Polttaa vetyä

Vetyä pidetään yhtenä lupaavimmista polttoainetyypeistä, ja se on osoittautunut tehokkaaksi ja ympäristöystävälliseksi energian kantajaksi . Käytännön näkökulmasta vedyn poltto liittyy sen käyttöön voimalaitoksissa ja polttokennoissa sekä asiaankuuluvien teknisten prosessien ja laitteiden turvallisuuteen [1] . Vedyn ominaispalolämpö on noin 140 MJ/kg (ylempi) tai 120 MJ/kg (matala), mikä on useita kertoja suurempi kuin hiilivetypolttoaineiden ominaispalolämpö ( metaanilla  noin 50 MJ/kg).

Vedyn seokset hapen tai ilman kanssa ovat räjähtäviä ja niitä kutsutaan räjähdysmäisiksi kaasuiksi (nimi tulee sanoista knallgas , it.  knall  - kova pamaus, terävä laukauksen tai räjähdyksen ääni). Kipinästä tai muusta lähteestä sytytettynä pienen tilavuuden vedyn ja ilman seos palaa erittäin nopeasti kovalla pamahduksella, joka subjektiivisesti koetaan räjähdyksenä. Palamisen fysiikassa tällaista prosessia pidetään hitaan palamisena tai syttymisenä , mutta räjähtävä kaasu pystyy myös räjähtämään , kun taas räjähdyksen vaikutus on paljon voimakkaampi.

Räjähtävimmät seokset, joiden koostumus on lähellä stoikiometristä , stoikiometrisessä seoksessa on kaksi moolia vetyä yhtä happimoolia kohden , eli ottaen huomioon, että ilmassa hapen ja typen suhde ja muut kaasut, jotka eivät osallistu palamistilavuus on noin 21 %: 79 % = 1:3,72, silloin vedyn ja ilman tilavuussuhde räjähdysainekaasussa stoikiometrisessä suhteessa on ≈0,42 [2] . Räjähtävä kaasu pystyy kuitenkin palamaan useilla eri vetypitoisuuksilla ilmassa, 4–9 tilavuusprosentista laihoissa seoksissa 75 %:iin rikkaissa seoksissa. Suunnilleen samoissa rajoissa se pystyy räjähtämään [3] .

Räjähtävä kaasu syttyy itsestään ilmanpaineessa ja lämpötilassa 510 °C. Huoneenlämmössä sytytyslähteiden (kipinä, avotuli) puuttuessa räjähtävää kaasua voidaan varastoida loputtomiin, mutta se voi räjähtää heikoimmasta lähteestä, koska 17 mikrojoulen energian kipinä riittää käynnistämään räjähdyksen [4 ] . Ottaen huomioon, että vedyllä on kyky tunkeutua niiden astioiden seinämiin, joissa sitä varastoidaan, esimerkiksi diffundoitua kaasupullon metalliseinien läpi, eikä sillä ole hajua, työskennellessä tulee olla erittäin varovainen. sen kanssa.

Haetaan

Vuonna 1766 Henry Cavendish sai vetyä metallin reaktiossa hapon kanssa:

.

Laboratorio-olosuhteissa räjähtävää kaasua voidaan saada elektrolyysillä vettä reaktiossa:

.

Sovellus

1800 - luvulla ns. drummond-valoa käytettiin teattereiden valaistukseen , jossa hehku saatiin happi-vety-seoksen liekillä, joka oli suunnattu suoraan poltetun kalkin sylinteriin , joka voidaan lämmittää korkeisiin lämpötiloihin ( valkolämpö ). ) sulamatta . Happi-vety-seoksen liekissä saavutetaan korkea lämpötila, ja myös 1800-luvulla sitä käytettiin puhalluspolttimissa tulenkestävän materiaalin sulattamiseen, metallien leikkaamiseen ja hitsaukseen. Kaikkia näitä yrityksiä käyttää räjähtävää kaasua rajoitti kuitenkin se, että sitä on erittäin vaarallista käsitellä, ja näiden ongelmien ratkaisemiseksi löydettiin turvallisempia vaihtoehtoja.

Vetyä pidetään tällä hetkellä lupaavana vetyenergian polttoaineena . Kun vetyä poltetaan, muodostuu puhdasta vettä, joten tätä prosessia pidetään ympäristöystävällisenä. Suurimmat ongelmat liittyvät siihen, että vedyn tuotanto-, varastointi- ja kuljetuskustannukset sen välittömään käyttöpaikkaan ovat liian korkeat, ja tekijöiden kokonaisuus huomioon ottaen vety ei vielä pysty kilpailemaan perinteisten hiilivetypolttoaineiden kanssa.

Vedyn palamisen kineettinen kaavio

Vedyn palaminen ilmaistaan ​​muodollisesti kokonaisreaktiolla:

.

Tämä kokonaisreaktio ei kuitenkaan kuvaa haaroittuneita ketjureaktioita, joita esiintyy vedyn ja hapen tai ilman seoksissa. Reaktioihin osallistuu kahdeksan komponenttia: H 2 , O 2 , H, O, OH , HO 2 , H 2 O , H 2 O 2 . Yksityiskohtainen kineettinen kaavio näiden molekyylien ja atomien välisistä kemiallisista reaktioista sisältää yli 20 perusreaktiota, joissa reagoivassa seoksessa on mukana vapaita radikaaleja . Typpi- tai hiiliyhdisteiden läsnä ollessa järjestelmässä komponenttien ja alkuainereaktioiden määrä kasvaa merkittävästi.

Koska vedyn palamismekanismi on yksi yksinkertaisimmista verrattuna muiden kaasumaisten polttoaineiden, kuten synteesikaasun tai hiilivetypolttoaineiden, palamismekanismeihin, ja hiilivetypolttoaineiden palamisen kineettiset kaaviot sisältävät kaikki komponentit ja alkuainereaktiot vedyn palamismekanismista, monet tutkijaryhmät tutkivat sitä erittäin intensiivisesti [5] [6] [7] . Huolimatta yli vuosisadan tutkimushistoriasta tätä mekanismia ei kuitenkaan vieläkään täysin ymmärretä.

Kriittiset ilmiöt sytytyksen aikana

Huoneenlämmössä vedyn ja hapen stoikiometristä seosta voidaan säilyttää suljetussa astiassa loputtomiin. Kuitenkin, kun astian lämpötila nousee paineesta riippuen tietyn kriittisen arvon yläpuolelle, seos syttyy ja palaa erittäin nopeasti, räjähdyksellä tai räjähdyksellä. Tämä ilmiö löysi selityksensä ketjureaktioteoriasta , josta N. N. Semjonov ja Cyril Hinshelwood saivat kemian Nobelin palkinnon vuonna 1956 .

Kriittisen paineen ja lämpötilan välisellä riippuvuuskäyrällä, jossa seoksen itsesyttyminen tapahtuu, on tyypillinen Z-muoto, kuten kuvassa näkyy. Tämän käyrän alempaa, keskimmäistä ja ylempää haaraa kutsutaan ensimmäiseksi, toiseksi ja kolmanneksi syttymisrajaksi. Jos otetaan huomioon vain kaksi ensimmäistä rajaa, käyrä on niemimaan muotoinen, ja perinteisesti tätä kuviota kutsutaan sytytysniemimaaksi.

Kiistanalaisia ​​teorioita

1960-luvulla amerikkalainen insinööri William Rhodes väitti löytäneen "uuden muodon" vedestä, jonka Australiaan muuttanut bulgarialainen fyysikko Yull Brown oli kaupallistanut. "Ruskea kaasu", eli itse asiassa vesielektrolyysilaitteistossa saatu hapen ja vedyn seos, julistettiin kykenevän puhdistamaan radioaktiivista jätettä , palamaan kuin polttoaine, rentouttamaan lihaksia ja stimuloimaan siementen itämistä [9] . Myöhemmin italialainen fyysikko Ruggero Santilli ( en: Ruggero Santilli ) esitti hypoteesin, joka väitti veden uuden muodon olemassaolon "HHO-kaasun" muodossa, eli muodon (H × H - O) muodossa olevan kemiallisen rakenteen. ), jossa "×" edustaa hypoteettista magneettisidosta ja " - "- tavallista kovalenttista sidosta . Santillin artikkeli, joka julkaistiin arvovaltaisessa vertaisarvioidussa lehdessä International Journal of Hydrogen Energy [10] , sai ankaraa kritiikkiä kollegoilta, jotka pitivät Santillin väitteitä näennäistieteellisinä [11] , mutta jotkut muut tutkijat kannattivat Santilia [12] [13] . .

Muistiinpanot

  1. ↑ Sánchez, Williams - arvostelu, 2014 .
  2. ↑ Stökiömetrisen vety-ilma-seoksen palamisen yhtälö: 0,21 2H 2 + 0,21O 2 + 0,79 (N 2 + ...) → 0,42 H 2 O + 0,79 (N 2 + ...).
  3. ↑ Gelfand et ai., Vety: palamis- ja räjähdysparametrit, 2008 , s. 85,196.
  4. ↑ Korolchenko, Aineiden palo- ja räjähdysvaara, 2004 , s. 311.
  5. ↑ Konnov AA Vedyn palamisen kineettisen mekanismin jäljellä olevat epävarmuustekijät  // Palaminen ja liekki . - Elsevier, 2008. - Voi. 152, nro 4 . - s. 507-528. - doi : 10.1016/j.combustflame.2007.10.024 .
  6. ↑ Shimizu K., Hibi A., Koshi M., Morii Y., Tsuboi N. Päivitetty kinetic Mechanism for High-Pressure Hydrogen Combustion  // Journal of Propulsion and Power. - American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2011. - Voi. 27, nro 2 . - s. 383-395. - doi : 10.2514/1.48553 .
  7. ↑ Burke MP, Chaos M., Ju Y., Dryer FL, Klippenstein SJ Comprehensive H 2 /O 2 kineettinen malli korkeapainepolttoon  // International Journal of Chemical Kinetics. - Wiley Periodicals, 2012. - Voi. 44, nro 7 . - s. 444-474. - doi : 10.1002/sukulainen.20603 .
  8. ↑ Lewis, Elbe, Palaminen, liekit ja räjähdykset kaasuissa, 1968 , s. 35.
  9. ↑ Ball, Philip. Ydinjätteet saavat tähtihuomion  (englanniksi)  // Nature  : Journal. - 2006. - ISSN 1744-7933 . - doi : 10.1038/uutiset060731-13 .
  10. ↑ Ruggero Maria Santilli. Uusi kaasumainen ja palava veden muoto  (englanniksi)  // International Journal of Hydrogen Energy  : Journal. - 2006. - Voi. 31 , ei. 9 . - s. 1113-1128 . - doi : 10.1016/j.ijhydene.2005.11.006 .
  11. ↑ JM Calo. Kommentteja aiheesta "Uusi kaasumainen ja palava vesimuoto", kirjoittanut RM Santilli (Int. J. Hydrogen Energy 2006: 31(9), 1113–1128)  //  International Journal of Hydrogen Energy  : Journal. - 2006. - 3. marraskuuta ( nide 32 , nro 9 ). - s. 1309-1312 . - doi : 10.1016/j.ijhydene.2006.11.004 . Arkistoitu alkuperäisestä 1. elokuuta 2013.
  12. ↑ Martin O. Cloonan. Kemistin näkemys JM Calon kommenteista aiheesta: "Uusi kaasumainen ja palava vesimuoto", kirjoittanut RM Santilli (Int. J. Hydrogen Energy 2006:31(9), 1113–1128  )  // International Journal of Hydrogen energy  : Journal. - 2008. - Voi. 33 , ei. 2 . - s. 922-926 . - doi : 10.1016/j.ijhydene.2007.11.009 . Arkistoitu alkuperäisestä 20. maaliskuuta 2012.
  13. ↑ JV Kadeisvili. Kumous JM Calon kommentteihin RM Santillin HHO-paperista  // International Journal of Hydrogen Energy  :  Journal. - 2008. - Voi. 33 , ei. 2 . - s. 918-921 . - doi : 10.1016/j.ijhydene.2007.10.030 . Arkistoitu alkuperäisestä 20. maaliskuuta 2012.

Kirjallisuus

Arvostelut

Linkit