощью электрических потоков воду можно разделить на атомы кислорода и водорода. Этот процесс требует большого количества дорогих металлов, таких как платина или иридий, - они хорошо проводят электричество и не портятся, находясь в воде долгое время.
Процесс расщепления молекулы воды на атомы водорода и кислорода называется электролизом и проходит следующим образом: два электрода опускаются в воду, по ним проводится ток, под действием которого атомы водорода стремятся к отрицательно заряженному катоду, а атомы кислорода к положительно заряженному аноду.
Новый прорыв
Ученые из Стэндфордского университета провели уникальный эксперимент, в результате которого совершили процесс электролиза с помощью стандартных никелевых электродов под рекордно низким напряжением - обычная батарейка в 1.5 Вольт.
По данным ученых, конструкция электродов из никеля и его оксида позволила процессу успешно завершиться под таким низким напряжением. До этого никому не удавалось совершить подобное. Новая технология в промышленных масштабах поможет производителям водородного топлива значительно сэкономить на электричестве и проводниках. Сейчас ученые работают над тем, как увеличить продолжительность работы никелевых проводников в воде.
Казалось бы, топливо из воды и больше ничего - что может быть проще и в то же время гениальнее? Внешняя энергия нужна только для начала рабочего цикла двигателя: некая сила воздействует на молекулы воды так, что они распадаются на два атома водорода и один атом кислорода каждая. Потом водород, как нас учили, с лающим звуком сгорает в кислороде. Как итог - образуется вода. Часть энергии идет на то, чтобы толкать поршни двигателя, а часть - на новую реакцию. Получилась бы идеальная машина: окружающую среду не загрязняет, да и воды ей требуется не так и много.
Однако физики по отношению к таким изобретениям настроены весьма скептически: сама идея вечного двигателя противоречит второму началу термодинамики. Напомним: «Невозможен самопроизвольный переход тепла от тела менее нагретого к телу более нагретому». В применении к нашему гипотетическому топливу из H 2 O можно его переформулировать так: на расщепление воды уйдет больше энергии, чем получится в результате сгорания водорода.
Тем не менее, изобретатели уверены, что где-то здесь закралась ошибка. И есть способ расщепить воду с наименьшими затратами энергии.
1. Самая конспирологическая модель
Некоторые утверждают, что американский изобретатель Стэн Майер (на фото) изобрел свой водный двигатель еще в конце прошлого века. И даже успел получить на него патент. Но негодяи из топливных корпораций (или из Мирового правительства - кому как больше нравится) погубили механика-самоучку, чтобы его изобретение никогда не вышло в массы. В марте 1998 года изобретатель поужинал в ресторане, дошел до парковки и умер в своей машине. Ему было всего 48 лет. Предположительная причина смерти - отравление, а по официальной версии - аневризма сосудов головного мозга.
Итак, двигатель мистера Майера был устроен следующим образом. Главное в устройстве - некий «водный топливный элемент». Именно в нем вода с помощью электролиза распадается на водород и кислород, образуя так называемый гремучий газ, HOH (гидроксид водорода).
Именно эту штуку Майер установил в двигатель багги, заменив также свечи зажигания на специальные инжекторы, впрыскивающие гремучий газ в цилиндры двигателя внутреннего сгорания. Машинку изобретатель собрал еще в 1990 году и продемонстрировал ее корреспонденту телеканала штата Огайо. По его словам, всего 83 литров воды было бы достаточно для того, чтобы совершить путешествие из Нью-Йорка в Лос-Анджелес. А это, ни много, ни мало, почти пять тысяч километров.
История изобретения довольно печальна. Стэн продал патент на багги двум инвесторам за 25 тысяч долларов. А в 1996 году, после того, как багги исследовали именитые эксперты из Лондонского университета Куин Мэри и Королевской инженерной академии наук Великобритании, суд признал его виновным в подлоге и обязал его вернуть деньги инвесторам.
2. Воздух и вода
В 2008 году мир потрясла очередная новость о двигателе, работающем лишь на воздухе и воде. На этот раз добрая весть прилетела из Японии: корпорация Genepax заявила, что для работы их двигателя требуется только вода и воздух. Как и в версии Стэна Майера, двигатель внутреннего сгорания от Genepax работает на водороде, который выделяется из воды. А вся соль устройства - в особой конструкции электродов, которые, собственно, и расщепляют воду на водород и кислород. Это изобретение японцы назвали MEA - Membrane Electrode Assembly (мембранное электродное устройство).
Работает оно так: гидрид металла взаимодействует с водой, а в результате получается водород. Правда, с помощью нового устройства эта реакция длится дольше - пока работает двигатель. А значит, нет нужды в особом баке для перевозки крайне взрывоопасного водорода. Как утверждают представители компании Genepax, для реакции нужны катализаторы - например, платина.
В последнее время о водном двигателе ничего не слышно - то ли революционности в открытии никакого нет, то ли ресурсодобывающие компании не дают уникальному автомобилю стать массовым.
3. Пакистан избавляет себя - и весь мир заодно - от топливного кризиса
Именно с таким посылом правительство мусульманского государства, обделенного ресурсами, решило вложиться в работу одного инженера, который заявил о создании уникального водного двигателя. Агха Вакар Ахмад создал специальное устройство, которое методом электролиза расщепляет воду на водород и кислород и может быть установлено на любой двигатель внутреннего сгорания. Что, кстати, и было продемонстрировано пакистанским ученым и экспертам из министерства энергетики.
Изобретение пакистанского механика не снимет ваш автомобиль с углеводородной иглы полностью. Тем не менее, после подключения его к стандартным цилиндрам бензинового или дизельного двигателя у автомобиля резко снижается расход топлива. И само топливо сгорает практически полностью - а значит, уменьшается выброс вредных веществ в атмосферу.
Разработки водно-бензинового двигателя сейчас пока продолжаются. В обстановке полной секретности, разумеется.
Подробности Опубликовано: 01.11.2015 11:03
Разработка недорогого метода создания чистого топлива для современных ученых является, чем-то вроде поисков философского камня для алхимиков прошлого. Но если у последних, судя по ценам на золото, в конечном итоге что-то не заладилось, то первые – добиваются определенных успехов в своих работах. Одним из таких способов может служить применение солнечного света, который расщепляет воду на ее составляющие – водород и кислород, а затем отделять водород и использовать его как топливо. Но процесс расщепления воды не так уж и прост.
Двое ученых из Института молекулярной инженерии (IME) и Висконсинского университета в Мадисоне серьезно продвинулись в деле создания «зеленого» топлива, значительно улучшив эффективность ключевых процессов и предложив несколько концептуально новых инструментов, которые позволят более широко применять технологии расщепления воды с помощью солнечного света. Результаты из работы опубликованы в журнале Nature Communications .
В своем исследовании, специалист в области электронных структур и симуляторов, профессор IME Джулия Галли (Giulia Galli) и профессор химии Кьйонг-Шин Чой (Kyoung-Shin Choi) Висконсинского университета нашли способ увеличить эффективность, с которой расщепляющий воду электрод адсорбирует фотоны света и, в то же время, улучшили поток электронов от одного электрода к другому. Симуляторы позволили им понять, что происходит на атомном уровне.
«Наши результаты вдохновят других исследователей в области поисков методов улучшения нескольких процессов с помощью одного подхода, - говорит Чой. – То есть, дело не только в достижении более высокой эффективности, но и создании новой стратегии в этом направлении».
Создавая электрод, который улавливает световое излучение, ученые стремились использовать как можно больше спектров солнечного света, способных возбудить электроны и преобразовать их в структуру, которая является оптимальной для реакции расщепления. Довольно важным моментом, хотя и свойственным для несколько другой области проблемы, является необходимость обеспечения легкого перемещения электронов между электродами, создающего электрический ток. До сих пор ученым приходилось прибегать к отдельным манипуляциям для улучшения адсорбции фотонов и движения электронов в тестируемых ими материалах.
Чой со своим коллегой доктором Тэ Ву Ким (Tae Woo Kim) пришли к заключению, что если нагреть электрод, изготовленный из материала на основе ванадата висмута , до 350 градусов Цельсия в азотной среде, некоторые частицы азота войдут в соединение с основным материалом. В результате была улучшена и адсорбция фотонов, и транспортировка электронов, однако, какое влияние на это оказывает азот, оставалось невыясненным. Было решено обратиться к Галли с тем, чтобы пролить свет на вопрос с помощью ее симуляторов.
С помощью тестов Галли обнаружилось, что азот воздействует на электроды несколькими способами. Нагревание в азотной среде способствует выделению атомов кислорода из ванадата висмута, создавая «дефекты», которые улучшают перенос электронов. Но позднее ученые выяснили, что помимо дефектов, перемещению заряженных частиц способствует также и сам азот, понижая порог энергии , необходимой для начала преобразования электрода в ту структуру, которая способна расщеплять воду. Это означает, что электроды могут использовать больше солнечной энергии.
«Теперь мы понимаем, что происходит на микроскопическом уровне», - отмечает Галли. – «Так что наша концепция внедрения носовых элементов и новых дефектов в материал может быть использована в других системах, в которых требуется улучшить эффективность. Более того, ее можно применять и в отношении других материалов».
Процессы, в которых теоретики и практики тесно взаимодействуют, являются естественными для науки. Но когда сотрудничество специалистов разных областей возникает на столь раннем этапе – явление, не совсем обычное. Двое ученых «нашли друг друга» с помощью Национального научного фонда и созданного им проекта CCI Solar – инновационного центра, объединяющего специалистов различных научных отраслей в поисках решений для создания технологий расщепления воды.
