Экология./4. Промышленная экология и медицина

К.т.н. Лисьев В.Н.

Харьковский национальный автомобильно–дорожный университет, Украина

Водородные технологии и утилизация отходов

Каждый век жизни человечества несет на себе отпечаток основных достижений. В этом плане XIX в. можно назвать веком металлов и химических элементов, которые были обобщены в периодической системе элементов Д.И. Менделеева, XX — веком моторов и скоростей, освоения в огромных масштабах атомной энергии, а XXI — может стать веком новых видов энергии (например, термоядерной), биотехнологий и информационных систем.

В конце XXв., с развитием промышленности и ростом потребления энергоресурсов, планета Земля оказалась перед угрозой экологического кризиса из-за засорения атмосферы и экосистем обитания человека выбросами продуктов сгорания природного газа, нефти, каменного или бурого углей, горючих сланцев: оксидами углерода, азота и серы, металлов, частицами золы, сажи и пыли. В промышленности и на автотранспорте возросло применение топлив и химических соединений, содержащих такие ингредиенты, как оксиды металлов (кадмия, хрома, свинца и др.), цианиды, тетраэтилсвинец, мышьяк и другие, которые попадают в окружающую среду. Предприятия по переработке нефти в моторные топлива и масла выбрасывают в окружающую среду огромные количества углеводородов. Энергетика - наиболее крупная отрасль промышленности, объем ее выбросов в атмосферу составляет 32%. Воздействие на стратосферу выбросов оксидов азота сверхзвуковыми авиалайнерами могут привести к уменьшению концентрации озона в стратосфере в 2 раза. В 80-х годах XX столетие количество сжигаемых отходов на душу населения составляла: в СССР, Норвегии и Испании - 0,05 кг на человека в сутки; в Великобритании, Италии, США, Канаде и Финляндии - (0,05-0,15); в Франции, Японии, Австрии, ФРГ, Бельгии и Нидерландах - (0,25-0,4); в Швеции, Швейцарии, Дании, Люксембурге и Монако - большее 0,5. В данное время в европейских" странах с применением термических методов перерабатывают (25-30)% объема городских отходов, в Японии - (65-70)%, в США - (15-20)% [1].

Одним из перспективных вариантов решения проблемы эффективного сжигания низкореакционных ТБО является использование водорода, который благодаря своим уникальным физико-химическим свойствам, обеспечивает повышение реакционной способности сжигаемых отходов.

В Украине разработана и успешно апробирована в лабораторных и натурных условиях, новая электрохимическая технология производства водорода высокого давления с использованием в качестве материалов электродов металлов с переменной валентностью. Рабочий диапазон температуры 298 - 423 К, давления 0,1 -70 МПа, при этом потребление электроэнергии составляет 4,1 - 4,3 кВт-ч/м Н₂.

В предлагаемой конструкции электролизера используется новой способ разделения процессов выделения газов во времени, циклический процесс работы электрохимической системы, состоящий из чередующихся периодов выделения водорода и кислорода. Разделение во времени процессов газовыделения происходит в случае накопления одного из продуктов электролиза воды в электрохимически активном электроде, что не приводит к сколько-нибудь значительному изменению объема этого соединения и позволяет получить второй компонент на пассивном электроде в виде газа.

Материалы электродов и технология их изготовления представляют собой «ноу-хау». Можно лишь отметить, что один из электродов выполнен из материала поглощающего кислород, что приводит к циклической работе электролизной ячейки (в полуцикле выделения водорода -кислород поглощается вторым электродом и во втором полуцикле происходит электрохимическое восстановление с выделением кислорода). Такая технология позволяет отказаться от разделительных межэлектродных мембран.

В качестве газопоглощающего электрода в такой системе выступает губчатый металл, осажденный на перфорированный или сетчатый носитель для придания пористому электроду, требуемой формы. Положительным свойством губчатых осадков является более высокая активность в сравнении с материалами, применяемыми в традиционных конструкциях электродов. Для устранения потери активности разработан метод, позволяющий сохранить активность электродных материалов на достаточно высоком уровне и расширяющий перечень материалов пригодных для конструирования электродов. Он связан с выбором режимов работы, обеспечивающих способность электрохимических систем к само регенерации.

Продолжительность цикла является функцией вольтамперной характеристики электролизной ячейки и выбирается из соображений минимизации удельных энерго затрат на получение водорода и кислорода. Как правило, для исследования электродных материалов длительность цикла складывается из двух полуциклов и лежит в диапазоне 120-200 секунд.

Электролит, используемый в реакции разложения воды, представляет собой водный раствор КОН. Расход воды на получение 1 нм³/ч водорода составляет около 840±250 г. Контроль уровня электролита обеспечивается датчиками уровня и при достижении минимального значения производится доливка дистиллята.

Предлагаемая модульная конструкция позволяет обеспечить заданную производительность электролизера, путем объединения ряда модулей в одном агрегате.

Литература:

1. Goltsov V.A., Veziroglu T.N. From hydrogen economy to hydrogen civilization //Intern. J. Hydrogen Energy.-2001.-Vol. 26.-P. 909-915.

2. Veziroglu T.N. Quarter century of hydrogen movement//Hydrogen Energy Progress XIII: Proc. 13th World Hydrogen Energy Conference, Beijing, China, June 12-15, 2000. Eds Z.Q. Mao, T.N. Veziroglu. Vol. l.-P. 3-19.