Как получить из воды кислород и водород

Расщепление воды с эффективностью 100%: полдела сделано

Если найти дешёвый и простой способ электролиза/фотолиза воды, то мы получим невероятно богатый и чистый источник энергии — водородное топливо. Сгорая в кислороде, водород не образует никаких побочных выделений, кроме воды. Теоретически, электролиз — очень простой процесс: достаточно пропустить электрический ток через воду, и она разделяется на водород и кислород. Но сейчас все разработанные техпроцессы требуют такого большого количества энергии, что электролиз становится невыгодным.

Теперь учёные решили часть головоломки. Исследователи из Технион-Израильского технологического института разработали метод проведения второго из двух шагов окислительно-восстановительной реакции — восстановления — в видимом (солнечном) свете с энергетической эффективностью 100%, значительно превзойдя предыдущий рекорд 58,5%.

Осталось усовершенствовать полуреакцию окисления.

Столь высокой эффективности удалось добиться благодаря тому, что в процессе используется только энергия света. Катализаторами (фотокатализаторами) выступают наностержни длиной 50 нм. Они абсорбируют фотоны от источника освещения — и выдают электроны.

В полуреакции окисления производятся четыре отдельных атома водорода и молекула О₂ (которая не нужна). В полуреакции восстановления четыре атома водорода спариваются в две молекулы H₂, производя полезную форму водорода — газ H₂,

Эффективность 100% означает, что все фотоны, поступившие в систему, участвуют в генерации электронов.

На такой эффективности каждый наностержень генерирует около 100 молекул H₂ в секунду.

Сейчас учёные работают над оптимизацией техпроцесса, который пока что требует щелочной среды с невероятно высоким pH. Такой уровень никак не приемлем для реальных условий эксплуатации.

К тому же, наностержни подвержены коррозии, что тоже не слишком хорошо.

Тем не менее, сегодня человечество стало на шажок ближе к получению неиссякаемого источника чистой энергии в виде водородного топлива.

Научная работа опубликована в журнале Nano Letters (зеркало).

• вода
• электролиз
• восстановление
• водородное топливо
• солнечная энергия
• фотолиз

RU2409704C1 — Способ диссоциации воды на водород и кислород и устройство для его осуществления — Google Patents

Publication number RU2409704C1 RU2409704C1 RU2009121495/07A RU2009121495A RU2409704C1 RU 2409704 C1 RU2409704 C1 RU 2409704C1 RU 2009121495/07 A RU2009121495/07 A RU 2009121495/07A RU 2009121495 A RU2009121495 A RU 2009121495A RU 2409704 C1 RU2409704 C1 RU 2409704C1 Authority RU Russia Prior art keywords electrodes water aqueous electrolyte hydrogen oxygen Prior art date 2009-06-08 Application number RU2009121495/07A Other languages English ( en ) Inventor Игорь Моисеевич Кавицкий (RU) Игорь Моисеевич Кавицкий Сергей Игоревич Кавицкий (RU) Сергей Игоревич Кавицкий Анатолий Петрович Прудников (RU) Анатолий Петрович Прудников Борис Авсеевич Рушаник (RU) Борис Авсеевич Рушаник Сергей Игоревич Теплов (RU) Сергей Игоревич Теплов Original Assignee Закрытое акционерное общество «САНИ-Консультант» Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.) 2009-06-08 Filing date 2009-06-08 Publication date 2011-01-20 2009-06-08 Application filed by Закрытое акционерное общество «САНИ-Консультант» filed Critical Закрытое акционерное общество «САНИ-Консультант» 2009-06-08 Priority to RU2009121495/07A priority Critical patent/RU2409704C1/ru 2011-01-20 Application granted granted Critical 2011-01-20 Publication of RU2409704C1 publication Critical patent/RU2409704C1/ru

Links

Images

• 

Classifications

• • Y — GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
  • Y02 — TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
  • Y02E — REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
  • Y02E60/00 — Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
  • Y02E60/30 — Hydrogen technology
  • Y02E60/36 — Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

  Abstract

  Изобретения относятся к физико-химическим технологиям получения водорода и кислорода и могут быть использованы в области топливной энергетики и химического производства. Техническим результатом изобретения является создание простого способа диссоциации воды на водород и кислород и устройства для его осуществления, которые пригодны для промышленного применения, позволяют снизить энергоемкость процесса диссоциации воды и обеспечивают возможность раздельного получения газов. Для этого в способе, включающем воздействие на водный электролит электрическим полем через расположенные на расстоянии друг от друга электроды и отвод продуктов диссоциации, воздействие на водный электролит электрическим полем осуществляют с расчетной резонансной частотой на гармониках, по отношению к которым частота собственных колебаний молекулы воды является кратной, с раздельным отводом продуктов диссоциации с каждого четного и нечетного электродов. Устройство состоит из погруженных в водный электролит, параллельно установленных электродов, расположенных на расстоянии друг от друга и гидравлически сообщающихся с образованием электролитических секций, которые объединены в электрическую цепь и подсоединены к генератору переменного тока, позволяющему получать электромагнитные колебания частотой от 10 КГц до 3,2 МГц. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

  Description

  Изобретения относятся к физико-химическим технологиям получения водорода и кислорода и могут быть использованы в области топливной энергетики и химического производства.

  Известен способ получения водорода и кислорода, заключающийся в том, что электролит помещают в переменное магнитное поле с частотой 1-1000 Гц, при этом значение магнитной индукции 0,01-1,4 Т [Описание изобретения к патенту РФ №2032769 от 10.04.1990, МПК С25В 1/02, опубл. 10.04.1995].

  Недостатком способа является то, что способ не обеспечивает раздельное получение чистых кислорода и водорода, а также то, что частота воздействия магнитного поля выбрана произвольно и не является резонансной.

  Известен способ получения водорода и кислорода из воды, включающий получение в незамкнутом пространстве перегретого водяного пара с температурой 500-550°С, который пропускают через постоянное электрическое поле, образованное между расположенными на расстоянии друг от друга электродами высокого напряжения (6000 В) с получением водорода и кислорода (продуктов диссоциации) и их отвод [Описание изобретения к патенту РФ №2142905 от 27.04.1998, МПК С01В 3/00, С01В 13/02, опубл. 20.12.1999]. Продекларировано, что способ прост в аппаратурном оформлении, экономичен, пожаро- и взрывобезопасен и высокопроизводителен.

  Внимательное изучение данного технического решения позволило выявить некоторые противоречия. Фактическая стоимость получения кислорода и водорода не учитывает затраты на получение перегретого водяного пара, что не позволяет считать способ экономичным. Кроме того, правообладатель декларирует выход водорода по отношению к кислороду 1:5. Если это весовое соотношение, то оно составляет, исходя из химической формулы и атомных весов компонентов 1:8. Если это соотношение объемов, то при разложении одного моля воды получаем в газообразном виде 1 моль водорода и 0,5 моля кислорода, что соотносится как 2:1.

  Задача, решаемая первым изобретением группы, и достигаемый технический результат заключаются в создании очередного способа диссоциации воды на водород и кислород, пригодного для его промышленного осуществления, снижении энергоемкости процесса диссоциации воды и обеспечении возможности раздельного получения газов.

  Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата в известном способе диссоциации воды на водород и кислород, включающем воздействие на воду или водный электролит электрическим полем через расположенные на расстоянии друг от друга электроды и отвод продуктов диссоциации, воздействие на воду или водный электролит электрическим полем осуществляют с расчетной резонансной частотой на гармониках, по отношению к которым частота собственных колебаний молекулы воды является кратной, а отвод продуктов диссоциации производят раздельно с каждого четного и нечетного электродов.

  Кроме этого:

  — в дополнение к электрическому полю на воду или водный электролит одновременно воздействуют направленным перпендикулярно ему переменным или постоянным магнитным полем;

  — каждые четные и нечетные электроды объединяют в замкнутую электрическую цепь с односторонним перетеканием электрического тока;

  — каждые четные и нечетные электроды подсоединены к соответствующим полюсам источника постоянного тока.

  Известны установки HySTAT-A канадской компании «HYDROGENICS EUROPE 14.V.» [Представительство в России: Hydrogenics Russia, Потаповский пер.5, корп.4, 101000, Москва, Россия. E-mail: eherhard@orc.ru] по производству водорода, представляющие собой водородные генераторы, основанные на технологии неорганического мембранного (IMET) электролиза водных растворов щелочей. Источником сырья для водородных генераторов служит вода. В результате электрохимической реакции под действием постоянного тока вода разлагается, и из раствора выделяются водород и кислород. Водород используют для технологических нужд, а кислород выбрасывают в атмосферу. Расход электроэнергии на получение одного нормального м 3 водорода составляет 4,2 кВт·ч. Недостатками этих установок является высокое энергопотребление и необходимость использования дорогостоящих мембран для разделения кислорода и водорода.

  Известно устройство для получения электричества, тепловой энергии, кислорода и водорода, позволяющее получать раздельно кислород, паро-водородную смесь путем электролиза переменным электрическим током с помощью цилиндрического соленоида, надетого на ячейку [Описание изобретения к патенту РФ №2177512 от 24.07.2000, МПК 7 С25В 1/02, С25В 9/00, опубл. 2001.12.27]. Известное устройство не позволяет получать раздельно чистые кислород и водород без водяного пара.

  Известна электролитическая ячейка низкоамперного электролизера для получения водорода и кислорода из воды, позволяющая получать кислородо-водородную смесь. Электроды (катод и анод) выполнены в форме усеченных конусов с открытыми вершинами и расположены один в другом с зазором, заполненным раствором. Газы выходят через патрубок. Катод и анод подключены к источнику постоянного тока. Отмечено, что еще до включения ячейки в электрическую сеть на аноде появляется положительный, а на катоде — отрицательный потенциалы, и происходит выделение газов. При подаче напряжения на электроды газовыделение повышается. Процесс выделения газов продолжается и после отключения ячейки от сети. За счет этого затраты энергии на процесс разложения воды на водород и кислород уменьшаются [Описание изобретения к патенту РФ №2227817 от 16.06.2003, МПК 7 С25В 1/04, С25В 9/06, опубл. 2004.04.27]. Приведенное устройство реализует способ, не позволяющий получать раздельно кислород и водород и являющийся малопроизводительным.

  Известны устройства высокочастотного электролиза воды американского изобретателя Стенли Мейера. Конструктивно водяные ячейки представляет собой сосуд с обыкновенной водопроводной водой. В сосуде установлены два электрода, выполненные из нержавеющей стали в виде параллельных пластин либо коаксиально расположенных трубок. На эти электроды подавалось переменное однополярное напряжение электрического тока от генератора импульсного напряжения. Электрическое напряжение формировалось цугами из четырех-пяти импульсов в каждом и интервалами нулевого напряжения между ними, при этом предпринимались очень тщательные усилия по ликвидации утечки электронов с электродов. Устройство разлагало обыкновенную воду на водород и кислород при среднем потреблении электрического тока, измеряемого миллиамперами. Зафиксированный выход газов был достаточным, чтобы показать сгорание водорода в кислороде. Однако эти ячейки не предусматривают разделение водорода с кислородом [Рассадкин Ю.П. Вода обыкновенная и необыкновенная. М.: «Галерея СТО», 2008, с.584-587].

  Задача, решаемая вторым изобретением группы, и достигаемый технический результат заключаются в создании очередного устройства для диссоциации воды на водород и кислород, пригодного для использования в промышленности, позволяющего снизить энергоемкость процесса диссоциации воды и разделить полученные газы на водород и кислород, а также в упрощении его конструкции.

  Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата в устройстве для диссоциации воды на водород и кислород, включающем набор из погруженных в воду или водный электролит параллельно установленных электродов, расположенных на расстоянии друг от друга и гидравлически сообщающихся с образованием электролитических секций, которые объединены в электрическую цепь, набор электродов размещен между двумя плоскими пластинами, электрически изолированными от электродов и водного электролита, подсоединенными к генератору переменного тока и расположенными параллельно относительно электродов с образованием элементарных ячеек.

  Кроме этого:

  — устройство снабжено источником переменного или постоянного магнитного поля перпендикулярного электрическому полю плоских пластин;

  — каждые четные и нечетные электроды объединены в замкнутую электрическую цепь, включающую диод и резистор;

  — каждые четные и нечетные электроды объединены в электрическую цепь с источником постоянного тока;

  — в своей верхней части электроды разделены друг от друга газонепроницаемыми перегородками, нижние границы которых расположены ниже уровня воды или водного электролита с образованием полостей, при этом каждая полость снабжена индивидуальным отводом образующихся в процессе электролиза газов;

  — устройство включает множество параллельно и/или последовательно соединенных элементарных ячеек, электрически и гидравлически объединенных в батарею.

  Изобретения иллюстрируются чертежами, где на фиг.1 показан общий вид устройства, реализующего способ диссоциации воды на водород и кислород, а на фиг.2 показано его поперечное сечение на виде сверху.

  Способ диссоциации воды на водород и кислород заключается в воздействии на воду или водный электролит электрическим полем через расположенные на расстоянии друг от друга электроды 1; 2 и отвод продуктов диссоциации, при этом воздействие на водный электролит электрическим полем осуществляют с расчетной резонансной частотой на гармониках, по отношению к которой частота собственных колебаний молекулы воды является кратной. Для дальнейшего улучшения характеристик способа в дополнение к электрическому полю на воду одновременно воздействуют направленным перпендикулярно ему переменным или постоянным магнитным полем, каждые четные 2 и нечетные 1 электроды объединяют в замкнутую электрическую цепь 3 с односторонним перетеканием электрического тока, включающую диод 4 и резистор 5, защищающий от короткого замыкания и позволяющий снимать с него электрический ток и напряжение, возникающие в процессе электролиза воды, или в замкнутую электрическую цепь 6, подсоединяя их к соответствующим полюсам источника постоянного тока 7, в качестве которого может выступать, например, батарея электропитания, выпрямитель и т.д., а отвод продуктов диссоциации производят раздельно с каждого четного 2 и нечетного 1 электродов.

  Устройство для диссоциации воды на водород и кислород включает набор из погруженных в воду или водный электролит параллельно установленных электродов 1 и 2, расположенных на расстоянии друг от друга и гидравлически сообщающихся с образованием электролитических секций 8, которые объединены в электрическую цепь 3 или 6, при этом набор электродов 1 и 2 размещен между двумя плоскими пластинами 9, электрически изолированными от электродов 1; 2 и водного электролита, подсоединенными к генератору 10 переменного тока и расположенными параллельно относительно электродов 1 и 2 с образованием элементарных ячеек 11.

  Кроме этого устройство снабжено источником переменного (условно не показан) или постоянного 12 магнитного поля, перпендикулярного электрическому полю плоских пластин 9, а каждые четные 2 и нечетные 1 электроды объединены, как упоминалось выше, в замкнутую электрическую цепь 3 или 6.

  В верхней части электроды 1 и 2 разделены друг от друга газонепроницаемыми перегородками 13, нижние границы 14 которых расположены ниже уровня 15 воды или водного электролита с образованием полостей 16, каждая из которых снабжена индивидуальным отводом водорода 17 или кислорода 18, образующихся в процессе электролиза газов.

  Для промышленного использования упомянутое устройство может включать множество параллельно и/или последовательно соединенных элементарных ячеек 1, электрически и гидравлически объединяемых в батарею (условно не показаны).

  Поясним более подробно сущность изобретений.

  В химически чистой воде при температуре 25°С примерно одна на 5×10 9 молекул диссоциирует по схеме Н₂О↔Н + +ОН — [Физическая энциклопедия. T.1, M.: «Советская энциклопедия», 1988, с.296]. При воздействии переменных электрических, электромагнитных и магнитных полей на воду (водный электролит) частота и направленность воздействия выборочно влияют на степень диссоциации воды. Механизм такого воздействия объясняется следующим образом.

  Колебания молекул — один из основных видов внутримолекулярного движения, при котором происходит периодическое изменение относительного расположения ядер атомов, составляющих молекулу. Молекула воды имеет два валентных колебания и одно деформационное [Физическая энциклопедия. Т.2, М.: «Советская энциклопедия», 1990, с.405]. Кроме того, атомы при взаимодействии друг с другом в конденсированной среде, к которой относятся жидкое и твердое состояния, всегда приобретают электрический заряд, превращаясь в положительно или отрицательно заряженные ионы [Физическая энциклопедия. Т.1, М.: «Советская энциклопедия», 1988, с.694, 695]. Таким образом, атомы в конденсированной среде можно рассматривать как механические микроосцилляторы, имеющие определенную массу и электрический заряд.

  При воздействии на конденсированную среду переменным электрическим, электромагнитным или магнитным полем колеблющиеся ионы взаимодействуют с этими полями, образуя механическую колебательную систему. Если частота собственных колебаний атома химического элемента кратна частоте воздействующего переменного поля, происходит резонанс на гармониках [Физическая энциклопедия. Т.4, М.: Научное издательство «Большая Российская энциклопедия», 1994, с.308, 309]. Кинетическая энергия резонирующих атомов повышается, в результате чего возрастает вероятность разрыва ковалентных связей между водородом и кислородом, и степень диссоциации воды повышается.

  Эксперименты по воздействию переменных электрических полей проводили на дистиллированной воде. Из множества собственных частот колебаний молекулы воды для резонансного воздействия использовали частоту, по отношению к которой собственные частоты колебаний атомов водорода относительно атомов кислорода и атомов кислорода относительно атомов водорода являются кратными. Расчетным путем, используя методику, приведенную в статье И.М.Кавицкого и др. «Механизм воздействия модификаторов при структурообразовании высокопрочного чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом» [Кавицкий И.М., Рушаник Б.А. и Демидов А.А. Механизм воздействия модификаторов при структурообразовании высокопрочного чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом // Литейщик России, 2008. — №10 стр.25-29], определили частоты, по отношению к которым собственная частота колебаний атомов водорода относительно атомов кислорода и атомов кислорода относительно атомов водорода является кратной. Они соответственно составляют для водорода 9,735×10 11 Гц и для кислорода 6,133×10 10 Гц. Возможности используемого генератора позволяли работать с частотой от 0,1 МГц до 3,2 МГц. Из этого условия для экспериментов по воздействию на воду выбрали две группы частот: первая группа с отклонением от кратности расчетной частоты колебаний к воздействующей частоте по первой значащей цифре по водороду и кислороду до 5%, вторая группа с отклонением от кратности свыше 5% (см. таблицу). Частоты первой группы: 0,106 МГц, 0,315 МГц, 1,64 МГц, 2,5 МГц. Затраты электроэнергии на получение 1 м 3 водорода при воздействии этими частотами минимальны.

  Частоты второй группы: 0,5 МГц, 0,7 МГц, 1,3 МГц. Воздействие этими частотами менее эффективно.

  Относительная погрешность определения кратности составляет, в зависимости от величины первой значащей цифры, от 0,5% до 0,06% [Пулькин С.П. Вычислительная математика. М.: «Просвещение», 1974, с.30]. Конструкция используемого генератора электромагнитных колебаний позволяет настраивать требуемую частоту с точностью до 1,5%, т.е. точность расчета кратности до третьей значащей цифры находится в пределах погрешности измерений частоты генератора 10.

  На фиг.1 и 2 показана схема проведения эксперимента. Вода (или водный электролит) залита в кювету 19, выполненную из диэлектрического материала. Кювета 19 имеет форму, например, параллелепипеда. В ней вдоль больших граней расположены электроды 1 и 2, через один соединенные между собой проводами. Электроды 1 и 2 изготовлены из нержавеющей стали Х18Н9Т. С наружной стороны кюветы 19 параллельно электродам 1 и 2 установлены металлические пластины 9, создающие переменное электрическое поле. Пластины 9 подсоединены к генератору 10. Источником переменного тока резонансной частоты служит генератор 10, позволяющий получать электромагнитные колебания синусоидальной формы частотой от 10 КГц до 3,2 МГц. Максимальная выходная мощность генератора 10 Вт. Кювета 19 закрыта диэлектрической герметичной крышкой 20, предназначенной для разделения и вывода газов, а так же для подвода соединительных проводов к электродам 1 и 2. С внутренней стороны крышка 20 имеет герметичные перегородки 13, опущенные ниже уровня 15 воды (или водного электролита) в кювете 19. Перегородки 13 разделяют электроды 1 и 2 и образуют в верхней части каждого электрода 1 и 2 изолированные полости 16 для сбора газов, выделяющихся на каждом электроде 1 и 2. Полости 16 снабжены индивидуальными отводами водорода 16 или кислорода 17 (штуцерами для их удаления).

  Экспериментально установлено, что при заполнении кюветы 19 водой (или водным электролитом) и заведомо разорванной цепи 3 или 6 между разноименными электродами 1 и 2 (катодами и анодами) возникает разность потенциалов, которая зависит от расстояния между электродами 1 и 2. Происходит это потому, что вода всегда содержит часть ионов Н + и ОН — . Контактируя с металлическими пластинами, четыре иона Н + отбирают четыре электрона у металла, превращаясь в молекулу 2Н₂, а ионы ОН — отдают четыре электрона по реакции 4 (ОН — )↔2Н₂О+О₂↑. Электрод 1, на котором выделяется водород, заряжается положительно, а электрод 2, на котором выделяется кислород — отрицательно. Через некоторое время заряд на электродах достигает такой величины, что ион водорода уже не может забрать электрон от положительно заряженного электрода 1, а ион кислорода — отдать электрон отрицательно заряженному электроду 2. Тогда процесс меняется, и водород начинает выделяться на том электроде, на котором раньше выделялся кислород. Процесс идет до насыщения электродов 1 и 2, но уже с обратной полярностью. Экспериментально это подтверждается тем, что при замере между электродами 1 и 2 ЭДС по истечении определенного времени полярность электродов 1 и 2 периодически меняется на противоположную.

  Аналогичная ситуация возникает при воздействии на кювету 19 переменным электрическим полем, которое создают пластины 9. Отличие заключается в том, что напряжение на пластинах 9 достигает 1,3 В, а ток — до 0,5 А.

  За время проведения экспериментов по электролизу, которое составило 1 час, расход электроэнергии на получение 1 м 3 водорода составил 3,2 кВт.

  Результаты экспериментов по диссоциации воды приведены в таблице.

  Количество диссоциированной воды (или водного электролита) определяли путем взвешивания кюветы 19 с водой до эксперимента и после. Взвешивание проводили на аналитических весах АДВ-200 с точностью до 0,01 г. Испарившуюся за время эксперимента воду не учитывали, так как испарение воды из кюветы 19 за 24 часа составляло величину, меньшую пределов измерения весов, а эксперимент проводили в течение одного часа.

  Расход электроэнергии из сети измеряли показаниями вольтметра и амперметра на входе к генератору 10 и источнику постоянного тока 7.

  Контрольный эксперимент для сравнения проводили для чистого электролиза воды.

  Первую серию экспериментов проводили при воздействии на воду переменным электрическим полем (столбец 7 таблицы).

  Вторую серию экспериментов проводили с воздействием переменного электрического поля и соединением электродов 1 и 2 между собой через диод 4 и резистор 5. Диод 4 был установлен таким образом, что поток электронов направляли в сторону электродов 1, на которых выделяется водород (столбец 8 таблицы).

  Третью серию экспериментов проводили с воздействием переменного электрического поля и с подачей постоянного тока от независимого источника постоянного тока 7 на электроды 1 и 2 (столбец 9 таблицы).

  Во время проведения экспериментов газы выделялись на электродах 1 и 2 в виде мелких пузырьков, постепенно увеличивающихся в размерах. По достижении определенной величины пузырьки поднимались вверх вдоль электродов 1 и 2, что позволило разделить газы, создав над электродами 1 и 2 изолированные полости 16.

  Сравнивая результаты экспериментов, видно, что воздействие переменного электрического поля при диссоциации воды с частотой на гармониках, по отношению к которой собственные частоты колебаний атомов водорода относительно атомов кислорода и атомов кислорода относительно атомов водорода в молекуле воды являются кратными (столбцы 8 и 9 таблицы), позволяет снизить расход энергии на получение одного нормального м 3 водорода по сравнению с чистым электролизом в несколько раз. Использование вместо дистиллированной воды водного электролита, например щелочного раствора с рН=10, позволяет увеличить выход водорода в 1,5 раза.

  Приведенные сведения актуальны для способа и элементарного устройства 11 для его осуществления, т.н. лабораторных образцов. Для промышленного использования заявленных технических решений необходимое количество элементарных устройств 11 следует электрически и гидравлически объединить в батарею.

  На основании изложенного заявленные способ и устройство для его осуществления можно признать удовлетворяющими условиям патентоспособности.

  В результате использования изобретений созданы достаточно простые способ диссоциации воды на водород и кислород и устройство для осуществления этого способа, которые пригодны для промышленного применения, позволяют снизить энергоемкость процесса диссоциации воды и обеспечивают возможность раздельного получения газов.

  

  Claims ( 10 )

  1. Способ диссоциации воды на водород и кислород, включающий воздействие на воду или водный электролит электрическим полем через расположенные на расстоянии друг от друга электроды и отвод продуктов диссоциации, отличающийся тем, что воздействие на воду или водный электролит электрическим полем осуществляют с расчетной резонансной частотой на гармониках, по отношению к которым частота собственных колебаний молекулы воды является кратной, а отвод продуктов диссоциации производят раздельно с каждого четного и нечетного электродов.

  2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в дополнение к электрическому полю на воду или водный электролит одновременно воздействуют направленным перпендикулярно ему переменным или постоянным магнитным полем.

  3. Способ по п.1, отличающийся тем, что каждые четные и нечетные электроды объединяют в замкнутую электрическую цепь с односторонним перетеканием электрического тока.

  4. Способ по п.1, отличающийся тем, что каждые четные и нечетные электроды подсоединены к соответствующим полюсам источника постоянного тока.

  5. Устройство для диссоциации воды на водород и кислород, включающее набор из погруженных в воду или водный электролит параллельно установленных электродов, расположенных на расстоянии друг от друга и гидравлически сообщающихся с образованием электролитических секций, которые объединены в электрическую цепь, отличающееся тем, что набор электродов размещен между двумя плоскими пластинами, электрически изолированными от электродов и водного электролита, подсоединенными к генератору переменного тока и расположенными параллельно относительно электродов с образованием элементарных ячеек.

  6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что оно снабжено источником переменного или постоянного магнитного поля перпендикулярного электрическому полю плоских пластин.

  7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что каждые четные и нечетные электроды объединены в замкнутую электрическую цепь, включающую диод и резистор.

  8. Устройство по п.5, отличающееся тем, что каждые четные и нечетные электроды объединены в электрическую цепь с источником постоянного тока.

  9. Устройство по любому из пп.7 или 8, отличающееся тем, что в верхней части электроды разделены друг от друга газонепроницаемыми перегородками, нижние границы которых расположены ниже уровня водного электролита с образованием полостей, при этом каждая полость снабжена индивидуальным отводом образующихся в процессе электролиза газов.

  10. Устройство по любому из пп.5-8, отличающееся тем, что оно включает множество параллельно и/или последовательно соединенных элементарных ячеек, электрически и гидравлически объединенных в батарею.

  RU2009121495/07A 2009-06-08 2009-06-08 Способ диссоциации воды на водород и кислород и устройство для его осуществления RU2409704C1 ( ru )

  Priority Applications (1)

  Application Number	Priority Date	Filing Date	Title
  RU2009121495/07A RU2409704C1 ( ru )	2009-06-08	2009-06-08	Способ диссоциации воды на водород и кислород и устройство для его осуществления

  Applications Claiming Priority (1)

  Application Number	Priority Date	Filing Date	Title
  RU2009121495/07A RU2409704C1 ( ru )	2009-06-08	2009-06-08	Способ диссоциации воды на водород и кислород и устройство для его осуществления

  Publications (1)

  Publication Number	Publication Date
  RU2409704C1 true RU2409704C1 ( ru )	2011-01-20

  Family

  ID=46307691

  Family Applications (1)

  Application Number	Title	Priority Date	Filing Date
  RU2009121495/07A RU2409704C1 ( ru )	2009-06-08	2009-06-08	Способ диссоциации воды на водород и кислород и устройство для его осуществления

  Country Status (1)

  Country	Link
  RU ( 1 )	RU2409704C1 ( ru )

  Cited By (11)

  * Cited by examiner, † Cited by third party

  Publication number	Priority date	Publication date	Assignee	Title
  RU2506349C2 ( ru ) *	2013-01-21	2014-02-10	Геннадий Леонидович Багич	Способ определения максимальной производительности разложения воды и устройство для его осуществления (водородная ячейка)
  WO2015005921A1 ( en ) *	2013-07-11	2015-01-15	Balakiryan Konstantin	Multifactorial hydrogen reactor
  US9353447B2 ( en )	2013-07-11	2016-05-31	Solar Hydrogen Holdings, Inc.	Multifactorial hydrogen reactor
  RU2645504C2 ( ru ) *	2017-06-29	2018-02-21	Геннадий Леонидович Багич	Устройство разложения воды на кислород и водород электромагнитными полями
  EP3443142A4 ( en ) *	2016-03-25	2019-04-10	Carter International, LLC	ELECTROMAGNET RESONANCE DEVICE FOR THE MOLECULAR, ATOMIC AND CHEMICAL MODIFICATION OF WATER
  RU2696713C2 ( ru ) *	2018-12-18	2019-08-05	Геннадий Леонидович Багич	Способ получения обогащённой кислородом и обогащённой водородом воды и устройство для его осуществления
  WO2019172784A1 ( ar ) *	2018-03-08	2019-09-12	ضحى البروانى،	جهاز لإنتاج الطاقة من جزيئات الماء
  RU2727362C2 ( ru ) *	2019-07-22	2020-07-21	Геннадий Леонидович Багич	Устройство получения обогащённой кислородом и обогащённой водородом воды
  RU2764436C1 ( ru ) *	2020-12-21	2022-01-17	Общество с ограниченной ответственностью «Логос»	Способ очищения водных потоков и устройство для его осуществления
  EP3946715A4 ( en ) *	2019-05-29	2022-12-28	Davis Technologies, LLC	HIGHLY EFFICIENT SYSTEM AND PROCESS FOR GENERATION OF HYDROGEN AND OXYGEN
  RU2789110C1 ( ru ) *	2022-03-21	2023-01-30	Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кубанский государственный аграрный университет имени И.Т. Трубилина»	Устройство для диссоциации воды на водород и кислород

  • 2009
    • 2009-06-08 RU RU2009121495/07A patent/RU2409704C1/ru not_active IP Right Cessation

    Cited By (11)

    * Cited by examiner, † Cited by third party

    Publication number	Priority date	Publication date	Assignee	Title
    RU2506349C2 ( ru ) *	2013-01-21	2014-02-10	Геннадий Леонидович Багич	Способ определения максимальной производительности разложения воды и устройство для его осуществления (водородная ячейка)
    WO2015005921A1 ( en ) *	2013-07-11	2015-01-15	Balakiryan Konstantin	Multifactorial hydrogen reactor
    US9353447B2 ( en )	2013-07-11	2016-05-31	Solar Hydrogen Holdings, Inc.	Multifactorial hydrogen reactor
    EP3443142A4 ( en ) *	2016-03-25	2019-04-10	Carter International, LLC	ELECTROMAGNET RESONANCE DEVICE FOR THE MOLECULAR, ATOMIC AND CHEMICAL MODIFICATION OF WATER
    RU2645504C2 ( ru ) *	2017-06-29	2018-02-21	Геннадий Леонидович Багич	Устройство разложения воды на кислород и водород электромагнитными полями
    WO2019172784A1 ( ar ) *	2018-03-08	2019-09-12	ضحى البروانى،	جهاز لإنتاج الطاقة من جزيئات الماء
    RU2696713C2 ( ru ) *	2018-12-18	2019-08-05	Геннадий Леонидович Багич	Способ получения обогащённой кислородом и обогащённой водородом воды и устройство для его осуществления
    EP3946715A4 ( en ) *	2019-05-29	2022-12-28	Davis Technologies, LLC	HIGHLY EFFICIENT SYSTEM AND PROCESS FOR GENERATION OF HYDROGEN AND OXYGEN
    RU2727362C2 ( ru ) *	2019-07-22	2020-07-21	Геннадий Леонидович Багич	Устройство получения обогащённой кислородом и обогащённой водородом воды
    RU2764436C1 ( ru ) *	2020-12-21	2022-01-17	Общество с ограниченной ответственностью «Логос»	Способ очищения водных потоков и устройство для его осуществления
    RU2789110C1 ( ru ) *	2022-03-21	2023-01-30	Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кубанский государственный аграрный университет имени И.Т. Трубилина»	Устройство для диссоциации воды на водород и кислород

    Similar Documents

    Publication	Publication Date	Title
    RU2409704C1 ( ru )	2011-01-20	Способ диссоциации воды на водород и кислород и устройство для его осуществления
    KR20130023154A ( ko )	2013-03-07	연속식 전해 산화수/환원수 생성 장치
    US9816190B2 ( en )	2017-11-14	Energy extraction system and methods
    Alam et al.	2017	Experimental study of hydroxy gas (HHO) production with variation in current, voltage and electrolyte concentration
    Wüthrich et al.	2009	Electrochemical discharges—Discovery and early applications
    US3893900A ( en )	1975-07-08	Apparatus for treating wastewater using an electrolytic cell
    US10434487B2 ( en )	2019-10-08	Apparatus for physically processing and/or heating media, in particular liquids
    RU81964U1 ( ru )	2009-04-10	Ультразвуковое устройство получения водорода
    US6217712B1 ( en )	2001-04-17	Catalytic simulation using radio frequency waves
    RU2789110C1 ( ru )	2023-01-30	Устройство для диссоциации воды на водород и кислород
    RU86941U1 ( ru )	2009-09-20	Плазменно-биохимический реактор
    RU2067836C1 ( ru )	1996-10-20	Способ получения активной воды
    RU142285U1 ( ru )	2014-06-27	Электролитическая установка для получения газообразной смеси водорода и кислорода
    US20230009487A1 ( en )	2023-01-12	Hydrogen and oxygen production from water using wave resonance
    RU117441U1 ( ru )	2012-06-27	Плазменный электролизер
    CN213680932U ( zh )	2021-07-13	电解槽单元和矿浆电解槽
    JP2005520297A ( ja )	2005-07-07	電子化学における改良
    US20220389596A1 ( en )	2022-12-08	Electrochemical production of hydrogen from sea water
    CN113684491A ( zh )	2021-11-23	一种水电容器高频分解系统
    RU57368U1 ( ru )	2006-10-10	Энергетическая установка транспортного средства
    US10329164B2 ( en )	2019-06-25	System for and method of affecting molecules and atoms with electromagnetic radiation
    Jongsuphaphong et al.	2010	Evaluation of a pilot scale high pressure plasma ozonizer for use in wastewater treatment
    RU2259426C2 ( ru )	2005-08-27	Способ получения электрохимической реакции
    Kolenchin	2020	Features of the formation of the oxide layer during the anode vibration
    PL242731B1 ( pl )	2023-04-17	Sposób intensyfikacji procesów elektrowydzielania metali z roztworu za pomocą indukcyjnego zasilania komory elektrolizera oraz elektrolizer

    Legal Events

    Effective date: 20150609

    Effective date: 20160427

    Effective date: 20160429

    Effective date: 20180609

    Как выделить кислород и водород из воды электролизом

    Соавтор(ы): Bess Ruff, MA. Бесс Руфф — аспирантка Университета штата Флорида, работает над получением степени PhD по географии. Получила степень магистра экологии и менеджмента в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре в 2016 году. Проводила исследования для проектов по морскому пространственному планированию в Карибском море и обеспечивала научную поддержку в качестве дипломированного участника Группы устойчивого рыболовства.

    Количество просмотров этой статьи: 82 419.

    В этой статье:

    Процесс расщепления воды (H₂O) на ее составляющие (водород и кислород) с помощью электричества называется электролизом. Полученные в результате электролиза газы можно использовать сами по себе — например, водород служит одним из чистейших источников энергии. Хотя название данного процесса, возможно, и звучит несколько заумно, на самом деле это проще, чем может показаться, если у вас есть подходящее оборудование, знания и немного опыта.

    Часть 1 из 2:

    Подготовьте оборудование

    

    • Подойдет как водопроводная, так и бутилированная вода.
    • Теплая вода имеет меньшую вязкость, благодаря чему в ней легче перемещаются ионы.

    

    • Хлорид натрия (то есть поваренная соль) является электролитом, который увеличивает электропроводность воды. Сама по себе вода плохо проводит электричество.
    • После того как вы повысите электропроводность воды, созданный батарейкой ток будет легче проходить через раствор и эффективнее расщеплять молекулы на водород и кислород.

    

    • Графитовые стержни послужат изолированными электродами, к которым вы подключите батарейку.
    • Графит хорошо подходит для данного эксперимента, поскольку он не растворяется и не корродирует в воде.

    

    • Картон нужен для того, чтобы удерживать карандаши в воде, так чтобы они не касались стенок и дна стакана.
    • Картон не проводит ток, поэтому его можно без опаски положить на стакан.

    

    Проделайте с помощью карандашей два отверстия в картоне. Проткните картон карандашами — в этом случае они окажутся плотно зажатыми и не будут выскальзывать. Проследите, чтобы графит не касался стенок или дна стакана, иначе это помешает провести эксперимент. [5] X Источник информации

    Часть 2 из 2:

    Проведите эксперимент

    

    • Используйте 6-вольтовую батарейку. Если у вас нет такой батарейки, вместо нее можно взять 9-вольтовую батарейку.
    • Подходящую батарейку можно приобрести в магазине электрических товаров или супермаркете.

    

    • Таким образом вы замкнете цепь, и через воду потечет ток от батарейки.

    

    • Чтобы эксперимент удался, графит не должен касаться стенок и дна стакана. Еще раз проверьте это и при необходимости поправьте карандаши.

    

    • Как только вы подключите провода к батарейке и графитовым стержням, через воду потечет электрический ток.
    • Больше пузырьков газа будет образовываться на том карандаше, который подсоединен к отрицательному полюсу, поскольку каждая молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.
    • Если у вас нет карандашей с графитовыми стержнями, вместо них можно использовать две небольшие проволочки. Просто оберните одним концом каждой проволочки соответствующий полюс батарейки, а второй опустите в воду. Получится тот же результат, что и с карандашами.
    • Попробуйте использовать другую батарейку. От вольтажа батарейки зависит величина протекающего тока, которая, в свою очередь, влияет на скорость расщепления молекул воды.

    Предупреждения

    • Если вы добавите в воду электролит, например соль, то учтите, что в ходе эксперимента будет образовываться небольшое количество такого побочного продукта, как хлор. В таких малых количествах он безопасен, однако вы можете почувствовать легкий запах хлора.
    • Проводите данный эксперимент под наблюдением взрослых. Он связан с электричеством и газами, поэтому может представлять опасность, хотя это маловероятно.

    Что вам понадобится

    Дополнительные статьи

    

    найти число протонов, нейтронов и электронов

    

    сделать слоновью зубную пасту

    

    написать электронную конфигурацию атома любого элемента
    сделать кристаллы соли

    

    написать ионное уравнение

    

    рассчитать концентрацию раствора

    

    найти число нейтронов в атоме

    

    рассчитать нормальность раствора

    

    пользоваться таблицей Менделеева

    

    определить валентные электроны

    

    разбавить раствор

    

    посчитать pH

    

    балансировать химические уравнения

    

    изобразить точечные структуры Льюиса

    1. ↑https://learning-center.homesciencetools.com/article/electrolysis-science-project/
    2. ↑http://www.terrificscience.org/lessonpdfs/PencilElectrolysis.pdf
    3. ↑https://www.acs.org/content/dam/acsorg/education/outreach/pencil-electrolysis.pdf
    4. ↑https://learning-center.homesciencetools.com/article/electrolysis-science-project/
    5. ↑http://www.terrificscience.org/lessonpdfs/PencilElectrolysis.pdf
    6. ↑https://orbitingfrog.com/2014/11/02/electrolysis-of-water-with-pencils-and-a-9v-battery/
    7. ↑https://learning-center.homesciencetools.com/article/electrolysis-science-project/
    8. ↑https://www.acs.org/content/dam/acsorg/education/outreach/pencil-electrolysis.pdf
    9. ↑https://orbitingfrog.com/2014/11/02/electrolysis-of-water-with-pencils-and-a-9v-battery/

    Об этой статье

    Соавтор(ы): Bess Ruff, MA. Бесс Руфф — аспирантка Университета штата Флорида, работает над получением степени PhD по географии. Получила степень магистра экологии и менеджмента в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре в 2016 году. Проводила исследования для проектов по морскому пространственному планированию в Карибском море и обеспечивала научную поддержку в качестве дипломированного участника Группы устойчивого рыболовства. Количество просмотров этой статьи: 82 419.

    Способы получения кислорода

    В начале XX века, когда были разработаны первые промышленные методы получения кислорода, его производили в небольших количествах и он был довольно дорогим. Из-за этого его применение было ограничено.

    В начале XX века, когда были разработаны первые промышленные методы получения кислорода, его производили в небольших количествах и он был довольно дорогим. Из-за этого его применение было ограничено.

    Однако за последние годы технология и аппаратура производства кислорода были существенно усовершенствованы, и сейчас можно производить дешевый кислород в больших количествах и широко использовать его в промышленности.

    Кислород можно получать:

    • Химическими способами;
    • Электролизом воды;
    • Криогенным методом;
    • Адсорбционным методом;
    • Мембранным разделением.

    Химические способы

    Первоначально для получения кислорода применялись химические способы, основанные на свойствах некоторых веществ, таких как бертолетовая соль или перекись бария.

    Вместе с тем, кислород можно получить из двуокиси углерода через свинцовокислый кальций, марганцовистокислого натрия водяным паром, бихромата калия воздействием серной кислоты. Перекись натрия, перекись калия и надперекись натрия также выделяют кислород при взаимодействии с парами воды и двуокисью углерода.

    Существуют способы получения кислорода из воздуха путем попеременного окисления и восстановления окислов хрома на силикагеле, однако они не имеют промышленного значения из-за низкой производительности.

    Также существует вещество салькомин, способное поглощать и отдавать кислород при изменении давления и температуры, однако его применение также ограничено.

    В настоящее время химические способы получения кислорода иногда используются для получения небольших количеств в лабораторной практике и других случаях.

    Электролиз воды

    Электролиз воды позволяет получать кислород и водород путем пропускания постоянного электрического тока через воду с гидроокисью натрия. Кислород собирается у положительного полюса, а водород – у отрицательного. Этот процесс экономически целесообразен только при низкой стоимости электроэнергии (например, энергии гидростанции) и используется в основном для получения водорода.

    Криогенный метод

    

    Разделение воздуха методом глубокого охлаждения – это процесс, который используется для получения кислорода и азота из атмосферного воздуха.

    Разделение воздуха является сложной технической задачей, поскольку воздух находится в газообразном состоянии. Поэтому перед разделением воздуха на составные части, необходимо перевести его в жидкое состояние путем сжатия, расширения и охлаждения. Затем происходит разделение на составные части, используя разность температур кипения кислорода и азота.

    При атмосферном давлении жидкий азот кипит при температуре -195,8 градусов Цельсия, а жидкий кислород – при -182,97 градусов Цельсия. Если жидкий воздух постепенно испарять, то сначала будет испаряться преимущественно азот, обладающий более низкой температурой кипения. По мере улетучивания азота жидкость будет обогащаться кислородом. Повторяя процесс испарения и конденсации многократно, можно достичь желаемой степени разделения воздуха на азот и кислород требуемых концентраций. Этот процесс называется ректификацией, а выполняется он в специальных машинах – детандерах.

    Способ глубокого охлаждения основан на охлаждении воздуха до очень низких температур. Именно поэтому данный метод получил свое название. Получение кислорода из воздуха глубоким охлаждением – наиболее экономично, что объясняет широкое применение данного метода в промышленности. Глубоким охлаждением и ректификацией воздуха можно получать практически любые количества дешевого кислорода и азота. Кроме того, криогенный метод дает возможность получать кислород, чистота которого достигает 99,7%.

    «РусГазКрио» является одним из ведущих поставщиков криогенных установок для разделения воздуха всех видов. Мы производим оборудование различной производительности – до 110000м³ в час. Наши установки отвечают всем требованиям и стандартам, что позволяет клиентам использовать продукцию для решения различных технологических задач.

    

    Установка разделения воздуха

    Адсорбционный метод

    Адсорбционный метод разделения воздуха является одним из наиболее распространенных методов для получения газовых смесей, особенно в случае необходимости продуктов с низкими концентрациями.

    Процесс основан на поглощении компонентов воздуха за счет молекулярных сит с применением короткоцикловой безнагревной адсорбции (КБА или PSA). Установки КБА отличаются дешевизной, простотой монтажа, эксплуатации и обслуживания, компактностью, безопасностью, надежностью, автоматизацией технологического процесса, коротким периодом пуска и практически неограниченной продолжительностью рабочей кампании.

    Адсорбционный метод экономичнее криогенного, что связано с меньшим давлением в цикле, но не позволяет получать чистый технический кислород и сжиженные газы.

    Мембранное разделение

    

    Мембранные установки используются для разделения воздуха на компоненты с помощью сверхтонких полимерных мембран, скорость проникновения через которые различна для отдельных веществ. Процесс осуществляется за счет перепада парциальных давлений с разных сторон мембраны. Компоненты воздуха разделяются на трудно- и легкопроникающие газы. Установки, работающие по мембранному принципу, часто используются для производства азота и для переработки попутного нефтяного газа. Оборудование мембранных установок аналогично адсорбционным, но используются стандартные мембранные картриджи вместо адсорбционного блока.

    Метод экономичен в использовании электроэнергии и эксплуатации. Кислород, получаемый этим методом, имеет чистоту до 45%.

    Заключение

    В итоге, исходя из представленных данных, можно сделать вывод о том, что криогенный метод разделения воздуха является самым эффективным. Этот метод обеспечивает высокую степень очистки и высококачественные разделенные компоненты, такие как технический кислород и сжиженные газы. Криогенные установки демонстрируют высокую производительность и эффективность, позволяя получать большие объемы разделенных компонентов в высокой концентрации. Несмотря на более высокую стоимость оборудования и сложные технологические процессы, криогенный метод оправдывает свою эффективность и находит широкое применение в различных отраслях промышленности и научных исследованиях.

    Похожие публикации:

    1. Как зная мощность и время рассчитать работу
    2. Как рассчитать нихромовую проволоку на 12 вольт
    3. Как сделать кипятильник из лезвий
    4. Что означает mr на зарядном устройстве