 |  | |
 УДК 620.93 Проблемы получения водорода для водородной энергетики электролизом воды
Александрова А.А, магистрант, Сердюк А.И., профессор Донбасская национальная академия строительства и архитектуры, Россия
Показано, что получение водорода для водородной энергетики электролизом воды возможно только с достаточно чистой дорогой бидистиллированной водой с содержанием хлоридов не выше 2 мг/дм3 и с получением отхода – концентрата солей.
Успехи в развитии водородных технологий продемонстрировали, что использование водорода и водородсодержащих топлив приводит к качественно новым показателям в работе энергетических систем. Преимущество водородной энергетики в том, что водород можно не сжигать, а электрохимически окислять, используя катализатор - платину, то есть непосредственно превращать в электроэнергию, минуя стадию сжигания. Целью работы является оценка экологических проблем, возникающих при получении водорода с целью его использования для водородной энергетики. Рассмотрим один из самых давно известных распространенных способов производства водорода - электролиз воды [1]. Это метод синтеза водорода, обеспечивает достаточно высокую чистоту конечного продукта. Сопутствующим «бонусом» в этом технологическом процессе становится получение кислорода, не менее важного продукта. На долю электрохимических методов получения водорода приходится примерно 5% получаемого в мире водорода, однако по существующим оценкам, доля водорода, получаемого электрохимическим методом, будет увеличиваться в связи с сокращением запасов природного газа и нефти – основного сырья для получения водорода в настоящее время. Для изготовления катодов при электролизе воды используется обычная сталь. Катод иногда активируют путем осаждения на его поверхность никеля, содержащего серу или металлов платиновой группы В качестве анодов при электролизе водных щелочных растворов используют углеродистую сталь, на которую электрохимически наносят никелевое покрытие толщиной 100 мкм. Такой анод сохраняет достаточную коррозионную устойчивость в щелочных растворах даже при наличии 1,5∙103 пор на 1 м2. Малый износ такого анода даже при большей пористости гальванического покрытия объясняется забиванием пор продуктами коррозии стальной основы. Никелирование анода переводит его в пассивное состояние и делает нерастворимым в области потенциалов, при которых происходит выделение кислорода. В качестве электролита для электролиза воды с целью повышения ее электропроводности применяют растворы едкого кали или едкого натра. В электролит также вводят 2 – 3 г/ дм3 бихромата калия (К2Сr2О7) для подавления коррозии стали. Пригодной для электролизера считается вода с удельной электрической проводимостью не выше 1• 10-3 См/м, содержащая не более 10 мг/ дм3 хлоридов и до 3 мг/ дм3 железа. В природной воде содержится семь основных ионов: четыре катиона – натрий калий, магний и кальций и три аниона – гидрокарбонаты, сульфаты и хлориды. Так как катионы натрия, калия и магния относятся к первой группе металлов, то на катоде будет восстанавливаться водород из молекулы воды. На катоде выделяется водород, а в прикатодном пространстве образуются агрессивная щелочная среда - гидроксиды натрия, калия или магния.
На катоде (-): 4Н2О + 4е → 2Н2 + 4ОН-
Применение минерализованной воды, содержащей хлориды, в том числе морской, электрический разряд, который генерирует кислород на аноде, превращает ионы хлорида в соленой воде в очень токсичный, высококоррозионный газообразный хлор (атмосферный воздух ПДКмр = 0,1 мг/м3, ПДКсс = 0,03 мг/м3, класс опасности – 2). Для электролиза воды, содержащей ионы хлора, используют электроды из драгоценных металлов. Так, например, при электролизе водного раствора хлорида натрия используется оксидно-рутеневый анод (рутений – платиновый металл, цена которого составляет 20% стоимости золота), так как электроды из углеродистой стали с никелевым покрытием очень быстро разрушаются. Кроме того, необходима очистка водорода от примесей хлора и разработка мероприятий по уменьшению загрязнения хлором окружающей среды. Однако, для питания промышленных электролизеров рекомендуется применять более чистую воду; проводимость не выше 1• 10-4 См/м, с содержанием хлоридов не более 2 мг/ дм3, железа не выше 1 мг/дм3 и сухого остатка - 3 мг/ дм3 [1]. Таким требованиям приблизительно соответствует дистиллированная вода по ГОСТ Р 58144—2018. Суммарное содержание хлоридов в ней не превышает 0,5 мг/л, железа не выше 0,05 мг/ дм3, сухого остатка - 3,2 мг/ дм3, а удельная электрическая проводимость при 20оС не выше 4,3•10-4 См/м. Требуемая низкая электропроводность воды, кроме наличия хлоридов, обусловлена необходимостью отсутствия в катодном и анодном пространствах агрессивных сред – щелочной и кислой– обуславливающих быстрый износ электродов. Такая вода производится по технологии, основой которой является 2-х ступенчатый обратный осмос - 100% дистиллят. Стоимость этой воды составляет не менее 60 руб/дм3 (60 тыс.руб/м3). Но побочным продуктом ее получения (отходом) является концентрат солей, который частично обезвоживают упариванием и затем захороняют или же сбрасывают в природные водоемы. Максимальное солесодержание концентрата солей при этом не может превышать 50 - 140 г/дм3. Поэтому применение обратного осмоса для опреснения-концентрирования шахтных вод, которые имеются в больших количествах в ДНР, с концентрацией выше 10 - 15 г/дм3 экономически нецелесообразно. Содержание хлоридов в природной воде зависит от сезонности и уровня минерализации воды. Например, в водоемах северной части РФ норма хлоридов в воде не выше 10 мг/дм3, а для южных регионов характерно значение от 10 до 100 мг/ дм3. Происхождение хлоридов в воде обусловлено природными источниками. Данные соединения есть практически в каждом природном источнике воды - реках, озерах, скважинах, ручьях, колодцах. Содержание хлоридов в озерах и реках колеблется от доли грамма до нескольких граммов на литр, в морях количество хлорид-ионов составляют 87% от массы всех анионов, поэтому уровень их концентрации в морях и подземных водах позволяет отнести их к перенасыщенным растворам и рассолам. Средняя концентрация хлорид-иона в мировом океане - 19 г/дм3 (19000 мг/дм3). Стоит также отметить, что возможно в будущем вообще не придется синтезировать водород. По мнению некоторых многих ученых, большие запасы водорода имеются в недрах Земли, в том числе и в недрах ДНР. Более того, уже даже существуют скважины, из которых его добывают. Это дешевый и экологичный способ получения топлива, но это уже будет невозобновляемый источник энергии.
Библиографический список 1. Белобородов, С. С. Возобновляемые источники энергии и водород в энергосистеме: проблемы и преимущества: монография / С. С., Белобородов, Е. Г.Гашо, А. В.Ненашев. – Санкт-Петербург: Наукоемкие технологии, 2021. – 151 с. – Библиогр.: с.144-152. - ISBN 978-5-6047314-3-7. URL: https://publishing.intelgr.com/archive/VIE-i-vodorod-v-energosisteme.pdf. – Текст: электронный. 2. Александрова, А.А Проблемы экологической безопасности водородной энергетики для автотранспорта / А.А. Александрова, А.И. Сердюк - Текст : непосредственный // Вестник Луганского государственного университета имени Владимира Даля. – 2023. - №1 (67). – С.9-13.
| ||
 |  |
