Производство водорода для получения энергии

Краткая теоретическая часть

Водород, он же hydrogen, – первый элемент таблицы Менделеева – представляет собой легчайшее газообразное вещество, обладающее высокой химической активностью. При окислении (то бишь, горении) выделяет огромное количество теплоты, образуя обычную воду. Охарактеризуем свойства элемента, оформив их в виде тезисов:

1. Горение водорода – процесс экологически чистый, никаких вредных веществ не выделяется.
2. Благодаря химической активности газ в свободном виде на Земле не встречается. Зато в составе воды его запасы неиссякаемы.
3. Элемент добывается в промышленном производстве химическим способом, например, в процессе газификации (пиролиза) каменного угля. Зачастую является побочным продуктом.
4. Другой способ получения газообразного водорода – электролиз воды в присутствии катализаторов – платины и прочих дорогих сплавов.
5. Простая смесь газов hydrogen + oxygen (кислород) взрывается от малейшей искры, моментально высвобождая большое количество энергии.

Раньше водородом наполняли баллоны дирижаблей, которые нередко взрывались Из вышесказанного напрашивается следующий вывод: 2 атома водорода легко соединяются с 1 атомом кислорода, а вот расстаются весьма неохотно. Химическая реакция окисления протекает с прямым выделением тепловой энергии в соответствии с формулой:

2H2 + O2 → 2H2O + Q (энергия)

Здесь кроется важный момент, который пригодится нам в дальнейшем разборе полетов: hydrogen вступает в реакцию самопроизвольно от возгорания, а теплота выделяется напрямую. Чтобы разделить молекулу воды, энергию придется затратить:

2H2O → 2H2 + O2 — Q

Это формула электролитической реакции, характеризующая процесс расщепления воды путем подведения электричества. Как это реализовать на практике и сделать генератор водорода своими руками, рассмотрим далее.

Как из воды получить водород

Наиболее простым способом получения водорода из воды является электролиз. Электролиз — химический процесс, при котором раствор электролита, под воздействием электрического тока, разделяется на составные части, то есть в нашем случае вода разделяется на водород и кислород. Для этого используется раствор соды в воде и два элемента – катод и анод, на которых и будут выделятся газы. На элементы подается напряжение, на аноде выделяется кислород, а на катоде водород.

Как получить водород в домашних условиях

Реактивы используются довольно простые – купорос (медный), поваренная соль, алюминий и вода. Алюминий можно взять из под пивных банок, но прежде, его нужно обжечь, чтобы избавится от пластиковой пленки, которая мешает реакции.

Потом отдельно готовится раствор купороса, и раствор соли, раствор купороса голубого цвета, смешивается с раствором соли, в итоге получается раствор зеленого цвета. Затем в этот зеленый раствор бросаем кусочек алюминиевой фольги, вокруг него появляются пузырьки – это водород. Также замечаем, что фольга покрылась красным налетом, это алюминий вытеснил медь из раствора. Для того, чтобы собрать водород для личных целей, используйте бутылку с пробкой, в которую заранее вставлена не широкая трубка, через которую и будет выходить газ.

А теперь, внимание! Меры предосторожности. Поскольку водород взрывоопасный газ, опыты с ним нужно проводить на улице, а во-вторых реакция получения водорода проходит с большим выделением тепла, раствор может разбрызгиваться и вас попросту обжечь

Физические свойства

Газообразный водород может существовать в двух формах (модификациях) — в виде орто — и пара-водорода.

В молекуле ортоводорода (т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) ядерные спины направлены одинаково (параллельны), а у параводорода (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) — противоположно друг другу (антипараллельны).

Разделить аллотропные формы водорода можно адсорбцией на активном угле при температуре жидкого азота. При очень низких температурах равновесие между ортоводородом и параводородом почти нацело сдвинуто в сторону последнего. При 80 К соотношение форм приблизительно 1:1. Десорбированный параводород при нагревании превращается в ортоводород вплоть до образования равновесной при комнатной температуре смеси (орто-пара: 75:25). Без катализатора превращение происходит медленно, что даёт возможность изучить свойства отдельных аллотропных форм. Молекула водорода двухатомна — Н₂. При обычных условиях — это газ без цвета, запаха и вкуса. Водород — самый лёгкий газ, его плотность во много раз меньше плотности воздуха. Очевидно, что чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре. Как самые лёгкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому. Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в семь раз выше теплопроводности воздуха.

Реактор из пластин

Высокопроизводительный генератор водорода, способный обеспечить работу газовой горелки, выполняется из нержавеющих пластин размером 15 х 10 см, количество – от 30 до 70 шт. В них просверливаются отверстия под стягивающие шпильки, а в углу выпиливается клемма для присоединения провода.

Кроме листовой нержавейки марки 316 понадобится купить:

• резина толщиной 4 мм, стойкая к воздействию щелочи;
• концевые пластины из оргстекла либо текстолита;
• шпильки стяжные М10—14;
• обратный клапан для газосварочного аппарата;
• фильтр водяной под гидрозатвор;
• трубы соединительные из гофрированной нержавейки;
• гидроокись калия в виде порошка.

Пластины нужно собрать в единый блок, изолировав друг от друга резиновыми прокладками с вырезанной серединой, как показано на чертеже. Получившийся реактор плотно стянуть шпильками и подключить к патрубкам с электролитом. Последний поступает из отдельной емкости, снабженной крышкой и запорной арматурой.

Схема генератора мокрого типа Последующая сборка генератора, производящего водород, выполняется по той же схеме, но с отличиями:

1. На корпусе аппарата крепится резервуар для приготовления электролита. Последний представляет собой 7—15% раствор гидроокиси калия в воде.
2. В «бабблер» вместо воды заливается так называемый раскислитель – ацетон либо неорганический растворитель.
3. Перед горелкой обязательно ставится обратный клапан, иначе при плавном выключении водородной горелки обратный удар разорвет шланги и «бабблер».

Для питания реактора проще всего задействовать сварочный инвертор, электронные схемы собирать не нужно. Как устроен самодельный генератор газа Брауна, расскажет домашний мастер в своем видео:

Изготовление электролизера своими руками

Электролизер своими руками Цены на дорогое зарубежное оборудование часто отпугивают простых владельцев небольших хозяйств. Однажды обжёгшись а недорогом электролизере не очень высокого качества или и вовсе решив не рисковать, умельцы задумываются о самостоятельном изготовлении домашнего генератора водорода. В целом, задача выполнимая, при условии владения определенными знаниями и умениями.

Для того, чтобы сделать собственный электролизер, понадобится приобрести и все составляющие установки, которые были перечислены выше. Кроме того, процесс не заканчивается на этапе выделения топлива. Ведь ещё нужно отделить водород от кислорода и водяного пара, обеспечить его постоянный ток, накопление в нужном объеме и подачу. В результате конечный подсчёт покажет, что самостоятельная сборка обойдётся не на много дешевле покупного генератора, а вот сил и времени уйдёт неимоверное количество. И неизвестно, будет ли полученный результат соответствовать ожиданиям и справляться с поставленной задачей.

Химические свойства

Молекулы водорода Н₂ довольно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия: Н₂=2Н — 432 кДж Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например с кальцием, образуя гидрид кальция: Ca + Н₂ = СаН₂ и с единственным неметаллом — фтором, образуя фтороводород: F₂+H₂=2HF С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например при освещении. Он может «отнимать» кислород от некоторых оксидов, наприме: CuO + Н₂ = Cu + Н₂0 Записанное уравнение отражает реакцию восстановления. Реакциями восстановления называются процессы, в результате которых от соединения отнимается кислород; вещества, отнимающие кислород, называются восстановителями (при этом они сами окисляются). Далее будет дано и другое определение понятиям «окисление» и «восстановление». А данное определение, исторически первое, сохраняет значение и в настоящее время, особенно в органической химии. Реакция восстановления противоположна реакции окисления. Обе эти реакции всегда протекают одновременно как один процесс: при окислении (восстановлении) одного вещества обязательно одновременно происходит восстановление (окисление) другого.

N₂ + 3H₂ → 2 NH₃

С галогенами образует галогеноводороды:

F₂ + H₂ → 2 HF, реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре,

Cl₂ + H₂ → 2 HCl, реакция протекает со взрывом, только на свету.

С сажей взаимодействует при сильном нагревании:

C + 2H₂ → CH₄

Взаимодействие со щелочными и щёлочноземельными металлами

Водород образует с активными металлами гидриды:

Na + H₂ → 2 NaH

Ca + H₂ → CaH₂

Mg + H₂ → MgH₂

Гидриды — солеобразные, твёрдые вещества, легко гидролизуются:

CaH₂ + 2H₂O → Ca(OH)₂ + 2H₂ ↑

Оксиды восстанавливаются до металлов:

CuO + H₂ → Cu + H₂O

Fe₂O₃ + 3H₂ → 2 Fe + 3H₂O

WO₃ + 3H₂ → W + 3H₂O

Гидрирование органических соединений

При действии водорода на ненасыщенные углеводороды в присутствии никелевого катализатора и повышенной температуре происходит реакция гидрирования:

CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃-CH₃

Водород восстанавливает альдегиды до спиртов:

CH₃CHO + H₂ → C₂H₅OH.

Будущее водорода в мировой энергетике

Проблемы экологии вынуждают исследователей искать альтернативные источники энергии. Один из самых животрепещущих вопросов последних лет – водород в качестве автомобильного топлива. Главный плюс – отсутствие выброса вредных газов в атмосферу. В цилиндр двигателя поступает водород и кислород, которые в ходе реакции создают небольшой взрыв и двигают поршни. Побочный продукт в ходе этой реакции – обычная вода. Также выпускаются машины на электротяге, но с водородными ячейками, внутри которых формируется электрическая энергия при взаимодействии H2 и О2.

Крупные автопроизводители постепенно осваивают технологию на прототипах или тестовых машинах. Например,  уже были выпущены и протестированы такие модели, как BMW Hydrogen 7, Mazda RX-8 Hydrogen RE, а также автобусы Ford E-450 для аэропортов. Самым популярным и известным автомобилем на водороде можно назвать Toyota Mirai, которая активно продается на территории США, Канады и Японии.  Во многом популярность этой модели обоснована дотациями со стороны государства. Например, в США при покупке Mirai вы получали дополнительно 15 тысяч долларов на заправку водородом в течение трех лет.

Видео о водородной энергетике

Схожие предложения есть и от других компаний — Honda Clarity, Hyundai Nexo, Mercedes—Benz GLC F-Cell, BMW X5i Hydrogen Next.

Несмотря на все достоинства водородной технологии, есть несколько важных «но». Во-первых, имеется масса вопросов относительно безопасности водорода в автомобильном транспорте. В отличие от бензина, водород легко может взорваться при контакте с воздухом, поэтому даже незначительные ДТП на дороге представляют опасность. Это вынуждает автопроизводителей устанавливать дополнительные датчики и делать баки более ударопрочными.

Во-вторых, в мире образовалась проблема «яйца и курицы». Машины на водороде не появляются из-за отсутствия инфраструктуры, а ее не хотят возводить из-за небольшого количества машин. Разорвать этот замкнутый круг становится сложнее, учитывая конкуренцию со стороны электромобилей. По данным за 2020 год в мире насчитывается около 500 водородных заправок, в то время как станций для зарядки авто – больше 11 миллионов!

Несмотря на эти ограничения, многие уверены, что водород станет неотъемлемой частью энергетики будущего, так же, как он используется сейчас в пищевой и химической промышленности.

Водород — в каждый дом

Стационарные топливные элементы (fuel cells) — динамично развивающаяся технология, которая позволяет получать электрическую и тепловую энергию из водорода или природного газа непосредственно на придомовом участке или в подвале дома. Выброс при использовании водорода только один — чистая вода, которую можно использовать для кондиционирования воздуха. Компактные модульные установки размером с холодильник абсолютно бесшумны. По прогнозу Navigant Research, мощности стационарных топливных элементов вырастут с 500 МВт в 2018 году до 3000 МВт в 2025 году. Такие установки комбинируются с ВИЭ, электролизерами, накопителями энергии и позволяют создавать полноценные автономные источники энергоснабжения для домохозяйства. Приведенная стоимость электроэнергии от топливных элементов на природном газе в США, по оценке Lazard ($106–167 за МВт∙ч) уже примерно равна показателям атомных ($112–183 за МВт∙ч) и угольных ($60–231 за МВт∙ч) электростанций и меньше приведенной стоимости индивидуальных крышных солнечных панелей ($187–319 за МВт∙ч). В Японии благодаря масштабным государственным субсидиям таких установок в 2014 году насчитывалось уже более 120 000, а целевые значения — более 1 млн к 2020 году и более 5 млн к 2030-му. По мере удешевления технологий (массовость производства, стандартизация) и выхода на их самоокупаемость, японское правительство планирует приступить к внедрению водородных топливных элементов — ожидается, что это произойдет к 2030 году. Топливные элементы — несомненно, важнейший перспективный сегмент технологий распределенных энергоресурсов, потенциала которых в России в соответствии с недавним исследованием Энергетического центра школы Сколково достаточно для закрытия не менее половины потребности в генерирующих мощностях до 2035 года.

Получение водорода и его применение

Водород находит широкое применение в технике и лабораторных исследованиях. Мировое промышленное производство водорода из меряется десятками миллионов тонн в год.

Выбор промышленного способа получения простых веществ зависит от того, в какой форме соответствующий элемент находится в природе. Водород находится в природе преимущественно в соединениях с атомами других элементов. Поэтому для его получения необходимо использовать химические методы. Эти же методы применяют для получения водорода и в лабораторной практике.

Получение водорода в лаборатории

В лабораториях водород получают уже известным вам способом, действуя кислотами на металлы: железо, цинк и др. Поместим на дно пробирки три гранулы цинка и прильем небольшой объем соляной кислоты. Там, где кислота соприкасается с цинком (на поверхности гранул), появляются пузырьки бесцветного газа, которые быстро поднимаются к поверхности раствора:

Атомы цинка замещают атомы водорода в молекулах кислоты, в результате чего образуется простое вещество водород Н2, пузырьки которого выделяются из раствора. Для получения водорода таким способом можно использовать не только хлороводородную кислоту и цинк, но и некоторые другие кислоты и металлы.

Соберем водород методом вытеснения воздуха, располагая пробирку вверх дном (объясните почему), или методом вытеснения воды и проверим его на чистоту. Пробирку с собранным водородом наклоняем к пламени спиртовки. Глухой хлопок свидетельствует о том, что водород чистый; «лающий» громкий звук взрыва говорит о загрязненности его примесью воздуха.

Получение водорода в промышленности

Очевидно, что при огромных объемах промышленного производства сырьем для получения водорода должны быть легкодоступные и дешевые вещества. Такими веществами являются природный газ (метан СН4) и вода. Запасы природного газа очень велики, а воды — практически неограниченны.

Самый дешевый способ получения водорода — разложение метана при нагревании:

Эту реакцию проводят при температуре около 1000 °С.

В промышленности водород также получают, пропуская водяные пары над раскаленным углем:

Существуют и другие промышленные способы получения водорода.

Применение водорода

Водород находит широкое практическое применение. Основные области его промышленного использования показаны на рисунке 103.

Значительная часть водорода идет на переработку нефти. Около 25 % производимого водорода расходуется на синтез аммиака NH3. Это один из важнейших продуктов химической промышленности. Производство аммиака и азотных удобрений на его основе осуществляется в нашей стране на ОАО «Гродно Азот». Республика Беларусь поставляет азотные удобрения во многие страны мира.

В большом количестве водород расходуется на получение хлороводородной кислоты. Реакция горения водорода в кислороде используется в ракетных двигателях, выводящих в космос летательные аппараты. Водород применяют и для получения металлов из оксидов. Таким способом получают тугоплавкие металлы молибден и вольфрам.

В пищевой промышленности водород используют в производстве маргарина из растительных масел. Реакцию горения водорода в кислороде применяют для сварочных работ. Если использовать специальные горелки, то можно повысить температуру пламени до 4000 оС. При такой температуре проводят сварочные работы с самыми тугоплавкими материалами.

В настоящее время в ряде стран начаты исследования по замене невозобновляемых источников энергии (нефти, газа, угля) на водород. При сгорании водорода в кислороде образуется экологически чистый продукт — вода. А углекислый газ, вызывающий парниковый эффект (потепление окружающей среды), не выделяется.

Предполагают, что с середины XXI в. должно быть начато серийное производство автомобилей на водороде. Широкое применение найдут домашние топливные элементы, работа которых также основана на окислении водорода кислородом.

Ионизаторы щелочной воды

Ионизатором воды является любое устройство или изделие, которое увеличивает концентрацию заряженных частиц — ионов и свободных электронов. В данном методе образуется щелочная среда с насыщением водорода на катоде и кислая среда с насыщение кислорода на аноде, где анод и катод разделены барьером.

Приборы ионизации воды существуют очень давно и в настоящее время ежегодно появляются новые приборы и изделия для изменения свойств воды.

Что такое ионизация воды?

Под ионом подразумевается электрически заряженная частица (положительная или отрицательная) в виде атома или молекулы, которые образовываются при присоединении или потери электронов. Поэтому любое устройство, которое увеличивает концентрацию ионов является ионизатором воды.

Терминологию ИОН ввел ученый Майкл Фарадей в 1834 году. При изучении воздействия электрического тока на разные растворы, он обнаружил разную электропроводность в щелочных, кислотных и солевых растворах. Эта электропроводность зависела от заряженных частиц, которые ученый назвал ионами и разделил их по заряду, отрицательному или положительному. Отрицательный ион называют анионом, положительно заряженный ион называют катионом.

После научного открытия ионизации воды путем электролиза М.Фарадея были обнаружены и другие возможности ионизации воды. Процесс ионизации можно получить несколькими способами, но его эффективность и себестоимость будет существенно отличаться.

Каким способом можно получить ионизированную воду?

• Воздействие электрического тока (электролиз)
• Воздействие ультрафиолетового облучения
• Воздействие ультразвука (кавитация)
• Химическая реакция. В химической реакции могут быть использованы металлы, минералы, кислоты и соли.

Водород. Физические и химические свойства, получение

Водород H — самый распространённый элемент во Вселенной (около 75 % по массе), на Земле — девятый по распространенности. Наиболее важным природным соединением водорода является вода.Водород занимает первое место в периодической системе (Z = 1).

Он имеет простейшее строение атома: ядро атома – 1 протон, окружено электронным облаком, состоящим из 1 электрона.В одних условиях водород проявляет металлические свойства (отдает электрон), в других — неметаллические (принимает электрон).

В природе встречаются изотопы водорода:  1Н — протий (ядро состоит из одного протона), 2Н — дейтерий (D — ядро состоит из одного протона и одного нейтрона), 3Н — тритий (Т — ядро состоит из одного протона и двух нейтронов).

Простое вещество водород

Молекула водорода состоит из двух атомов, связанных  между собой ковалентной неполярной связью.Физические свойства. Водород — бесцветный нетоксичный газ без запаха и вкуса. Молекула водорода не полярна. Поэтому силы межмолекулярного взаимодействия в газообразном водороде малы.

Это проявляется в низких температурах кипения (-252,6 0С) и плавления (-259,2 0С).
Водород легче воздуха, D (по воздуху) = 0,069;  незначительно растворяется в воде (в 100 объемах H2O растворяется 2 объема  H2).

Поэтому водород при его получении в лаборатории можно собирать методами вытеснения воздуха или воды.

Получение водорода

В лаборатории

5. Электролиз воды. Для увеличения электрической проводимости воды к ней добавляют электролит, например NаОН, Н2SO4 или Na2SO4. На катоде образуется 2 объема водорода, на аноде — 1 объем кислорода.
2H2O → 2H2+О2

Промышленное получение водорода

1. Конверсия метана с водяным паром, Ni 800 °С (самый дешевый):
CH4 + H2O → CO + 3 H2
CO + H2O → CO2 + H2

В сумме:
CH4 + 2 H2O → 4 H2 + CO2

2. Пары воды через раскаленный кокс при 1000оС:
С + H2O → CO + H2
CO +H2O → CO2 + H2

Образующийся оксид углерода (IV) поглощается водой, этим способом получают 50 % промышленного водорода.

Химические свойства водорода

• В соединениях водород всегда одновалентен. Для него характерна степень окисления +1, но в гидридах металлов она равна -1.
• Молекула водорода состоит из двух атомов. Возникновение связи между ними объясняется образованием обобщен­ной пары электронов Н:Н или Н2
• Благодаря этому обобщению электронов молекула Н2 более энергети­чески устойчива, чем его отдельные атомы. Чтобы разорвать в 1 моль водорода молекулы на атомы, необходимо затратить энергию 436 кДж: Н2 = 2Н, ∆H° = 436 кДж/моль
• Этим объясняется сравнительно небольшая активность молекулярного водорода при обычной температуре.
• Со многими неметаллами водород образует газообразные соедине­ния типа RН4, RН3, RН2, RН.

1) С галогенами  образует галогеноводороды:
Н2 + Cl2 → 2НСl.При этом с фтором — взрывается, с хлором и бромом реагирует лишь при освещении или нагревании, а с йодом только при нагревании.

2) С кислородом:
2Н2 + О2 → 2Н2О
с выделением тепла. При обычных температурах реакция протекает медленно, выше 550°С — со взрывом. Смесь 2 объемов Н2 и 1 объема О2 называется гремучим газом.

3) При нагревании энергично реагирует с серой (значительно труднее с селеном и теллуром):
Н2 + S → H2S (сероводород),

4) С азотом  с образованием аммиака лишь на катализаторе и при повышенных температурах и давлениях:
ЗН2 + N2 → 2NН3

5) С углеродом при высоких температурах:
2Н2 + С → СН4 (метан)

6) С  щелочными и щелочноземельными металлами  образует гидриды (водород – окислитель):
Н2 + 2Li → 2LiHв гидридах металлов ион водорода заряжен отрицательно (степень окисления -1), то есть гидрид Na+H— построен подобно хлориду Na+Cl—

Со сложными веществами:

7) С оксидами металлов (используется для восстановления металлов):
CuO + H2 → Cu + H2O
Fe3O4 + 4H2 → 3Fe + 4Н2О

8) с оксидом углерода (II):
CO + 2H2 → CH3OH
Синтез — газ (смесь водорода и угарного газа) имеет важное практическое значение, тк в зависимости от температуры, давления и катализатора образуются различные органические соединения, например НСНО, СН3ОН и другие. 9)Ненасыщенные углеводороды реагируют с водородом, переходя в насыщенные:
СnН2n + Н2 → СnН2n+2

9)Ненасыщенные углеводороды реагируют с водородом, переходя в насыщенные:
СnН2n + Н2 → СnН2n+2.

Будьте осторожны

Будьте осторожны

После установки генератора, как и во время, не следует забывать о технике безопасности. Водород является легковоспламеняющимся взрывоопасным газом без запаха, поэтому его утечка крайне опасна. Чтобы этого избежать, необходимо тщательно проверить все составляющие электролизатора на герметичность: трубки, насос, резервуар. Особенно это относится к самосборным устройствам. Именно они являются наиболее опасными. Кроме того, неизвестно, насколько качественное топливо они будут в итоге подавать. Конечно, вероятность брака может быть высокой и у покупных моделей, особенно неизвестных или непроверенных производителей. Поэтому всегда лучше отдать предпочтение более дорогому, но и более надёжному производителю данного оборудования. Звучит как реклама, но факт остаётся фактом: за качество приходится доплачивать. Хотя не всегда работает правило, что чем дороже, тем лучше. Идеально, если покупатель, делая свой выбор, опирается на знания в данной области. И, самое главное — доверяй, но проверяй. Ведь даже самый известный бренд может произвести брак.

Правила техники безопасности

Чтобы избежать утечек, перед процедурой электролиза следует проверить герметичность всех частей электролизера:

Техника безопасности при работе с водородом

• трубки;
• насос;
• резервуар.

Небезопасными могут быть и покупные аппараты, особенно неизвестных производителей. Брак может случиться и у самых известных брендов, но риск этого намного меньше – там продукцию тщательно проверяют.

В промышленности добыча водорода необходима для энергетики, например, на нем работают такие энергоисточники, как высокотемпературные реакторы с гелиевым теплоносителем. Применяют элемент и в производстве пластиков, синтетических волокон, извести и цемента, листового стекла. В домашних условиях его используют для отопления помещений и снижения расходов автомобильного топлива.

Хранение и транспортировка

После получения водорода он должен храниться и транспортироваться потребителю. В принципе, мы знакомы с хранением и транспортировкой горючих газов.

Водород — очень легкий газ с очень минимальной плотностью, но имеет относительно высокое значение энергоемкости. При сравнении с природным  газом  он требует гораздо больших объемов хранения, хотя накопленный водород намного легче.

Произведенный водород можно сохранить под высоким давлением и сжать для того чтобы уменьшить необходимые объемы хранения. При нормальном давлении этот газ конденсируется, но до тех пор, пока он не достигнет чрезвычайно низких температур минус 253° C.

Для достижения таких низких температур требуется определенное количество энергии. От 20 до 40%  энергии, хранящейся в водороде, используется для его сжижения.

В принципе, те же технологии, которые используются в секторе природного газа могут быть использованы для сжижения, транспортировки и хранения. Этот первый элемент периодической системы  можно транспортировать либо в трубопроводах, либо на специальных танкерах и грузовых судах. В то время как трубопроводы, как правило, транспортируют газообразную форму, танкеры предпочтительны для жидкого водорода. В отличие от водорода, природный газ уже становится жидким при минус 162 ° C. Опыт работы в газовой отрасли может быть использован для хранения и транспортировки водородной энергии.

Применение водорода

Основными направлениями применения водорода являются:

• химическая промышленность – синтез аммиака, метанола, углеводородов;
• пищевая промышленность – получение пищевых белков;
• нефтехимия – нефтепереработка (гидрогенезационная очистка нефтепродуктов);
• автотранспорт – автомобили на газообразном и жидком водороде;
• машиностроение – для сварки и резки металлов.

Применение водорода в сварке

Водород использовался в качестве защитного газа еще при первых попытках защиты дугового пространства от воздуха. Однако водород может оказать в ряде случаев вредное воздействие. Это объясняется тем, что при применении водорода в металле сварных швов образуются дефекты в виде пор, а также является одним из главных факторов образования холодных трещин. С увеличением толщины свариваемых элементов пористость в металле сварных швов становится значительной. Поэтому его использование в дальнейшем было значительно ограничено. В чистом виде (и в виде водородно-азотных смесей, получаемых при диссоциации аммиака) он в настоящее время применяется при атомно-водородной сварке (хотя и сам этот способ заменен теперь другими, в частности сваркой неплавящимся электродом).

Если струю водорода пропускать через пламя вольтовой дуги, то водород диссоциирует на атомы с поглощением значительного количество тепла (103,6 ккал/моль) что приводит к значительному увеличению напряжения дуги. Она становится устойчивой только при повышении напряжения источника тока. Так, например, при режимах атомно-водородной сварки наиболее эффективной «звенящей» дугой при вольфрамовых электродах и силе тока 10-20 А напряжение дуги составляет около 100 А, напряжение холостого хода питающего источника должно быть не менее 200-220 В (обычно около 300 В). В этом случае водород является не только защитным газом, но и переносит тепловую энергию из дуги на поверхность не включенного в цепь тока изделия.

Образовавшийся атомный водород направляют на твердую свариваемую поверхность, где происходит нагревание и расплавление металла за счет поглощения тепла, которое выделяется при рекомбинации атомов до молекулярного водорода. Ассоциация атомарного водорода на холодной поверхности металла (в том числе и расплавленной, так как температура плавления большинства металлов ниже температуры возможного существования заметных количеств атомарного водорода) приводит к выделению тепла, потребленного в дуге на диссоциацию. За счет выделяющегося тепла температура свариваемой поверхности металла повышается до 3528-4028°С. Такая атомно-водородная сварка позволяет обрабатывать и сваривать самые тугоплавкие металлы, высококачественные стали, коррозионно-устойчивые материалы, цветные металлы.

Несмотря на то, что атмосфера, окружающая металл, при атомно-водородной сварке представляет собой смесь молекулярного и атомарного водорода, при отсутствии на металле значительного количества окислов швы получаются достаточно плотными и применительно к низкоуглеродистой стали не имеют большого количества диффузионно-подвижного и остаточного водорода.

При струйной защите иногда используется водяной пар. Однако в этом случае получается значительно меньшая стабильность качества сварных швов, чем при сварке с защитой дуги углекислым газом. В связи с этим такой процесс широкого распространения не получил.

При TIG сварке аустенитной нержавеющей стали с целью увеличения напряжения дуги, увеличения теплоэффективности и снижения оксидирования используют аргоно-водородные смеси газов (15% Н₂). Более высокая температуру и сжатие дуги, в свою очередь увеличивает глубину проплавления металла. Однако при этом необходимо учитывать возможность вредного влияния растворяющегося в металле водорода. Более широко водород применяют в специальных областях сварки и металлургии, например в порошковой металлургии при спекании изделий из порошковых материалов.

В других случаях применение водорода и водородосодержащих газов, как защитных при дуговой сварке, нецелесообразно.

Применяют водород для составления плазмообразующих смесей при плазменной сварке и резке. Так, для защиты сварочной ванны от окисления при плазменной сварке легированной стали, меди, никеля и сплавов на его основе используют смесь аргона с 5-8% водорода.

Аргоно-водородную смесь, имеющую до 20% Н₂, применяют при микроплазменной сварке. Наличие водорода в смеси обеспечивает сжатие столба плазмы, делает его более сконцентрированным. Кроме того, водород создает необходимую в ряде случаев восстановительную атмосферу.