Плазмодинамическая генерация водорода в природной воде в. Ю. Великодный, В. Г. Гришин
Скачать 166.5 Kb.
|
| ПЛАЗМОДИНАМИЧЕСКАЯ ГЕНЕРАЦИЯ ВОДОРОДА В ПРИРОДНОЙ ВОДЕ В.Ю. Великодный, В.Г.Гришин Институт прикладной механики РАН vvelikodny@hotbox.ru, grishin1@hotbox.ru Продолжено экспериментально-теоретическое исследование плазмодинамичес-кого (ПД) реактора, формируемого вокруг металлического электрода. В целях расшифровки ПД-состояния электролита проанализировано более 100 опубликованных за последние 125 лет работ по структуре и свойствам природной воды, находящейся при высоком давлении и температуре. Сделан вывод, что плазменно-электрохимические (ПЭХ) процессы протекают в условиях локального взрыва воды, обуславливающих её одновременное нахождение в четырёх фазовых состояниях и обеспечивающих эффективное выделение энергии, аккумулированной природной водой из окружающей среды. ПЭХ-процессы составляют предмет плазменной электрохимии – науки, не имеющий до сих пор самостоятельного статуса. Одним из объектов её является ПД-реактор, состоящий из кристаллической решетки электрода, биполярного плёночно-плазменного (БПП) электрода, пространства между БПП-электродом и металлическим электродом, заполненного низкотемпературной плазмой. 1.Введение Авторами установлено [1], что разряд в электролите открыл Will. Cruickshank в 1801г., на год опередив открытие В.В.Петровым электрической дуги. Несмотря на тысячи работ, проведённых по разряду в электролите учёными из самых различных областей науки, лишь в 1989г. Е.Д. Зыкову с сотр. удалось [2] заложить основы теории катодного электрического разряда в электролите (КЭРВЭ). Однако пока КЭРВЭ не получает прикладного развития, несмотря на то, что в 1947г. за его применение в обработке мелких деталей И.З.Ясногородскому была присуждена Сталинская премия [3]. В настоящее время внимание учёных, главным образом электрохимиков, сосредоточено на внедрении анодного электрического разряда в электролите (АЭРВЭ), однако и здесь отсутствие теоретической базы тормозит дело[4]. Аналитическая обработка литературных источников и проведённая НИР [5] позволили авторам предложить к внедрению катодно-анодный электрический разряд в электролите (КАЭРВЭ) с использованием в качестве электролита водопроводной воды. Опытные образцы марки «ИГРА»[6], в первую очередь, являются научно-техническим прорывом в обеспечении промышленности водяным паром температурой до 600 К. В полупромышленном масштабе реализована возможность преобразования электрической энергии в тепловую с Кпреоб >1, обоснованная экспериментально-теоретически [7], и наработка избыточного количества (относительно закона Фарадея) водородо-кислородной смеси, обнаруженная Я.Б. Скуратником с сотр. [8]. Изучая проблематику получения дешёвого водорода, авторы зажгли электрический разряд в метаноле[9], рассматривая метанол в качестве второго члена гомологического ряда предельных спиртов (первым членом этого ряда является вода). Так как в водном плазмодинамическом (ПД) реакторе развиваются давления свыше 3000 МПа и температуры до 10000 К[10], то крайне необходимо выяснить, в каком состоянии вокруг ПД-реактора находится электролит (в первом приближении - вода) при высоких давлениях и температурах. 2. Вода в твёрдой фазе К настоящему времени открыты 11 типов льда [11]. Лёд, который мы встречаем в повседневной жизни, называют гексагональным – это лёд Ih. Однако лёд нельзя называть кристаллом в строгом смысле – он представляет собой «неупорядоченный кристалл» [12]. Только с точки зрения расположения атомов кислорода лёд представляет собой правильный кристалл. Однако, исходя из расположения протонов (водорода), его можно отнести к неупорядоченным аморфным телам. Неупорядоченное расположение протонов (дейтронов) при наличии ионных и ориентационных дефектов позволяет льду проводить постоянный ток и в то же время делает возможной диэлектрическую поляризацию. Таким образом, лёд проявляет как свойства полупроводника, так и свойства диэлектрика. Согласно статистической модели [13] «в кристалле» льда ни на миг не прекращается относительное изменение расположения протонов (водорода): за одну секунду возникает и исчезает около 104 различных вариантов, что отражает «неупорядоченность» этих «кристаллов». Как известно [14], существует лишь 2 структуры, образуя которые, молекулы занимают тетраэдрические позиции: гексагональная и кубическая. Однако лёд с кубической структурой Iс существует [15] лишь в метастабильной фазе, которая может образовываться только при температурах ниже 173 К. При быстрой конденсации паров воды при Т менее 113 К образуется стеклообразный лёд [16]: в нём неупорядочено как расположение протонов (водорода), так и атомов кислорода. В 1900г. G.Tamman, получив давления до 300 МПа открыл лёд II и лёд III [17]. Давления свыше 1000 МПа получил в 1912г. P.W.Bridgmann и открыл лёд IV и лёд VII [18]. Если продолжать сдавливать открытый G.Tamman лёд III, то при давлении 370 МПа образуется более плотный лёд V. При дальнейшем повышении давления возникает ещё более плотный лёд VI. В интервале давлений 2000÷2500 МПа лёд VI переходит в ещё более плотную фазу – лёд VII. При дальнейшем повышении давления можно получить лёд VIII (1966г.), лёд IX (1968г.) и далее «горячий лёд» с температурой плавления более 700 К. Данные по достаточно хорошо изученным разновидностям льда приведены в Табл.1. Таблица 1. Разновидности льда
3. Жидкая вода – не просто H2O Лёд Ih в нормальных условиях плавят и подвергают химическому анализу. Результат анализа и сравнительный масштаб содержания изотопных компонентов в природной воде представлены в табл.2. Таблица 2. Изотопный состав природной воды[19].
Таким образом, чистая вода представляет собой смесь изотопных сочетаний, которую можно называть «природным жидким (ПЖ) оксидом водорода». В различных условиях ПЖ – оксид водорода переходит в многочисленные равновесные структурные системы, содержащие, например, гидратированный протон (дейтрон) Н+ (H2O)х, гидратированный электрон е- (H2O)у, гидратированный гидроксил – ион ОН- (H2O)z и т.д.[20]. Вода, подвергнутая даже сравнительно невысокому давлению в 300 МПа, а затем освобождённая от него, уже «не та» - на некоторое время она резко меняет свои физические свойства: кипит не при Т = 373 К, а значительно выше, не даёт возникнуть кавитации там, где прежде она возникала, воду можно слегка растягивать, создавая в ней отрицательные напряжения до величины в 100 кПа и т.д. В табл.3 представлены значения плотности воды при различных давлениях, рассчитанные по экспериментальным данным P.W.Bridgmann (1933г.). Таблица 3. Плотность воды при высоких давлениях [11]
Подавляющее большинство учёных не сомневается в том, что проблема строения жидкой воды сложна, и потому в значительной мере не решена. При этом имеют ввиду природную воду в условиях, близких к нормальным. В настоящее время известно более 20 моделей достаточно удовлетворительно описывающих структуру жидкой воды [21]. Их можно разделить на 5 условных групп: 1) непрерывные модели; 2) двухструктурные модели; 3) модели с заполнением пустот; 4) кластерные модели; 5) модели ассоциатов. По мнению авторов, прогресс в решении проблемы может быть достигнут после создания теории водных полимеров, построенных за счёт водородных связей с энергией в интервале значений: 10÷40 кДж / моль. Не структура – а строение водных полимеров; не структурная перестройка – а синтез новых водных полимеров с перегруппировкой или образованием новых типов водородных связей; не «мерцающие кластеры» - а мерцающие олигомеры, которые пока называют, например [22], «большими объёмами конденсированных фаз Н2О … с синхронными переходами протонов» и т.д. Рис.1 иллюстрирует представление о льде Ih как о «водном полимере». Х, Ом-1∙м-1 Е  106 ν, ГцРис.1 Лёд Ih – полимер нового типа («неупорядоченный кристалл») [11] Х-электрическая проводимость Е- диэлектрическая проницаемость При таком подходе процесс отвердевания воды при Т=373 К и Р=0,1 МПа представляет собой синтез из водных олигомеров (жидкая фаза) водного полимера (твёрдая фаза). Если разрабатываемая теория будет правильной, то она должна объяснять как общие свойства жидкостей [23], так и аномальные свойства жидкой воды, перечисленные в Табл.4. Авторы надеются в недалёком будущем представить предварительные разработки полимерной теории воды. В настоящее же время они проводят теоретические изыскания для оценки электромагнитных взаимодействий «мономеров Н2О» в конденсированных фазах. Базовой предпосылкой для проведения такой работы служит достаточный уровень познания двух соответствующих силовых характеристик молекулы воды [25]: 1) молекула Н2О представляет собой двойной симметричный донор и акцептор протонов (дейтронов) [22]; 2) молекула Н2О является нессиметричным ротором, осциллирующим из ортоводы в параводу и наоборот [26], причём массовое соотношение ортовода / паравода для лёгкой воды составляет 3/1, а для тяжёлой воды – 2/1. Таблица 4. Аномальные физические свойства жидкой воды [24]
4. «Закритические состояния» водного электролита Разрабатываемые авторами изделия марки «ИГРА» ( парогенераторы, генераторы тепловой энергии, генераторы водорода [27] ) практически используют в качестве электролита водопроводную воду, представляющую собой водный раствор сильных электролитов (карбонатов, сульфатов, нитратов и пр.) с суммарной концентрацией 0,2÷0,5 г/л. Авторы считают, что при концентрации примесей такого порядка «закритические» свойства водопроводной воды можно коррелировать с фазовыми состояниями чистой природной воды. На рис.2 построен принципиальный контур фазовой диаграммы воды в соответствии с материалом, изложенным выше. Ордината этой диаграммы имеет логарифмический масштаб. Такая зависимость Р(Т) позволяет удобно рассматривать состояние воды, окружающей плазменную сферу плазмоди-намического (ПД) реактора, формируемого вокруг рабочего электрода. Плазменная сфера имеет Т до 10000 К и Р свыше 3000 МПа – и, благодаря режиму зажигания и свойствам водного раствора электролита, она стационарно локализуется вокруг электрода формирующейся из электролита стенкой. Внутренняя сторона этой стенки находится в закритических для воды условиях, а внешняя сторона – в условиях, близких к нормальным, то есть в докритических для воды условиях. Демпфером между плазмой и биполярным плёночно-плазменным (БПП) электродом служит парогазовый слой. БПП – электрод с внутренней стороны поляризован противоположно рабочему электроду, а с внешней – однополярен с ним. P ↑  Рис.2. Фазовая диаграмма природной воды На рис.3 представлена гипотетическая схема ПД - реактора, построенная исходя из параметров плазмы, фазовой диаграммы природной воды и экспериментально полученных свойств БПП - электрода таких, как вентильные свойства, относительные размерная и температурная стабильности и т.п.  ↑ Биполярный плёночно-плазменная электрод Рис 3. Модель плазмодинамического реактора 5. Генерация водорода, тепловой энергии, водяного пара. В 1777 г. А.Лавуазье сформулировал теоретические основы реакции 2Н2 + О2 = = Н2О. Однако характер этой реакции теряет физико-химический смысл, если не оговорены условия, в которых происходит реакция: температура, давление, построение межфазных границ, распределение напряжённости электрического и магнитного по-лей, маршруты прохождения электрического тока и т.д. Наиболее общий тер-модинамический закон указывает, что процесс протекает самопроизвольно при уменьшении свободной энергии Гиббса: ∆ G = ∆ H - T∆S < 0 Рис.4 указывает на то, что до температуры порядка 4000 К водородо – кислородная смесь взрывается с образованием воды, а при температуре, превышающей 4500 К, всё обстоит наоборот: пары воды со взрывом разлагаются на водород и кислород. Работа генератора водорода ИГРА – 5 зиждется на этом термодинамическом законе с учётом, конечно, отмеченных выше условий, формирующих энергию среды [28]. Вода, находящаяся в закритическом состоянии, («флюид») обладает «закритическими» свойствами [29]. Одно из них, по мнению авторов, использовано в разработках генератора тепловой энергии ИГРА-4 [30] - это резкое увеличение степени  Рис.4 Термодинамика взрыва воды диссоциации воды, иллюстрируемое рис.5. В закритической области создаются более благоприятные условия для нейтрализации протонов (дейтронов). α  Рис.5. Электрическая диссоциация воды в закритическом состоянии Рекомбинация ионов водорода (протонов или дейтронов): Н+ + е- → Н + 13,6 эВ - осуществляется в большой степени. Если теория Ю.А.Истомина и К.А.Калиева соответствует действительности [31], то возможна, в принципе, регистрация процесса: d + + e- → (n0)2 + νe + 0,113 MэВ, где (n0)2 - динейтрон. Разработка парогенераторов ИГРА 3/1 ÷ ИГРА 3/10 имеет чисто инженерный характер[32]. Водяной пар температурой до 600 К «вытягивается» из плазмодинамического реактора, при этом водопроводная вода в парогенераторе (ПГ) имеет температуру близкую к комнатной. Для потребителей, эпизодически применяющих пар, ПГ ИГРА 3/1 ÷ ИГРА 3/10 многократно более экономичны в сравнении с существующими паровыми котлами. 6. Заключение Обозревая фазовую диаграмму природной воды, можно видеть, что классическая электрохимия использует воду только в узкой области докритического состояния. Плазменная же электрохимия присовокупляет к этой области гораздо большую область закритического состояния, хотя верхняя граница в настоящий момент не обозначена: плазменная электрохимия до настоящего времени не имеет самостоятельного статуса. Такое положение значительно сдерживает прогресс в решении проблем идентификации строения воды и водных электролитов [33,34]. Литература
29. Фишер М. Природа критического состояния. М., Наука, 1986.- 356с. 30. Гришин В.Г., Клыков И.Л., Коперник С.В., Щаврук С.В. Анодный электрический разряд в электролите // Научная сессия МИФИ-2003. Сб.научн.трудов. в 14 томах. Т.4., М. МИФИ, 2003, с. 123-124. 31. Истомин Ю.А., Калиев К.А. К вопросу холодного ядерного синтеза. Динейтронный подход. // Мат. 2-й Росс. конф. по холодному синтезу и трансмутации ядер, Сочи , 19-23.09.1994г. М.,1995, с.41-48. 32. Гришин В.Г., Клыков И.Л., Щаврук С.В. Режим генерации водяного пара в электрическом разряде нового типа // Сб.научн.тр. Научная сессия МИФИ-2002., М., 2002, т.4. с. 70-71. 33. Синюков В. В. Вода известная и неизвестная. - М.: «Знание», М., 1987. -176с. 34. Вода: структура, состояние, сольватация. Достижение последних лет. Отв.ред.академик А.М.Кутепов. М., Наука, 2003. – 404с. PLАZMA DYNAMIC HIDROGEN GЕNЕRАTION FROM NATURAL WATER V.Yu.. Velikodny, V.G.Grishin. Applied Mechanic Institute (RAS) vvelikodny@hotbox.ru, grishin1@hotbox.ru The exsperimental-theoretical investigation of plazma-dynamic (PD) reactor about the metallic electrode is continude. More than 100 publication for 125 years period of time were analyzed in the field of water’s structure and properties for the PD-state explanation. The plazma-electrochemical (PECh) process was shown to take place at the water blast, when natural water is existing in 4 phase forms and it’s accumulated energy is effectively outputting. The PECh-processes are the object of plazma electrochemistry – the science which hasn’t independent statuse up until this point. The plazma electrochemistry chief subject is PD-reactor. |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Цель урока: продолжить изучение водорода, рассмотреть физические и химические свойства водорода и области его применения |  | Реферат на тему: «Анализ и технологическая оценка химического производства» Соляная кислота—бесцветная жидкость, представляющая собой раствор хлористого водорода в воде. Она энергично растворяет многие металлы... |
| Агрономические руды и нетрадиционное минеральное сырье ( интерактивный курс) Гришин П. Н., Кравченко В. В. Кравченко И. П. Агро-номические руды и нетрадиционное минеральное сырье (интерактивный курс): Учебное... | | Первый параграф Растворы, содержащие ионы водорода, имеют кислую среду. Такие растворы называют кислотными, и чем больше ионов H+ они содержат, тем... |
| «Тушение лесных и торфяных пожаров» и 9 тренировок Цели: сформировать у учащихся представление о природной зоне тундры; ознакомить с географическим положением этой природной зоны,... | | «Вода вокруг нас. Значение вод. Береги воду!» Задача: Уточнить и расширить представления детей о воде; довести до детей мысль о бережном отношении к воде |
| По химии «токсичностью» средств гигиены. Но у мыла есть более серьезный недостаток: оно плохо мылится в жесткой воде, а при стирке в такой... | | Конспект физкультурного досуга на воде с участием родителей и детей... Доставить детям удовольствие от совместной двигательной деятельности в играх, эстафетах на воде |
| Учебник для четырехл нач шк. В 2 ч. Ч. 1 / Г. Г. Ивченкова, И. В.... Цели: сформировать у учащихся представление о природной зоне тундры; ознакомить с географическим положением этой природной зоны,... | | Кировское областное государственное образовательное бюджетное учреждение... Безопасность детей на воде обеспечивается правильным выбором и оборудованием места купания, систематической разъяснительной работой... |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Цели: уточнить и расширить представления детей о воде, познакомить с тремя состояниями воды, значением воды в жизни человека, воспитать... | | Конспект урока по обж в 8 классе. Тема: Загрязнение окружающей природной... Образовательная-создать полное представление о загрязнении окружающей природной среды и здоровье человека |
| Доклад по Химии на тему Крахмал Этим объясняется зернистое строение крахмала. Накапливается в виде зерен, главным образом в клетках семян, луковиц, клубней, а также... | | Разнообразие природы нашей Родины. Обобщение знаний о природных зонах... Цели: сформировать у учащихся представление о природной зоне тундры; ознакомить с географическим положением этой природной зоны,... |
| Радионуклиды в воде реки Енисей Прямые измерения содержания радионуклидов в отобранных пробах воды (без концентрирования) не всегда позволяют выявить техногенные... | | Генерация оптических гармоник в нелинейных кристаллах Игра викторина "Самый умный" проводилась среди учащихся 8 классов в рамках декады естественных наук |
