 |  | |
 УДК 620.93 Водородная энергетика. Углерод
Худдыева Р., ст. преподаватель, Кошилиева А., преподаватель, Оразбердиев А., преподаватель, Эльясов Э., преподаватель Международный университет нефти и газа имени Ягшыгелди Какаева, Туркменистан
Рассмотрено использование метана для получения искусственного напыления методом CVD, и «добыча» аллотропных форм углерода из сажи, полученной как «бонус» в процессе производства «голубого» водорода
В чистом виде на Земле водород, хотя он и является самым распространенным химическим веществом во Вселенной и составляет почти 75 процентов ее чистой массы, практически не встречается. Его нужно извлекать из других соединений, используя различные методы. К ним относятся: паровая конверсия природного газа, газификация угля, электролиз воды, пиролиз и частичное окисление. На настоящий момент наиболее экономически выгодным считается производство водорода из природного газа. Наиболее доступным и дешёвым процессом является паровая конверсия. Цветовая градация водорода зависит от способа его выработки и, так называемого, углеродного следа, то есть количества вредных выбросов. «Голубой» водород произведен из природного газа. Паровая конверсия - получение чистого водорода из лёгких углеводородов путём парового риформинга. Паровой риформинг - это процесс каталитической конверсии углеводородов в присутствии водяного пара. Риформирование газового пара является самым популярным и самым дешевым способом производства водорода. По сравнению с электролизом воды, количество водорода, полученного на единицу потребляемой энергии, намного выше. Риформирование парового природного газа включает два этапа. Первый этап называется первым риформингом. Он происходит в трубах, заполненных никелевым катализатором, который нанесен на алюминиевую подложку. Тепло, необходимое для процесса, подается через стенки труб, нагретых снаружи путем сжигания другой части природного газа. Химические процессы, происходящие при этом, описываются формулой (для метана): CH4+ H2O = CO + 3H2 Получаемый водород может быть разной чистоты. Водород чистотой 95-98 % называется особо чистым. В зависимости от дальнейшего использования, водород получают под различным давлением: от 1,0 до 4,2 МПа. Сырье (метан) подогревается до 350—400° в конвективной печи или теплообменнике и поступает в аппарат десульфирования. Конвертированный газ из печи охлаждается в печи-утилизаторе, где вырабатывается пар требуемых параметров. После ступеней высокотемпературной и низкотемпературной конверсии СО газ поступает на адсорбцию СО2 и затем на метанирование остаточных оксидов. В результате получается водород 95-98,5% чистоты с содержанием в нем 1-5 % метана и следов СО и СО2. В том случае, если требуется получать особо чистый водород, установка дополняется секцией адсорбционного разделения конвертированного газа. В отличие от предыдущей схемы конверсия СО здесь одноступенчатая. Газовая смесь, содержащая H2, CO2, CH4, H2O и небольшое количество СО, охлаждается для удаления воды и направляется в адсорбционные аппараты, заполненные цеолитами. Все примеси адсорбируются в одну ступень при температуре окружающей среды. В результате получают водород со степенью чистоты 99,99%. Давление получаемого водорода составляет 1,5-2,0 МПа. Нас же интересует следующая реакция:
СН4 -> С (технический углерод) + 2 Н2 – 40 кДж/г Н2 (теоретически)
При этом образуется свободный углерод. Содержание углерода в земной коре оценивается в ~0.5 % масс. Но значение углерода в истории человечества велико и несопоставимо с его количеством. Все основные этапы развития цивилизации связаны с углеродом. Распространение знаний стало возможным после создания чернил (основа - углерод); древесный уголь – один из компонентов пороха; атомная энергетика - управляющие графитовые стержни и многое-многое другое. Сегодня углерод и материалы, полученные на его основе, это прорывные нано-технологии. Это искусственные воспроизводимые материалы. Очень интересно «воспроизведение CVD-алмазов... С помощью этой технологии создаются промышленные алмазы, используемые в высокоточных производствах. CVD-процесс состоит из подготовки первичной заготовки – подложки, наполнения рабочей камеры смесью метана и водорода и их дальнейшее взаимодействие. В камерах создаются вакуумные условия. Газы нагреваются до температуры 3000°C, и углерод, присутствующий в метане, оседает на основу. Полученные в результате этого процесса искусственные алмазы находят применение в производстве микросхем как кристаллы-полупроводники. Изготовление микроэлектронных устройств на матрицах из искусственных алмазов – прорывная технология, обеспечивающая качественный скачок в развитии отрасли. [1] Вернемся к последней формуле. В этом процессе метан полностью переходит в водород и углерод. Образуется «драгоценный» тонкодис-персный углерод. Конец XX века отмечен новым всплеском интереса к материалам на основе углерода. Стимулом стало открытие углерода С60, названного фуллереном в честь в честь инженера и дизайнера Р. Бакминстера Фуллера, конструктора купола павильона США на выставке в Монреале в виде сочлененных пентагонов и гексагонов. Фуллерен – аллотропная (видоизмененная) форма углерода, представляющая собой выпуклые, замкнутые многогранники, составленные из четного числа скоординированных по трем направлениям атомов углерода. Согласно теореме Эйлера необходимым условием для существования такого замкнутого многогранника, построенного из n вершин, образующих только пяти- и шестиугольные грани является наличие 12 пятиугольных граней и (n/2 - 10) шестиугольных граней Фуллерены в значительных количествах содержатся в саже (техническом углероде). Фуллерены обладают необычными химическими и физическими свойствами. С60 при высоком давлении становится твердым, как алмаз. Его молекулы образуют кристаллическую структуру, состоящую из шаров, свободно вращающихся в гранецентрированной кубической решётке. Благодаря этому С60 можно использовать в качестве твердой смазки. Фуллерены обладают магнитными и сверхпроводящими свойствами. Фуллеритами называют молекулы фуллеренов, объединенных в кристаллы. Фуллериты обладают полупроводниковыми свойствами. Они могут полимеризовываться. Полимеризованные фуллериты обладают высокой твёрдостью. Экспериментируя с подмешиванием в фуллериты различных примесей-добавок, мы получаем полупроводниковые материалы с разнообразными энергетическими свойствами, и, как следствие, с разными электрическими и оптическими характеристиками. Твёрдые «вставки» различных элементов в фуллеритах могут быть проводниками. Свойства твёрдых растворов фуллеренов в кристаллах металлов и полупроводников значительно отличаются от свойств беспримесных кристаллов. Некоторые атомы и молекулы могут образовывать с фуллеренами химические соединения. Их называют фуллеридами. Эндофуллерены - особый вид химических соединений - фуллерены с неуглеродными атомами-вставками. Еще одна группа фуллеренсодержащих материалов - растворы фуллеренов и эндофуллеренов в жидких растворителях. На основе комбинирования фуллеритов, металлов и полимеров, мы получаем композиционные материалы. Исследования свойств фуллеренсодержащих материалов позволяют определить перспективы их применения. На основе полимерных молекул, модифицированных фуллеренами можно получить ткани специального назначения. Это различные сверхпрочные нити, полотна, паруса и канаты. На основе графитов, модифицированных фуллеренами создаются радиозащитные материалы, бетонополимеры повышенной прочности. Лёгкие волокнистые графиты могут быть модифицированы фуллеренами и применяться в качестве уплотняющих материалов. В результате «армирования» фуллеренами получают упрочненные и стабилизированные полимерные лакокрасочные материалы; полиэтилены с повышенным сроком эксплуатации и хранения; полиэтилены трубных марок с повышенной прочностью и эластичностью; шины повышенной проходимости. Целый пласт исследований находится в области трибологии. Трибология - научная дисциплина, занимающаяся изучением трения и износа узлов машин и механизмов. Трибологические материалы, улучшенные фуллеренами: различные присадки к маслам и смазкам. Они резко повышают износоустойчивость в машинах и механизмах; антизадирные составы для узлов, работающих в режиме повышенных нагрузок; композиты тормозных колодок в составе комплектующих скоростных транспортных наземных и воздушных транспортных средств, работающих с повышенной теплоотдачей. Отдельно подчеркнем износостойкие материалы, функционирующие в режиме сухого трения: «смазочно-охлаждающие технологические составы, увеличивающие срок службы механизмов; эффективные добавки в масла; покрытия с увеличенным ресурсом на истирание.» [1, с. 15] В области изменения электрических свойств материала. Это сверхпроводники; субмикронные резисторы. Композиция изменений свойств материалов в сфере трибологических и электрических качеств - это «композиционные материалы скользящих сильноточных электрических контактов с повышенным ресурсом работы; материалы электродов химических источников тока; элементы сверхпроводящих конструкций.» [1, с. 16] Работа с оптическими и радиопоглощающими свойствами - это «материалы защитных экранов; материалы для технологии «стелс»; материалы разветвителей в волоконно-оптических сетях; материалы для нелинейной оптики, модуляторы света; материалы для защиты от радиации. [1, с. 16] И наконец, «сорбционные и каталитические свойства: высокоэффективные сорбенты медицинского назначения; высокоэффективные катализаторы крекинга.» [1, с. 16] Как мы видим, богатое физическое содержание явлений, происходящих при участии фуллеренов, указывает на очень большие перспективы использования новых материалов в производстве. В 1991 году сотрудник корпорации NEC Сумио Идзима обнаружил: атомы углерода способны образовывать полые цилиндрические структуры (до сотен микрометров длиной и диаметром в пределах 1 нм). Эти макромолекулы получили название углеродных нанотрубок. Это открытие дало новое направление - химии углеродных нанотрубок и нановолокон. Уникальные химические и физические свойства углеродных нановолокон и нанотрубок позволяют рассматривать их как эффективный усиливающий и функциональный наполнитель композитов, катализатор и носитель катализаторов, сорбент и аккумулятор водорода, материал для зондов туннельной, сканирующей, атомно-силовой и магнитно-силовой микроскопии, чувствительный элемент наносенсеров газоанализаторов. [2] И все это мы можем получить из сажи (технического углерода). Углеродные нановолокна и нанотрубки - неотъемлемая, составная часть понятия «Нанотехнология». Работы в этом направлении считаются приоритетными во всем мире, а в некоторых странах реализуются в рамках национального проекта.
Библиографический список
| ||
 |  |
