Учебник как сделать водородную

Добавил пользователь Евгений Кузнецов
Обновлено: 19.09.2024

Актуальность

Генри Кавендиш и Михаил Ломоносов наблюдали существование зависимости между электрическими и химическими явлениями. Майкл Фарадей провёл опыты, связанные с электролизом (разложение веществ под действием электричества), в итоге доказав, что ток оказывает еще и химическое воздействие. Все эти экспериментальные данные послужили основой для возникновения науки – электрохимии, которая нашла широкое применение в различных отраслях промышленности, например в водородной энергетике. Это очень перспективное направление, ведь водород – легкий бесцветный газ, самое распространенное вещество во Вселенной. Кроме того, он обладает высокой энергетической ценностью. По данным статистики, за 2019 год более 4000 млрд кубометров природного газа добыто из исчерпаемых источников, однако получать газ можно и другим путём. В химической реакции электролиза водород выделяется из воды, что не вредит экологии, в отличие от методов, которые используют сейчас в энергетике. Поэтому именно водород идеально подходит на роль альтернативного топлива. К тому же главным преимуществом водородной энергетики является разнообразие способов получения водорода. На данный момент известны такие методы, как паровая конверсия метана и природного газа, газификация угля, пиролиз, частичное окисление, биотехнологии, но по-прежнему выработка путем электролиза является самой эффективной.

Цель

Целью данного проекта является создание мини-реактора для получения водорода путём электролиза воды.

Задачи

1. Изучить тематику проекта, теоретические основы электролиза.

2. Проанализировать данные и актуальность продукта.

3. Провести расчеты.

4. Изготовить чертежи, осуществить проектирование.

5. Создать водородный реактор.

6. Провести и проконтролировать испытания установки.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

· Вертикальная шлифовальная машина

· Лабораторный блок питания ИП-24

· Ножницы по металлу

· Резина ТМКЩ-С (тепло-морозо-кислото-щёлочестойкая)

· Нержавеющая сталь ASIS 304

Описание

Выделяемый в результате электролиза воды газообразный водород получается в специальных приборах, называемых электролизерами.

Принцип работы электролизера заключается в следующем. Вода, находящаяся в баке, заполняет пространство между электродами (пластинами). На подключенные пластины всех ячеек установки подается определенное напряжение от источника питания. При протекании электролиза к отрицательно заряженному катоду притягиваются положительно заряженные ионы. На положительно заряженном аноде происходит распад молекулы воды. Из каждой образуется два атома водорода и один атом кислорода. Полученное топливо, а именно газ Брауна (водород с кислородом), выходит по трубке и попадает в предназначенную емкость. Предполагается использовать весь объем газа после его выработки.

Контакты в электролизере возможно подключать разными способами, например так, чтобы было четыре активные ячейки с четырьмя пластинами в каждой или три активные ячейки с пятью пластинами в каждой ячейке. Крайние пластины при любом способе подключения имеют фиксированные контакты – плюс (+) или минус (–). Вариативность способов присоединения контактов позволяет осуществлять электролизную реакцию при разных значениях напряжения и силы тока.

Для самого процесса электролиза была выбрана нержавеющая сталь марки ASIS304. В соответствии с чертежами на лазерном станке были нарезаны пластины. Листы, которые не используются для подключения, обрезаны с помощью ножниц по металлу. Далее были просверлены в шахматном порядке отверстия диаметром 6 мм для ввода воды и вывода газа.

В испытуемом электролизере в качестве уплотнителя между стальными и лицевыми пластинами используется резина типа ТМКЩ-С толщиной 2 мм. Эта резина ограничивает внутреннее пространство прохождения химической реакции, а также является уплотнителем и диэлектриком, защищая от воздействий тока.

В качестве формы активной поверхности пластин, участвующих в электролизе, выбрана форма многоугольника, повторяющая типы стальных листов. Это позволяет задействовать большую площадь пластин, а обрезанные углы внутреннего многоугольника резины препятствует скоплению газа.

Ограничивающие пластины сделаны из поликарбоната. Данный материал создает прочную внешнюю конструкцию. Внешние стенки установки имеют толщину 8 мм и выдерживают силу сжатия по периметру. В лицевых стенках из поликарбоната были сделаны отверстия: в одной пластине – два отверстия (на вход воды и выход газа), а в другой – только одно (на вход воды). Также по периметру пластин сделано 20 отверстий диаметром 5 мм для дальнейшего стягивания всей конструкции.

В роли поперечин, держащих всю конструкцию, используются двадцать стальных реек размером М5. Все стержни стянуты гайками М5. При равномерном закручивании гаек расстояние между внешними пластинами измеряется с помощью штангенциркуля во избежание деформации установки.

Подача воды в электролизер осуществляется по резиновым трубкам, которые подсоединяются к внешним пластинам через штуцера. Для хранения воды используется расширительный бак, размещенный рядом с электролизером.

Источником тока является лабораторный блок питания ИП-24, который позволяет устанавливать напряжение и изменять силу тока.

Сборка установки осуществлялась в стерильных условиях. Все комплектующие были обезжирены специальной жидкостью с содержанием ацетона, затем, начиная с резины, были собраны ячейки в определенной последовательности. После того как авторы еще раз убедились в правильности сборки электролизера, полученную конструкцию накрыли сверху второй лицевой пластиной и равномерно стянули поперечины реактора.

Далее авторы проверили реактор на герметичность и провели тестовые запуски.

Результаты работы/выводы

При первом подключении электролизера к источнику питания контакты были присоединены только к двум крайним активным пластинам, поскольку важно было не допустить предельных значений газонаполнения реактора. Однако при этом требовалось подать на стальные листы электролизера очень большое напряжение для начала прохождения реакции. После этого был выбран способ подключения с тремя активными ячейками. Электролиз воды при таком расположении контактов проходил очень медленно. После анализа предыдущих испытаний было принято решение использовать четыре активные ячейки. При таком варианте электролизная реакция проходила при значениях напряжения 8,2 В и силы тока 1,5 А. Испытания закончились успешно, установка смогла выработать водородное топливо.

По результатам работы авторами создана модель электролизера компактного размера, которую возможно собрать из недорогостоящих материалов своими руками в мастерской. Также спроектированы оригинальные формы пластин четырех типов и особенная геометрия ограничивающей внутренней части резины ТМКЩ-С, которая позволяет задействовать большую активную площадь стальных листов и препятствует скоплению газов.

Перспективы использования результатов работы

Разработанная установка (мини-реактор) может использоваться в образовательных организациях в качестве демонстрационного пособия при изучении процесса электролиза, так как имеет прозрачные внешние стенки из поликарбоната.

Практическое применение мини-реактора авторы видят в получении топлива для питания двигателей; переработке морской воды для поддержания жизни на глубине, водяного льда на поверхности комет, астероидов, планет (Марса); получение кислорода для дыхания и водорода как топлива.

Мнение авторов

Портал Проза.ру предоставляет авторам возможность свободной публикации своих литературных произведений в сети Интернет на основании пользовательского договора. Все авторские права на произведения принадлежат авторам и охраняются законом. Перепечатка произведений возможна только с согласия его автора, к которому вы можете обратиться на его авторской странице. Ответственность за тексты произведений авторы несут самостоятельно на основании правил публикации и законодательства Российской Федерации. Данные пользователей обрабатываются на основании Политики обработки персональных данных. Вы также можете посмотреть более подробную информацию о портале и связаться с администрацией.

"Олег Александрович Лаврентьев родился 7 июля 1926 г. в г. Псков в семье выходцев из крестьян, переехавших после Октябрьской революции в город. Отец Александр Николаевич работал на разных должностях, а мать - Александра Федоровна - была медсестрой. В 18 лет О.А. Лаврентьев ушел добровольцем на фронт. Участвовал в боях за освобождение Прибалтики (1944-1945 гг.), награжден медалями "За победу над Германией" и "XXX лет Советской Армии". После окончания войны был переведен в Сахалинский военный округ. С ядерной физикой познакомился в 1941 г., когда учился в 7-м классе. Знакомился по научной литературе и учебным пособиям по ядерной физике, выходившим в СССР перед войной. Все это настолько его увлекло, что он решил посвятить этому всю свою жизнь.

Помешала война, которая на несколько лет оторвала его от этих занятий. Однако после перевода на Сахалин для него сложилась более благоприятная обстановка. Его переводят на сержантскую должность радиотелеграфистом. Он стал получать денежное довольствие, выписывать журнал Успехи физических наук (УФН) и ряд других научных и учебных пособий и пользоваться технической литературой из библиотеки воинской части. Изучает механику, молекулярную физику, электричество и магнетизм, ядерную физику, готовит доклады по новинкам военной техники для офицерского состава.

Идея об использовании термоядерного синтеза в промышленных целях, рассказывал Олег Александрович, впервые зародилась у него зимой 1948 г. при подготовке к лекции для офицерского состава по атомной проблеме. В это время ему и еще двоим военнослужащим разрешили посещать вечернюю школу рабочей молодежи. В мае 1949 г. он получил аттестат зрелости, закончив три класса за один год.

В январе 1950 г. президент США Г. Трумэн, выступая перед Конгрессом, призвал ученых США к форсированию работ по водородной бомбе. Это послужило толчком для действий О.А. Лаврентьева.

Как сказал О.А. Лаврентьев, он был уже тогда уверен, прочитав и проанализировав много соответствующих открытых публикаций, что знает, как сделать водородную бомбу, и был уверен, что она обязательно сработает. Тогда он пишет короткое письмо Сталину, в котором сообщает, что ему известен секрет водородной бомбы. Ответа на это письмо О.А. Лаврентьев не получил и, как он прокомментировал это в нашем разговоре, его письмо, вернее всего, утонуло в потоке поздравлений в связи с 70-летием И.В. Сталина 21-го декабря 1949 г.

Через несколько месяцев он пишет письмо такого же содержания в ЦК ВКП(б). Реакция на это письмо была быстрой. Из Москвы позвонили в Сахалинский обком партии и ему, по распоряжению обкома, выделили отдельную охраняемую комнату в воинской части, где он получил возможность написать свою первую работу по термоядерному синтезу.
Работа содержала в основном две ключевые идеи.

Первая идея представляла описание принципа действия водородной бомбы с дейтеридом лития-6 в качестве основного термоядерного горючего и урановым детонатором на принципе пушечного сближения двух подкритических масс делящегося материала. Урановый детонатор располагался в центре сферы, заполненной 6LiD.

Вторая идея содержала предложение устройства термоядерного реактора для промышленных целей. Реактор представлял собой систему из двух сферических, концентрически расположенных электродов. Внутренний электрод предлагалось выполнить в виде прозрачной сетки, внешний электрод должен был являться источником ионов. На сетку предполагалось подавать высокий отрицательный потенциал. В предлагаемой схеме плазма создается инжекцией ионов с поверхности сферы и эмиссией вторичных электронов с сетки. Термоизоляция плазмы осуществляется путем торможения ионов во внешнем электрическом поле. В результате фокусировки ионов дейтерия в центре сферы там достигается наибольшая плотность плазмы и происходит интенсивное термоядерное "горение". Вблизи сетки плотность плазмы падает на несколько порядков. Там термоядерная реакция идет слабо, тепловые потери незначительны и не приводят к разрушению сетки.

Таким образом, по представлениям О.А. Лаврентьева, достигалась термоизоляция плазмы.

Все это было еще на Сахалине.

В отзыве-справке, датированном 24 ноября 1973 г., А.Д. Сахаров пишет, что в июне или июле 1950 г. он рецензировал работу О.А. Лаврентьева, которая произвела на него сильное впечатление своей оригинальностью и смелостью мысли, далее он отмечает, что в этой работе автор:

1. Выдвинул предложение об использовании управляемого термоядерного синтеза для промышленных целей.
2. Предложил конкретную схему, основанную на термоизоляции высокотемпературной плазмы электрическим полем.

Эти предложения, как отмечает Сахаров, выдвинуты О.А. Лаврентьевым самостоятельно, независимо от других авторов, и до каких-либо публикаций по этой проблеме.

В книге "Воспоминания" Андрей Дмитриевич Сахаров пишет: "В своем отзыве я написал, что выдвигаемая автором идея управляемой термоядерной реакции является очень важной. Автор поднял проблему колоссального значения, и это свидетельствует о том, что он является очень инициативным и творческим человеком, заслуживающим всяческой поддержки и помощи.

По существу конкретной схемы Лаврентьева я написал, что она представляется мне неосуществимой, так как в ней не исключен прямой контакт горячей плазмы с сетками, и это неизбежно приведет к огромному отводу тепла и, тем самым, к невозможности осуществления таким способом температур, достаточных для протекания термоядерных реакций. Вероятно, следовало также написать, что, возможно, идея автора окажется плодотворной в сочетании с какими-то другими идеями, но у меня не было никаких мыслей по этому поводу, и я этой фразы не написал. Во время чтения письма и писания отзыва у меня возникли первые, неясные мысли о магнитной термоизоляции."

Как отмечает в своих воспоминаниях И.Н. Головин, в то время первый заместитель И.В. Курчатова, работы по проблеме мирного использования термоядерных реакций начались по инициативе И.Е. Тамма и А.Д. Сахарова, ознакомившихся с полученным летом 1950 г. письмом солдата Олега Лаврентьева.

Сахаров обсуждал содержание письма Лаврентьева с Таммом. В результате этих обсуждений ими была сформулирована концепция термоизоляции высокотемпературной плазмы магнитным полем и рассчитаны первые модели магнитного термоядерного реактора тороидальной формы, развившиеся впоследствии в "токамаки".

Письмо О.А. Лаврентьева послужило катализатором рождения советской программы исследований по управляемому термоядерному синтезу"

Когда-то японцы продемонстрировали миру водородную воду. Она находилась в источниках, снабжавших тысячелетиями императорскую семью питьем.

Правящий император Акихито является прямым потомком Дзимму, который основал государство и правил им первым. Акихито же 125 глава Японии. Он долгожитель, как и все его предшественники. Император активно участвует во всех делах государства, планируя отметить свое 85-летие. Акихито в одном интервью рассказал о том, что в его семье большое значение уделяют употребляемой воде, которая берется исключительно из лечебного источника.

Но в мире целебных ключей огромное количество. Ученые начали интересоваться, что же их всех объединяет. Пробы были взяты и из источника Акихито. Выяснилось, что в каждом ключе водородная вода. Название кажется достаточно странным. Все знают формулу H₂O. Какой может быть в этом случае жидкость с водородом, если не водородной? В этой статье разберемся в дебрях терминологии, а также выясним, как приготовить водородную воду в домашних условиях.

Что это такое?

В простой воде кислород связан с водородом. При этом отдельная молекула газа включает в себя только два его атома. В этом виде водород летуч, следовательно, его у поверхности встретить очень проблематично. Единственные источники – целебные ключи. Молекулярный водород в них растворен, а это препятствует его улетучиванию. Способствует его сохранению и расположение под землей вод. Таким образом, у молекул водорода выхода нет. Оказываясь на поверхности, понемногу вещество жидкость покидает.

Свойства водородной воды

Их функция – поглощать свободные радикалы, заряженные положительно. В организме с их накоплением связаны возникающие процессы старения. Но привычные антиоксиданты также поглощают источник молодости – отрицательно заряженные частицы. Следовательно, действие веществ сходит на нет. Молекулы газа малы в размерах и просто устроены. Частицы с легкостью проникают в клетки, работая прицельно.

За счет этого многие пытаются сделать в домашних условиях водородную воду. Ее можно сразу же выпить. Технологи смогли отыскать способ обогащать водопроводную жидкость антиоксидантом. Для этого произведен специальный генератор. Изобретая этот аппарат, ученые также придумали способ сохранения воды, созданной самой природой – поскольку молекулы газа могут проникать через мембраны, тару производят плотнее стенок клеток.

Изготовление водородной воды

При получении этой живой воды имеется выбор. Помимо забора из натуральных источников, работают также с простой питьевой. Первый способ, как сделать водородную воду в домашних условиях, – это сатурация (обогащение ее молекулярным водородом). Это обязательный этап изготовления газировок. В них газ появляется методом обработки в сатураторе. Миниатюрная версия прибора имелась практически во всех советских семьях. Стоит отметить, что аппарат насыщал напитки углекислым газом. При этом сатуратор для водородной воды в нее переводит водород из специальных баллонов.

Следующий активатор – это электролизация, которая проходит методом пропускания тока через жидкость. На катоде при этом образуется молекулярный водород, кислород – на аноде. Героиню статьи можно получить и методом реакции воды с различными металлами. В этом случае подойдет элементарный магний, а также его гидриды. Но полученный продукт таким образом насыщается газом и различными сторонними примесями. А значит, ему требуется очистка. Иначе вред водородной воды ее пользу перевесит. Следовательно, новинку рынка изготавливают чаще всего сатурацией и электролизом.

Тара для водородной воды

Мы выяснили, как сделать водородную воду в домашних условиях. Теперь стоит отметить, что, если ее не выпить в течение двадцати минут после получения, она потеряет свои свойства. Контейнеры для такой воды металлизированы. В основном в них используется алюминий. При этом в такой таре жидкость живой остается неделю. Существуют альтернативы различных фирм. Правда, все контейнеры молекулярный водород удерживают только несколько дней.

В нашей стране изготавливается вода под брендом Einhell и, конечно же, специальная для нее тара. Российские контейнеры созданы из стекла. Материал обогащен тоже частицами металла. Стоит отметить, что в плане хранения воды отечественные специалисты оказались единственными, кто смог перещеголять японцев. Такая система укупорки дает возможность воде живые свойства сохранять весь год.

Вред и польза водородной воды

Как получить водородную воду в домашних условиях мы уже выяснили в статье выше. Теперь отметим, что живая вода показана космонавтам благодаря способности эффективно блокировать любое действие радиации. При этом в исследованиях JAXA речь идет об их ежедневном облучении 1000 микрозеверт. Это издержки открытого космоса. Такое излучение выработку оксидантов ускоряет, как и их разрушающее действие. Организм ослабляется, начинаются сбои, которые ведут к возникновению аллергических реакций. Водородная связь молекул против них также выступает.

Это, между прочим, одна из основных причин пользы воды для детей, которые подвержены атопическому дерматиту. Применение водородной воды вместо простой ведет к сокращению проявлений аллергии, а также помогает организму человека адаптироваться к переработке веществ и продуктов, вызывающих ее.

Аппарат для изготовления водородной воды

Уже говорилось о принципе работы сатурата. Сосредоточимся теперь на электролизных аппаратах, изготовление которых самое массовое. Получение в этом случае водородной воды в домашних условиях для питья начинается с прохода простой через несколько фильтров. Жидкость после них накапливается в специальном двухотсековом резервуаре. Воду в одном отсеке охлаждают, во втором же она подвергается электролизу, при этом она насыщается водородом в двух состояниях.

Стоит отметить, что добавляют растворенные и газообразные молекулы. Последние закачиваются в воду под давлением. Следовательно, обогащение водородом ведется только в аппаратах смешанного вида, способных также к сатурации. Изготовители заявляют, что воду обогащают газообразным водородом практически за минуты до ее дальнейшего разлива по емкостям. Таким образом достигается ОВП — показатель в окислительно-восстановительных реакциях активности вещества.

Одни участники в них отдают электроны, вторые – принимают их. Идеальный для антиоксидантных процессов показатель равен 500. Выясним, ощущают ли его покупатели и сколько платят за это благо.

Стоимость водородной воды

Выше мы поговорили о том, как приготовить водородную воду в домашних условиях. Если же получать ее планируется в масштабах предприятия, то закупают не жидкость, а специальный аппарат для ее производства. Отдать придется примерно 50 000 рублей. При этом портативные версии для применения несколькими людьми можно купить за 5000. Последний вариант подходит для семейного, личного пользования. Существуют даже карманные модели.

Применение в косметологии

В основном, делают маски. В упаковку в этом случае закладывают смесь, необходимую для одного применения. Средство держится на лице 15 минут. Водород за это время полностью из воды вырваться не успевает, впитываясь частично в кожу. Подобные маски стоят в районе тысячи рублей.

Польза и вред водородной воды: отзывы

Если говорить об отзывах, в то сети чаще всего приводят комментарии профессоров и знаменитостей. Они активно расхваливают водородный показатель, а также ее чудодейственное влияние на человеческий организм. Правда, комментариев простых обывателей совсем немного. Восхищаясь учеными и кумирами, публика в их неподкупности сильно сомневается. Идут разговоры о том, что реплики знаменитостей проплачены.

Читайте также: