способ получения водорода из воды. Термолиз воды
способ получения водорода из воды - патент РФ 2521632
Изобретение может быть использовано в химической промышленности и при изготовлении стационарных и транспортных источников топлива. Восстанавливают оксид железа путем его термолиза при нагреве инертным газом с получением кислорода при температуре выше 1200°C и давлении выше 0.1 МПа. Затем железо окисляют потоком водяного пара, нагреваемым инертным газом, в емкости, попеременно заполняемой нагретыми инертным газом и водяным паром. Адсорбцией, или мембранным, или электрохимическим разделением выделяют водород как конечный продукт из потока водяного пара, а также кислород из потока инертного газа. Цикл окисления и восстановления оксида железа ведут в параллельных переключаемых секциях, соединенных по инертному газу и водяному пару. 8 з.п. ф-лы, 1 ил.
Рисунки к патенту РФ 2521632
Изобретение относится к способу получения водорода из воды и может быть использовано в химической промышленности, а также в системах аккумулирования и транспорта энергии и как источник топлива в транспортных и стационарных энергоустановках.
С начала 20-го века основная технология производства водорода из воды была основана на т.н. железо-паровом методе, по которому пар при 500-1000°С пропускают над железом: 3Fe+4Н 2О
Fe3O4+4Н2+160,67 кДж. Получаемый этим методом водород обычно используют для гидрогенизации жиров и масел. Состав оксида железа зависит от температуры процесса; при <560°С преобладает Fe3O4, выше 560°С возрастает доля FeO. Поскольку восстановление исходного железа из образовавшихся оксидов железа обычно проводили коксом, углем или водяным газом (смесь СО и h3), то небольшую примесь СО в производимом водороде удаляли, пропуская нагретую смесь Н2+СО над катализатором. При этом СО превращается в метан СН4.
Известен способ получения водорода, включающий взаимодействие водяного пара с элементарным железом и/или с его низшим окислом в кипящем слое при 500-650°С, давлении 0.1-0.4МПа, регенерацию образующихся окислов железа контактированием их с твердым углеродосодержащим материалом при 800-1100°С с получением газов регенерации и восстановленных окислов железа и возврат последних на стадию взаимодействия, газы регенерации возвращают на стадию регенерации [патент РФ № 1125186, МПК С01В 3/10, опубл. 23.11.1984 г., БИ № 43, «Способ получения водорода», авторы Лебедев В.В. и др.]. Недостатками способа являются сложность процесса, низкая производительность, большие энергозатраты, а также расход твердого углеродосодержащего материала.
Известен также способ получения водорода, заключающийся в конверсии перегретого насыщенного водяного пара в реакторе с электродами, отличающийся тем, что в реактор периодически вводят железную проволоку, которую пропускают между электродами в среде перегретого насыщенного водяного пара, на электроды периодически подают электрический разряд напряжением 45 кВ и периодически производят взрыв проволоки на мельчайшие жидкие частицы металла, которые вступают в реакцию с парами воды, образуя окислы железа и газообразный водород [патент РФ № 2424973, МПК С01В 3/10, опубл. 27.07.2011, Бюл. № 21, «Способ получения водорода», авторы Носырев Д.Я., Плетнев А.И. - прототип]. Недостатками способа также являются сложность процесса, низкая производительность, большие энергозатраты, а также необходимость производства железной проволоки и электроэнергии высокого напряжения.
В патенте RU 2415072, опубл. 27.11.2010, изложен способ получения газообразного водорода из состава, предназначенного для получения газообразного водорода, включает в себя по весу 40-70% окиси кальция (СаО) в виде порошка, 2-20% хлорида кальция (CaCl2), хлорида магния (MgCl 2) или бикарбоната натрия (NaHCO3) в виде порошка, 6.7-30% алюминия или окиси алюминия (Al2O3 ) в виде порошка и 0.001-10% железа или магния в виде порошка, при котором 56 граммов окиси кальция (СаО) и 2 моля, то есть 36 граммов, воды (Н2О) вступают в реакцию для получения 2 граммов газообразного водорода (Н2). Объем 2 граммов газообразного водорода составляет 22,4 литра при температуре 0°С и 1 атмосфере (нормальное состояние), и, следовательно, 35,7 грамма (примерно 400 литров) газообразного водорода будет выработано из 1 кг окиси кальция. Недостатками способа также являются сложность процесса, низкая производительность, большие энергозатраты, а также расход твердого материала - окиси кальция (СаО). Для разложения (восстановления) оксидов металлов (кальций, цинк, марганец, железо, церий) предлагались различные солнечные печи, см., например, Thermodynamic Analysis of Cerium-based Oxides for Solar Thermochemical Fuel Production, Scheffe J., Steinfeld A. Energy & Fuels, Vol.26, pp.1928-1936, 2012, однако недостатком таких печей является крайне низкая объемная производительность, связанная с прохождением реакции разложения, в основном, на освещаемой солнцем поверхности, что ограничивает сферу применения такой технологии. Недостатком также является и необходимость поддержания крайне низкого давления в печи в связи с необходимостью применения кварцевого стекла для пропускания солнечной энергии внутрь печи.
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы создать новый способ, позволяющий снизить тепловые затраты на процесс разложения воды, а также повысить производительность и экономичность технологии получения водорода.
Поставленная задача решается тем, что:
предложен способ получения водорода из воды, в котором проводят цикл окисления и восстановления оксида железа с получением водорода при окислении железа водяным паром, водород выделяют как конечный продукт из потока водяного пара, при этом восстановление оксида железа ведут путем его термолиза при нагреве инертным газом с получением кислорода, после чего железо окисляют потоком водяного пара, нагреваемым инертным газом, и его окисление водяным паром ведут в емкости, попеременно заполняемой нагретыми инертным газом и водяным паром.
Кроме того:
- нагрев инертного газа ведут в плазменной струе, или электронагревателями, или методом индукционного нагрева, или нагревом солнечной или ядерной энергией, или продуктами сгорания органического топлива,
- восстановление оксида железа ведут при температуре выше 1200°C и давлении выше 0.1 МПа, после чего выделение кислорода из потока инертного газа ведут адсорбцией, или мембранным или электрохимическим разделением,
- давление водяного пара выбирают в диапазоне от 0.1 до 1.0 МПа,
- отделение водорода от водяного пара после окисления железа ведут за счет адсорбции, или конденсации водяного пара, или мембранного разделения или электрохимическим процессом,
- путем регенеративного теплообмена изменяют температуры потоков инертного газа и водяного пара на входе и выходе из цикла окисления и восстановления оксида железа,
- цикл окисления и восстановления оксида железа ведут в параллельных переключаемых однородных по конструкции секциях, соединенных по инертному газу и водяному пару,
- в качестве инертного газа выбирают гелий, или аргон, или азот, или криптон или их смеси.
На чертеже дана одна из возможных схем реализации указанного способа, где 1 - нагретый гелий, 2 - термолизер, 3 - гелий-кислородная смесь, 4 - отделитель кислорода, 5 - кислород, 6 - охлажденный гелий, 7 - водяной пар, 8 - смесь водяного пара и водорода, 9 - регенеративный теплообменник нагрева водяного пара, 10 - отделитель водорода, 11 - водород, 12 - регенеративный теплообменник нагрева гелия, 13 - отбор тепла от оксида металла.
Примером реализации изобретения служит способ получения водорода из воды, описанный ниже.
В излагаемом примере осуществления изобретения предлагается, в качестве примера, использовать гелий 1 в качестве инертного газа и процесс термолиза оксидов железа: Fe2O 3
2FeO+1/2O2 (термолиз свыше 1300-1400°C) для получения кислорода 5.
Как известно, для реакций типа FeOx+h3O Fe2O4 (или Fe2O3 )+h3 (технология типа HyGas) окисление Fe (или FeO x) идет по зависимости:
w2t -1=2.4·1014 exp(-84300/RT), где
w - приращение веса металла вследствие его окисления (г/м 2).
Такой параболический характер имеют гетерогенные реакции, лимитируемые диффузией в конденсированной фазе. Аналогичный характер имеет и зависимость разложения гематита, что позволяет охарактеризовать особенности реализации изобретения применительно к процессам окисления вюстита до гематита в термолизере 2 с получением смеси водяного пара и водорода 8 из водяного пара 7, подаваемого в термолизер 2.
На первой стадии процесса гелий 1, нагретый до температуры 1500°C, поступает в термолизер 2, заполненный оксидом железа в основном в форме гематита, и, нагревая гематит до температуры 1300-1400°C, разлагает его до вюстита и кислорода, который смешивается с гелием и выводится из термолизера 2 в виде охлажденной до 1000-1100°C гелий-кислородной смеси 3, поступающей, например, в высокотемпературный электрохимический отделитель кислорода 4, в котором за счет кислородной диффузии через керамический электролит производят отделение кислорода 5 от потока гелия 6, поступающего на повторный нагрев (на чертеже не показано). В высокотемпературном электрохимическом отделителе кислорода 4 при подводе электрической энергии осуществляют подачу гелий-кислородной смеси 3 на вход катодного пространства высокотемпературного электрохимического процесса, в то время как кислород выделяют в анодном пространстве, отделенном от катодного электролитическим слоем, выполненном из кислородпроводящей керамики, например, SrFeCo0.5O3.25-
На второй стадии прекращают подачу гелия 1 в термолизер 2, внутрь которого подают поток водяного пара 7, нагретый до температуры 400-800°С. Водяной пар 7 при взаимодействии с оксидом железа в основном в форме вюстита окисляет последний до гематита с образованием водорода, смешивающегося с потоком водяного пара, выводимого из термолизера 2 в виде смеси водорода с потоком водяного пара 8, поступающей на отделение водорода 11, например, в высокотемпературный электрохимический отделитель водорода 10, в котором при подводе электрической энергии осуществляют подачу смеси водорода с потоком водяного пара 8 на вход анодного пространства высокотемпературного электрохимического процесса, в то время как смеси водорода выделяют в катодном пространстве, отделенном от анодного электролитическим слоем, выполненном из протонпроводящей керамики, например, SrCeO3, обладающей высокотемпературной протонной проводимостью, как доминирующей характеристикой электролита. Для SrCeO3, допированного Y, Sc, In, РЗЭ получены высокие величины протонной проводимости при 600-1000°С [Uchida H., Maeda N., Iwahara H. Relation between proton and hole conduction in SrCeO3 - based solid electrolytes under watercontaining atmospheres at hift temperatures // Solid State lonics. 1983. V.11. N2. P.117-124]. Электролиты были испытаны в ячейках, составляющих основу ряда высокотемпературных электрохимических устройств, и показали хорошие характеристики. Отделение водорода от водяного пара 7 возможно проводить также за счет адсорбции, конденсации водяного пара или мембранного разделения смеси водорода с потоком водяного пара 8 в аппарате выделения водорода 10 с получением продукционного водорода 11.
Нагрев гелия 1 ведут в плазменной струе, либо электронагревателями, либо методом индукционного нагрева, либо нагревом солнечной или ядерной энергией, либо продуктами сгорания органического топлива, на чертеже не показано. Помимо оксидов железа в термолизере 2 в качестве металла можно применять также сплавы на основе металлов, выбранных из группы олово, индий, галлий, марганец, хром, титан, медь, церий, цинк, алюминий, цирконий, свинец, ванадий, рутений, их смеси или соединения. Оксиды железа, гематит (FeO1.5), магнетит (FeO1.33) и вюстит (FeO1.1) имеют особенности плотноупакованной структуры ионов кислорода, могут образовывать шпинели, в частности для вюстита различные Fe/O отношения могут дифференцироваться что, как правило, обозначается Fe1-
<0.17). Вюстит может содержать 23.1-25.6% масс. кислорода. Гидролиз вюстита (FeO) ограничен из-за образования магнетита Fe3O4, играющего роль диффузионного барьера Такие компоненты, как Mn, Cr, Ti, Cu, Pb, V и Al, могут быть добавлены для повышения производительности, а добавки Al, Cr, Zr, Ga и V оказывают положительное влияние на окислительно-восстановительное поведение оксидов железа, вероятно, потому что водород активируется добавками или повышает диффузию кислорода в железе (оксидах). Нагрев водяного пара 7 с давлением в диапазоне от 0.1 до 1.0 МПа перед подачей на окисление металла в термолизер 2 ведут помимо регенеративного нагрева в теплообменнике 9 также и с помощью, например, нагретого инертного газа 6, выходящего из отделителя 4, до температур 400-800°С с помощью отдельного теплообменника (на чертеже не показан) через герметичные теплообменные поверхности.
Цикл окисления и восстановления оксида металла ведут в параллельных переключаемых однородных по конструкции секциях термолизера 2, соединенных по гелию 1 и водяному пару 7 таким образом, чтобы поток гелия 1 поочередно переключался на подачу в соседние секции термолизера 2, в которых уже завершилось окисление оксида металла, а именно в излагаемом примере исполнения - окисление вюстита до гематита. Помимо гелия 1 в качестве инертного газа выбирают также аргон, азот, криптон или их смеси.
Ниже представлен расчет теплового баланса реализации способа:
1. Q термолиза гематита (до вюстита: Fe2 O3 2FeO+1/2О2): 342.8 кДж/моль Fe2O 3
2. Q нагрева/охлаждения гематита/вюстита (900 1500°С): Ср.гем
средн×
Т=1 кДж/кг·К×600 К=0.6 МДж/кг Fe2O 3/
Ср.вюстсредн× Т=0.73 кДж/кг·К×600 К=0.44 МДж/кг FeO
3. Q на испарение и нагрев водяного пара (1 МПа) до 1100°С: 2.26+2.17×(1100-180)=4.26 МДж/кг h3O
4. Принимая расходную массу гематита и водяного пара на 1 кг производимого водорода, равными:
mFe2 O3=100 кг, что, соответственно, в 1.25 раза больше стехиометрического расхода (степень конверсии при термолизе-80%), масса вюстита: mFeO=72 кг и смеси вюстит/гематит (после термолиза): mFexOy=92 кг, mh3O=13.5 кг, что, в свою очередь, в 1.5 раза больше стехиометрического расхода, в соответствии с ожидаемой степенью конверсии пара (60-70% по данным Production of Synthesis Gas and hydrogen by the Steam-Iron Process: Pilot Plant Study of Fluidized and Free-Falling Beds, Gasior, S.J., Fomey, A.J., Field, J.H., Bienstock, Daniel, Benson, H.E.,U.S. DoI, Bureau of Mines, R.I. 5911,1961), получим общие затраты тепла (в приведении к 1 кг водорода):
- на проведение реакции термолиза: 171.2 МДж,
- на нагрев гематита: 0.6×100=60 МДж,
- на получение и нагрев водяного пара: 4.26×13.5=57.5 МДж.
Из них затраты на производство и нагрев водяного пара покрываются за счет охлаждения вюстита от температуры термолиза гематита (1500°С) до рабочей температуры генерации водорода (1100°С), что дает 0.76×600×92=41.7 МДж, а также за счет охлаждения потока водяного пара (4.5 кг) и водорода (1 кг) от 1100°С до 180°С, что дает 2×4.5+14.55×0.92=21.88 МДж и охлаждения потока кислорода (8 кг) от температуры термолиза (1500°С) до 180°С (в варианте термолизера с передачей тепла через стенку), что дает 1520×1×8=12.16 МДж, из которых 4.8 МДж может быть использовано для нагрева гематита перед термолизом, с соответствующим уменьшением затрат тепла, покрываемых нагретым гелием.
Таким образом, от энергоисточника с помощью гелиевого теплоносителя расход тепла составит 171.2+(60-4.8)=226.4 МДж.
Соответствующая общая эффективность процесса получения водорода из воды составит: 143/226.4=63%.
Такой показатель эффективности получения водорода из воды превышает все известные термохимические технологии.
При достигнутой объемной скорости водяного пара в реакционном объеме 300 1/ч и в расчете на мощность 1 МВт объем реактора-термолизера займет при плотности водяного пара 0.5 кг/м3:
1 МВт/226.4 МДж×3600×9/0.5/300=0.95 м3.
Суммарный процесс разложения воды в предложенном изобретении описывается реакцией (h3 O 1/2O2+Н2), в которой удается получить из воды водород и кислород высокой чистоты с необходимым для дальнейшего использования давлением. Таким образом, в предложенном изобретении удалось снизить тепловые затраты на процесс разложения воды, а также повысить производительность и экономичность технологии получения водорода, эффективно использовать энергетический потенциал высокотемпературных энергоисточников, в том числе ядерных, что позволяет рассчитывать на высокую экономическую эффективность. Полученные продукты разложения воды - газообразные водород и кислород могут затем использовать в химической промышленности и металлургии для переработки углеводородов, а также в системах аккумулирования и транспорта энергии и как топливо в транспортных и стационарных энергоустановках.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ получения водорода из воды, в котором проводят цикл окисления и восстановления оксида железа с получением водорода при окислении железа водяным паром, водород выделяют как конечный продукт из потока водяного пара, отличающийся тем, что восстановление оксида железа ведут путем его термолиза при нагреве инертным газом с получением кислорода, после чего железо окисляют потоком водяного пара, нагреваемым инертным газом, и его окисление водяным паром ведут в емкости, попеременно заполняемой нагретыми инертным газом и водяным паром.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев инертного газа ведут в плазменной струе, или электронагревателями, или методом индукционного нагрева, или нагревом солнечной или ядерной энергией, или продуктами сгорания органического топлива.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что восстановление оксида железа ведут при температуре выше 1200°C и давлении выше 0.1 МПа, после чего выделение кислорода из потока инертного газа ведут адсорбцией, или мембранным или электрохимическим разделением.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что давление водяного пара выбирают в диапазоне от 0.1 до 1.0 МПа.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что часть тепла, необходимого для нагрева инертного газа, отводят от восстановленного оксида железа.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что отделение водорода от водяного пара после окисления железа ведут за счет адсорбции, или конденсации водяного пара, или мембранного разделения или электрохимическим процессом.
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что путем регенеративного теплообмена изменяют температуры потоков инертного газа и водяного пара на входе и выходе из цикла окисления и восстановления оксида железа.
8. Способ по п.1, отличающийся тем, что цикл окисления и восстановления оксида железа ведут в параллельных переключаемых однородных по конструкции секциях, соединенных по инертному газу и водяному пару.
9. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве инертного газа выбирают гелий, или аргон, или азот, или криптон или их смеси.
www.freepatent.ru
способ получения водорода - патент РФ 2418738
Изобретение относится к области химии и может быть использовано для получения водорода. Емкость наполняют жидкостью, содержащей воду, и помещают в прочную герметичную газосборную камеру. В качестве емкости применяют взрывную камеру, выполненную из диэлектрического изоляционного материала с возможностью выпуска избыточного газа в газосборную камеру. Во взрывной камере создают высокое импульсное давление и сверхсильное магнитное поле посредством электровзрыва, по крайней мере, одного металлического проводника, а полученный в результате водород отводят из газосборной камеры. В качестве металлических проводников используют фольгу и/или проволочки. Изобретение позволяет сократить энергозатраты. 1 з.п. ф-лы, 9 ил., 2 табл.
Изобретение относится к физико-химическим способам (технологиям) получения водорода. Задача, которая решается изобретением, заключается в создании нового, экологичного и энергетически эффективного способа получения водорода. Может найти применение в области экспериментальной физики и водородной энергетике.
В настоящее время разработаны и промышленно используются многочисленные процессы получения водорода. Среди них можно отметить такие способы, как прямой термолиз воды, паровая конверсия метана, термохимическое разложение воды, паровоздушная газификация угля, электролитическое разложение воды (электролиз).
Известен способ получения водорода, который включает прохождение потока смеси «легкой воды» и «тяжелой воды» под давлением через одно или несколько отверстий диэлектрического элемента, воздействие на путь прохождения смеси магнитным полем, разделение ее на три потока. При этом два потока, имеющие различные по электрическому знаку и химическим свойствам ионы, электрически изолируют, ускоряют их прохождение и направляют в коллиматоры. Смесь «легкой воды» и «тяжелой воды» берут в соотношении, необходимом для управления ядерной реакцией. Предложенное изобретение позволяет получать водород из смеси «легкой воды» и «тяжелой воды» в количествах, достаточных для практического использования (см. патент РФ № 2258028).
Известен способ получения водорода путем электролиза, включающий замыкание электрической цепи, установленной на валу электролитической ячейки, содержащей анод и катод, и ее вращение, подвод раствора электролита к электролитической ячейке и его отвод, а также отвод конечных продуктов электролиза. При этом катод устанавливают неподвижно на валу, а электроды подвергают объемно-упругому деформированию, причем катод растягивают, а анод сжимают (см. патент РФ № 2328552).
Известен способ получения водорода, реализованный на базе электроплазмохимического реактора, представляющего собой сосуд высокого давления, в торцах которого установлены сферические днища с экранами, через которые проходят волноводы сверхвысокочастотного излучения. Последние отделены от внутреннего объема реактора металлическими диафрагмами с опорными сетками и содержат форсунки для подачи углекислоты и водяного пара, разнополярные пустотелые перфорированные электроды для получения и сепарации водорода и кислорода, внутренние объемы которых соединены с осушителями, молекулярными ситами для выделения водорода, кислорода и углекислоты (см. патент РФ № 2286402).
Известен способ получения водорода, заключающийся в наполнении емкости жидкостью, содержащей воду и которая лишена химического катализатора, погружении пары электродов в жидкость, расположении указанных электродов на расстоянии 5 мм или менее друг от друга и приложении импульсного электрического сигнала к одному из указанных электродов после их погружения и расположения в емкости. Импульсный сигнал имеет частоту в диапазоне приблизительно 10-250 кГц для генерирования водорода. Изобретение позволяет получить ячейку, которая получает большое количество водорода и кислорода в течение относительного промежутка времени, при небольшой входной мощности и без выделения тепла (см. заявку PCT/IB 99/01276). Данный способ получения водорода предлагается принять в качестве прототипа.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в получении водорода путем электровзрыва проводников в воде, а также в уменьшении энергетических затрат.
Сущность изобретения заключается в том, что взрывную камеру, выполненную из диэлектрического изоляционного материала, помещают в прочную герметичную газосборную камеру. Заполняют взрывную камеру обыкновенной или «тяжелой» водой или их смесью. Производят во взрывной камере электровзрыв одного или нескольких металлических проводников, создавая при этом высокое или сверхвысокое импульсное давление более 10 5 атм и сверхсильное магнитное поле более 1 МГс. Во время электровзрыва образуется неравновесная слабо ионизированная плазма, в результате чего создаются условия для протекания низкоэнергетических ядерных реакций, приводящих к выделению из воды газообразного водорода без образования кислорода.
Взрывную камеру выполняют таким образом, что полученный в результате электровзрыва избыточный газ перетекает в газосборную камеру. Это может быть реализовано за счет специально спроектированных уплотнений взрывной камеры или использования дополнительного устройства типа клапана. Газосборная камера выполняет две функции: препятствует разрушению взрывной камеры, воспринимая ударные нагрузки, возникающие при электровзрыве, и, собственно, является емкостью для сбора полученного водорода и последующего его отвода. В качестве металлических проводников могут быть использована фольга и/или проволочки.
Изобретение поясняется конкретным вариантом его выполнения со ссылками на чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает схему опытной установки для одной взрывной камеры.
Фиг.2 изображает сигнал с «быстрого» АЦП.
Фиг.3 изображает сигнал с «медленного» АЦП.
Фиг.4 изображает показания газового масс-спектрометра.
Фиг.5 изображает показания газового хроматографа.
Фиг.6 изображает зависимость количества образовавшегося водорода от массы фольги.
Фиг.7 изображает процентное содержание образовавшегося водорода при различных внутренних диаметрах стакана.
Фиг.8 изображает фрагмент калибровочного оптического спектра.
Фиг.9 изображает фрагмент оптического спектра образовавшейся газовой смеси.
Конкретный вариант реализации способа получения водорода рассмотрим на примере работы опытной установки, на которой проводились эксперименты по электровзрыву титановой фольги.
Установка (фиг.1) состоит из конденсаторной батареи 1 и коммутатора 2, в качестве которого используется разрядник тригатронного типа, который поджигается специальным блоком поджига. Время импульса тока от батареи составляет Т~120 мкс, а его величина I0~120 кА. Ток измеряется с помощью коаксиальных шунтов, а напряжение - с помощью делителя. В качестве регистраторов электрических сигналов используются аналоговые осциллографы и быстродействующие аналого-цифровые преобразователи (АЦП), совмещенные с компьютером. Транспортировка электрического импульса от батареи осуществляется с помощью коаксиальных кабелей 3. Регистрирующая аппаратура располагается в экранированной комнате на расстоянии ~40 м, что позволяет избегать электромагнитных наводок.
Батарея 1 срабатывала на электрическую нагрузку, которой служила металлическая фольга 4, выполненная из титана и приваренная к массивному титановому электроду 5 с помощью контактной электросварки. Между массивным электродом и фольгой был установлен изолятор 6 из тефлона и, таким образом, приваренная фольга играла роль оплетки кабеля, соединенной «накоротко» с центральной жилой «кабеля». Электроды 5 закреплены на диэлектрическом изоляторе 7, который может быть изготовлен из полиэтилена или тефлона. Одновременно изолятор 7 служит крышкой взрывной камеры 8. Масса титановой фольги 4 (нагрузки) варьировалась от одной до четырех полосок, масса каждой из которых составляла (90±5)×10-3 г.
Взрывная камера 8 изготовлена из диэлектрического изоляционного материала, например, полиэтилена или тефлона и расположена в нижней части прочного корпуса герметичной газосборной камеры 9, сделанного из нержавеющей стали. Все уплотняющие элементы, обеспечивающие герметичность камеры 9, изготовлены из материалов, не содержащих водород. Диэлектрический изолятор 7 имеет уплотнения 10. Через верхнюю часть металлического корпуса газосборной камеры 9 осуществляется подвод напряжения. Во внутренности взрывной камеры 8 располагается одноразовый стакан 11, изготовленный из тефлона (или полиэтилена), в который заливается жидкость 12 и в который был также погружен электрод 5 с приваренной к нему фольгой 4. Объем заливаемой жидкости составляет 18 см 3. Жидкостью служит либо деионизованный бидистиллят (Н 2O), либо сертифицированная 99,8% тяжелая вода (D2 O).
В верхней части газосборной камеры 9 находится датчик давления 13 и патрубок, который через вентиль 14 соединен с датчиком 15 измерения парциального давления водорода, а через вентиль 16 с тарированным газосборным баллоном 17. Перед установкой на газосборную камеру 9, газосборный баллон 17 откачивался до давления 2×10-2 Тopp. А сама газосборная камера 9 перед электровзрывом откачивалась до давления нескольких торр, несколько раз продувалась аргоном, после чего заполнялась аргоном высокой чистоты до давления Р=1,5 атм. Такая процедура позволяла свести к минимуму влияние атмосферных газов на результаты последующих измерений.
В результате электровзрыва титановая фольга 4 превращается в плотную неравновесную плазму, и, как следствие, во взрывной камере 8 резко возрастает давление, достигая давления в несколько десятков или сотен тысяч атмосфер, а, кроме того, создается сверхсильное магнитное поле. Образовавшийся при этом газ через уплотнения 10 прорывается в газосборную камеру 9.
В момент срабатывания конденсаторной батареи регистрируются величины токов и напряжений на электрической нагрузке, а также сигналы с пьезоэлектрического датчика давления 13. Сигнал с датчика давления 13 разветвляется согласованным образом и оцифровывается с помощью двух различных аналого-цифровых преобразователей (АЦП), имеющих разную частоту дискретизации. Типичные сигналы с обоих АЦП представлены на фиг.2 и фиг.3.
Скорость нарастания и амплитуда сигнала на фиг.2 позволяет судить об интенсивности процесса наработки газа. А сигнал с медленного АЦП (фиг.3) позволяет контролировать сохранение герметичности газосборной камеры 9 после электровзрыва, а также процесс измерения парциального давления водорода. На фиг.3 видно, что через 20-30 с все переходные процессы в основном заканчиваются и давление выходит на стационарное значение.
Для определения химического состава газа, образовавшегося в результате электровзрыва титановой фольги, через несколько минут после электровзрыва, то есть, когда давление и температура в газосборной камере уже вышли на свои стационарные значения, измерялось парциальное давление водорода в образовавшейся смеси газов. Далее в тарированный газосборный баллон 17 отбиралась газовая проба и исследовалась с помощью газового хроматографа. В табл.1 представлен типичный результат измерений одной из проб, полученный с помощью газового хроматографа.
| Таблица 1 | |
| Элемент | % |
| Н2 | 13,97 |
| O2 | <0,3 |
| N2 | 0,6 |
| СО | 3,62 |
| Аr | 80,85 |
| СO2 | 0,4 |
| СН4 | <0,02 |
| С2Н 6 | <0,03 |
| С2 Н4 | <0,04 |
| С3 Н8, С3Н6 | <0,1 |
| С2Н2 | <0,07 |
 | 100 |
Из приведенной таблицы видно, что основным компонентом, исключая балластный газ аргон, является водород. Обращает на себя внимание факт отсутствия кислорода, в пределах, превышающих чувствительность методики измерения.
В табл.2 приведено сравнение результатов измерений относительного содержания водорода (Н2) в газовой смеси, полученных помощью газового хроматографа и поляризационного датчика, для одной из серий экспериментов. В этой серии экспериментов в качестве буферного газа также использовался аргон (Аr) с химической чистотой 99,8%. Из таблицы видно хорошее совпадение результатов, полученное с помощью двух различных методик. Кроме того, часть газовых проб параллельно исследовалась с помощью газового масс-спектрометра. На фиг.4 представлены результаты анализа одной из проб, полученные с помощью газового масс-спектрометра, а на фиг.5 - полученные с помощью газового хроматографа, для случая, когда в качестве буферного газа использовался азот (N2) высокой химической чистоты. При этом также наблюдается хорошее качественное совпадение между двумя методиками измерений. На фиг.4 видно, что газовый масс-спектрометр показывает отсутствие свободного кислорода, как и при использовании газового хроматографа.
Факт совпадения результатов измерений, проведенных с помощью различных методик, подтверждает наличие аномально большого количества водорода и отсутствие кислорода в составе газовой смеси после электровзрыва титановой фольги в воде.
При электровзрыве в 18-ти см3 воды и мощности разряда 2 кДж образуется 0,37 л водорода. Для получения 1 м3 водорода необходимо произвести 2700 разрядов с общим расходом электроэнергии 5,4 МДж, что в 7,2 раза меньше, чем при электролизе. Кроме того, как не трудно подсчитать, энергозатраты на производство 1 кг водорода составят 60 МДж, что в 2 раза меньше теплоты сгорания 1 кг водорода, равной 120 МДж. Таким образом, предлагаемый способ получения водорода является не только высокоэффективным по отношению к электролизу, но и позволяет достигнуть существенного положительного баланса при производстве водорода, так как затраты электроэнергии на получение водорода в два раза ниже, чем тепловая энергия, образующаяся при его сгорании.
Чтобы разобраться в физическом механизме образования водорода, необходимо навести баланс по кислороду. Незначительная часть кислорода обнаруживалась в газовой пробе в виде СО и СО2 и это количество кислорода легко учесть в общем балансе. Причиной отсутствия свободного кислорода могло служить окисление титанового электрода и взрываемой фольги. Ни изоляция титанового электрода от воды с помощью тефлона, ни замена в эксперименте электродов из титана на электроды, изготовленные из металлов, обладающих меньшей способностью к окислению (нержавеющая сталь, кобальт и т.д.), не привела к наблюдению кислорода в образующемся газе.
Что касается окисления титановой фольги, то этот канал связывания кислорода учитывался с помощью твердотельной масс-спектрометрии. С этой целью исследовались остатки фольги и измерялось соотношение Ti/O.
При массе нагрузки m=180 мг из одного грамм-моля Н2О при электровзрыве образуется (2,3±0,16)×1022 молекул H 2. Количество атомов кислорода, обнаруживаемое в газовых пробах в виде СО и CO2, составляет 
Происхождение этих молекул вполне можно объяснить пиролитическим разложением молекул воды с последующим образованием окислов углерода, за счет соединения атомов кислорода с углеродом, например, содержащимся в полиэтилене. Титановая фольга, за счет окисления, связывает 
атомов. Таким образом, баланс по кислороду не сходится почти наполовину.
Была исследована зависимость выхода водорода от массы титановой фольги. Усредненные результаты приведены на фиг.6. Треугольные точки относятся к общему количеству зарегистрированного водорода, а круглые - к водороду нехимического происхождения. Видно, что количество водорода, имеющего нехимическое происхождение, практически не зависит от массы использовавшейся титановой фольги. Обращает на себя внимание то обстоятельство, что при усреднении величина стандартного отклонения для водорода, имеющего нехимическое происхождение (нижних точек), получилась меньше, чем для исходных измерений общего количества водорода (верхних точек). Более того, количество молекул водорода, образующихся за счет нехимического механизма, с хорошей точностью равно N=10 22 вне зависимости от массы фольги.
Иными словами, этот механизм носит более воспроизводимый и, если так можно сказать, более «фундаментальный» характер, чем процесс химического окисления фольги.
Отсутствие баланса по кислороду потребовало провести поиск возможного механизма происхождения водорода.
В первую очередь на роль источника дополнительного «примесного» водорода была проверена использовавшаяся в опытах титановая фольга. Хорошо известно, что титан можно насытить водородом до соотношения почти 1:1. Однако, для того чтобы этого добиться, необходимо нагревать титан до высокой температуры в водородной атмосфере. Самопроизвольное насыщение титана водородом в данном случае представляется крайне маловероятным, тем не менее, была проведена экспериментальная проверка существования такой возможности.
С этой целью на базе квадрупольного газового масс-спектрометра был собран экспериментальный стенд, на котором проводились измерения абсолютного количества частиц и химического состава газа, содержащегося в фольге.
Анализ результатов измерений качественного состава и количества газовых примесей позволяет утверждать, что газы, содержащиеся в исходной фольге, являются в основном поверхностными и приповерхностными (но не объемными) примесями. Таким образом, наблюдавшееся в результате электровзрыва аномальное количество водорода не может быть объяснено его наличием в исходной фольге.
Другим вероятным источником водорода мог служить полиэтилен, содержащийся в конструктивных элементах взрывной камеры. Для проверки справедливости такого предположения, все конструктивные элементы, находившиеся внутри герметичного корпуса камеры, содержащие полиэтилен, были заменены тефлоновыми. При сохранении прочих равных условий (масса фольги, количество воды, давление балластного газа и т.д.), получен следующий результат: содержание водорода в газе, образовавшемся в результате электровзрыва, при выполнении конструктивных элементов установки из полиэтилена - (16,1±2,2)%, а при выполнении из тефлона - (14,0±0,6)%. Как видно из приведенных цифр, полиэтиленовые элементы конструкции взрывной камеры не служат источником наблюдаемого водорода. Небольшого различия в процентном содержании водорода явно недостаточно для объяснения регистрируемого количества водорода. Таким образом, если полиэтилен и служит источником водорода, то в очень незначительных количествах. В тех случаях, когда взрывная камера 8 и стакан 11 были изготовлены из целого куска тефлона, как один конструктивный элемент, различие между двумя вариантами выполнения в количестве образующегося водорода было совсем незначительным.
Также, была проведена серия электровзрывов при использовании внутренних стаканов 11, изготовленных с различными внутренними диаметрами, и соответственно измененным объемом использовавшегося бидистиллята. Все остальные части конструкции установки, а также параметры и условия проведения электровзрыва были оставлены без изменений. Процентное содержание образовывавшегося при электровзрыве водорода при различных внутренних диаметрах стакана показано на фиг.7. При увеличении диаметра стакана падает давление во взрывной камере, что приводит к резкому уменьшению количества образующегося водорода. Последний столбик гистограммы показывает, какое процентное содержание водорода может быть объяснено за счет окисления титана и учета газов СО и СО2. Иными словами, какое количество водорода имеет понятное химическое происхождение. Видно, что уже при увеличении диаметра стакана до 60 мм весь наблюдаемый водород может быть легко объяснен за счет химического происхождения.
Вся совокупность приведенных выше результатов позволяет утверждать, что водород образуется в момент электровзрыва и его происхождение не может быть объяснено химическим или «примесным» механизмом. Образование водорода в рассматриваемом случае можно объяснить только протеканием ядерных реакций нового типа - «низкоэнергетических ядерных реакций» (LENR - Low Energy Nuclear Reactions), происходящих в условиях плотной низкотемпературной неравновесной плазмы. При протекании этого типа ядерных реакций не наблюдается свободных нейтронов и остаточной радиоактивности, как при обычных ядерных реакциях. Этот факт означает, что сильные взаимодействия не задействованы в механизме этого типа реакций. Другой характерной чертой этих реакций является то, что их механизм носит ярко выраженный коллективный характер. Коллективные взаимодействия характерны для физики плазмы (см. например, Кадомцев Б.Б., Коллективные явления в плазме. М., Наука, 1988 г.), но совсем не известны в ядерной физике. На сегодняшний день перечисленные факты можно считать твердо установленными (см. например. Storms E., The Science of Low Energy Nuclear Reaction, World Scientific Publishing Co. 2007, p.226, а также Krivit S., Winocur N., The Rebirth of Cold Fusion, New Ener. Fond., Inc., 2004, 298р.).
Для подтверждения такого механизма образования водорода были проведены эксперименты с использованием тяжелой воды (D2O) вместо бидистиллята. Использовалась вода, содержащая 99.8% D2 O. Скачок давления и измеряемое процентное содержание водорода незначительно отличалось от экспериментов с обычной водой. Это обстоятельство позволяет сделать вывод о том, что и в том и в другом случае в момент электровзрыва все процессы происходят почти одинаково. Идея экспериментов с тяжелой водой состояла в следующем: если часть водорода имеет ядерное происхождение, то она не должна измениться при замене атомов Н на D. Таким образом, задача свелась к определению относительного содержания Н и D в образовавшейся смеси. Электровзрывы с тяжелой водой проводились исключительно в тефлоновой взрывной камере, а все газосборные баллоны предварительно тщательно откачивались с прогревом стенок, чтобы исключить присутствие влаги на их стенках.
Для определения относительного содержания Н и D использовались две методики: оптическая спектрометрия и газовая масс-спектрометрия. Для верификации оптической методики была изготовлена газовая образцовая калибровочная смесь, содержащая 95% D и 5% Н. Фрагмент калибровочного оптического спектра представлен на фиг.8. Такое хорошее совпадение результатов оптических измерений со значениями концентрации водорода в калибровочной смеси означает, что сама оптическая установка не содержит «примесных» источников водорода. На фиг.9 представлен фрагмент оптического спектра исследуемой газовой смеси. Соотношение водорода к дейтерию в этом опыте, измеренное по отношению оптических линий, составило D/H=2/1. Примерно такое же соотношение D к Н было получено для того же опыта с помощью газового масс-спектрометра: D2/HD/H 2=0,5/0,25/0,25.
Принимая во внимание все вышеизложенное, можно констатировать следующее:
1. Надежно установлено, что при электровзрыве титановой фольги в воде происходит образование значительного количества молекулярного водорода Nh3~2×1022 молекул. Происхождение примерно половины этого количества не может быть объяснено разложением воды.
2. Тщательные поиски источника «примесного» происхождения водорода не увенчались успехом.
3. Получение наблюдаемого в результате электровзрыва молекулярного водорода может быть объяснено только протеканием «низкоэнергетических ядерных реакций», происходящих в условиях плотной низкотемпературной неравновесной плазмы.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ получения водорода, заключающийся в наполнении емкости жидкостью, содержащей воду, и выделении из нее водорода, отличающийся тем, что емкость помещают в прочную герметичную газосборную камеру, в качестве емкости применяют взрывную камеру, выполненную из диэлектрического изоляционного материала с возможностью выпуска избыточного газа в газосборную камеру, создают во взрывной камере высокое импульсное давление и сверхсильное магнитное поле посредством электровзрыва, по крайней мере, одного металлического проводника, а полученный в результате водород отводят из газосборной камеры.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве металлических проводников используют фольгу и/или проволочки.
www.freepatent.ru
Способ получения водорода
Изобретение относится к области химии и может быть использовано для получения водорода. Емкость наполняют жидкостью, содержащей воду, и помещают в прочную герметичную газосборную камеру. В качестве емкости применяют взрывную камеру, выполненную из диэлектрического изоляционного материала с возможностью выпуска избыточного газа в газосборную камеру. Во взрывной камере создают высокое импульсное давление и сверхсильное магнитное поле посредством электровзрыва, по крайней мере, одного металлического проводника, а полученный в результате водород отводят из газосборной камеры. В качестве металлических проводников используют фольгу и/или проволочки. Изобретение позволяет сократить энергозатраты. 1 з.п. ф-лы, 9 ил., 2 табл.
Изобретение относится к физико-химическим способам (технологиям) получения водорода. Задача, которая решается изобретением, заключается в создании нового, экологичного и энергетически эффективного способа получения водорода. Может найти применение в области экспериментальной физики и водородной энергетике.
В настоящее время разработаны и промышленно используются многочисленные процессы получения водорода. Среди них можно отметить такие способы, как прямой термолиз воды, паровая конверсия метана, термохимическое разложение воды, паровоздушная газификация угля, электролитическое разложение воды (электролиз).
Известен способ получения водорода, который включает прохождение потока смеси «легкой воды» и «тяжелой воды» под давлением через одно или несколько отверстий диэлектрического элемента, воздействие на путь прохождения смеси магнитным полем, разделение ее на три потока. При этом два потока, имеющие различные по электрическому знаку и химическим свойствам ионы, электрически изолируют, ускоряют их прохождение и направляют в коллиматоры. Смесь «легкой воды» и «тяжелой воды» берут в соотношении, необходимом для управления ядерной реакцией. Предложенное изобретение позволяет получать водород из смеси «легкой воды» и «тяжелой воды» в количествах, достаточных для практического использования (см. патент РФ №2258028).
Известен способ получения водорода путем электролиза, включающий замыкание электрической цепи, установленной на валу электролитической ячейки, содержащей анод и катод, и ее вращение, подвод раствора электролита к электролитической ячейке и его отвод, а также отвод конечных продуктов электролиза. При этом катод устанавливают неподвижно на валу, а электроды подвергают объемно-упругому деформированию, причем катод растягивают, а анод сжимают (см. патент РФ №2328552).
Известен способ получения водорода, реализованный на базе электроплазмохимического реактора, представляющего собой сосуд высокого давления, в торцах которого установлены сферические днища с экранами, через которые проходят волноводы сверхвысокочастотного излучения. Последние отделены от внутреннего объема реактора металлическими диафрагмами с опорными сетками и содержат форсунки для подачи углекислоты и водяного пара, разнополярные пустотелые перфорированные электроды для получения и сепарации водорода и кислорода, внутренние объемы которых соединены с осушителями, молекулярными ситами для выделения водорода, кислорода и углекислоты (см. патент РФ №2286402).
Известен способ получения водорода, заключающийся в наполнении емкости жидкостью, содержащей воду и которая лишена химического катализатора, погружении пары электродов в жидкость, расположении указанных электродов на расстоянии 5 мм или менее друг от друга и приложении импульсного электрического сигнала к одному из указанных электродов после их погружения и расположения в емкости. Импульсный сигнал имеет частоту в диапазоне приблизительно 10-250 кГц для генерирования водорода. Изобретение позволяет получить ячейку, которая получает большое количество водорода и кислорода в течение относительного промежутка времени, при небольшой входной мощности и без выделения тепла (см. заявку PCT/IB 99/01276). Данный способ получения водорода предлагается принять в качестве прототипа.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в получении водорода путем электровзрыва проводников в воде, а также в уменьшении энергетических затрат.
Сущность изобретения заключается в том, что взрывную камеру, выполненную из диэлектрического изоляционного материала, помещают в прочную герметичную газосборную камеру. Заполняют взрывную камеру обыкновенной или «тяжелой» водой или их смесью. Производят во взрывной камере электровзрыв одного или нескольких металлических проводников, создавая при этом высокое или сверхвысокое импульсное давление более 105 атм и сверхсильное магнитное поле более 1 МГс. Во время электровзрыва образуется неравновесная слабо ионизированная плазма, в результате чего создаются условия для протекания низкоэнергетических ядерных реакций, приводящих к выделению из воды газообразного водорода без образования кислорода.
Взрывную камеру выполняют таким образом, что полученный в результате электровзрыва избыточный газ перетекает в газосборную камеру. Это может быть реализовано за счет специально спроектированных уплотнений взрывной камеры или использования дополнительного устройства типа клапана. Газосборная камера выполняет две функции: препятствует разрушению взрывной камеры, воспринимая ударные нагрузки, возникающие при электровзрыве, и, собственно, является емкостью для сбора полученного водорода и последующего его отвода. В качестве металлических проводников могут быть использована фольга и/или проволочки.
Изобретение поясняется конкретным вариантом его выполнения со ссылками на чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает схему опытной установки для одной взрывной камеры.
Фиг.2 изображает сигнал с «быстрого» АЦП.
Фиг.3 изображает сигнал с «медленного» АЦП.
Фиг.4 изображает показания газового масс-спектрометра.
Фиг.5 изображает показания газового хроматографа.
Фиг.6 изображает зависимость количества образовавшегося водорода от массы фольги.
Фиг.7 изображает процентное содержание образовавшегося водорода при различных внутренних диаметрах стакана.
Фиг.8 изображает фрагмент калибровочного оптического спектра.
Фиг.9 изображает фрагмент оптического спектра образовавшейся газовой смеси.
Конкретный вариант реализации способа получения водорода рассмотрим на примере работы опытной установки, на которой проводились эксперименты по электровзрыву титановой фольги.
Установка (фиг.1) состоит из конденсаторной батареи 1 и коммутатора 2, в качестве которого используется разрядник тригатронного типа, который поджигается специальным блоком поджига. Время импульса тока от батареи составляет Т~120 мкс, а его величина I0~120 кА. Ток измеряется с помощью коаксиальных шунтов, а напряжение - с помощью делителя. В качестве регистраторов электрических сигналов используются аналоговые осциллографы и быстродействующие аналого-цифровые преобразователи (АЦП), совмещенные с компьютером. Транспортировка электрического импульса от батареи осуществляется с помощью коаксиальных кабелей 3. Регистрирующая аппаратура располагается в экранированной комнате на расстоянии ~40 м, что позволяет избегать электромагнитных наводок.
Батарея 1 срабатывала на электрическую нагрузку, которой служила металлическая фольга 4, выполненная из титана и приваренная к массивному титановому электроду 5 с помощью контактной электросварки. Между массивным электродом и фольгой был установлен изолятор 6 из тефлона и, таким образом, приваренная фольга играла роль оплетки кабеля, соединенной «накоротко» с центральной жилой «кабеля». Электроды 5 закреплены на диэлектрическом изоляторе 7, который может быть изготовлен из полиэтилена или тефлона. Одновременно изолятор 7 служит крышкой взрывной камеры 8. Масса титановой фольги 4 (нагрузки) варьировалась от одной до четырех полосок, масса каждой из которых составляла (90±5)×10-3 г.
Взрывная камера 8 изготовлена из диэлектрического изоляционного материала, например, полиэтилена или тефлона и расположена в нижней части прочного корпуса герметичной газосборной камеры 9, сделанного из нержавеющей стали. Все уплотняющие элементы, обеспечивающие герметичность камеры 9, изготовлены из материалов, не содержащих водород. Диэлектрический изолятор 7 имеет уплотнения 10. Через верхнюю часть металлического корпуса газосборной камеры 9 осуществляется подвод напряжения. Во внутренности взрывной камеры 8 располагается одноразовый стакан 11, изготовленный из тефлона (или полиэтилена), в который заливается жидкость 12 и в который был также погружен электрод 5 с приваренной к нему фольгой 4. Объем заливаемой жидкости составляет 18 см3. Жидкостью служит либо деионизованный бидистиллят (Н2O), либо сертифицированная 99,8% тяжелая вода (D2O).
В верхней части газосборной камеры 9 находится датчик давления 13 и патрубок, который через вентиль 14 соединен с датчиком 15 измерения парциального давления водорода, а через вентиль 16 с тарированным газосборным баллоном 17. Перед установкой на газосборную камеру 9, газосборный баллон 17 откачивался до давления 2×10-2 Тopp. А сама газосборная камера 9 перед электровзрывом откачивалась до давления нескольких торр, несколько раз продувалась аргоном, после чего заполнялась аргоном высокой чистоты до давления Р=1,5 атм. Такая процедура позволяла свести к минимуму влияние атмосферных газов на результаты последующих измерений.
В результате электровзрыва титановая фольга 4 превращается в плотную неравновесную плазму, и, как следствие, во взрывной камере 8 резко возрастает давление, достигая давления в несколько десятков или сотен тысяч атмосфер, а, кроме того, создается сверхсильное магнитное поле. Образовавшийся при этом газ через уплотнения 10 прорывается в газосборную камеру 9.
В момент срабатывания конденсаторной батареи регистрируются величины токов и напряжений на электрической нагрузке, а также сигналы с пьезоэлектрического датчика давления 13. Сигнал с датчика давления 13 разветвляется согласованным образом и оцифровывается с помощью двух различных аналого-цифровых преобразователей (АЦП), имеющих разную частоту дискретизации. Типичные сигналы с обоих АЦП представлены на фиг.2 и фиг.3.
Скорость нарастания и амплитуда сигнала на фиг.2 позволяет судить об интенсивности процесса наработки газа. А сигнал с медленного АЦП (фиг.3) позволяет контролировать сохранение герметичности газосборной камеры 9 после электровзрыва, а также процесс измерения парциального давления водорода. На фиг.3 видно, что через 20-30 с все переходные процессы в основном заканчиваются и давление выходит на стационарное значение.
Для определения химического состава газа, образовавшегося в результате электровзрыва титановой фольги, через несколько минут после электровзрыва, то есть, когда давление и температура в газосборной камере уже вышли на свои стационарные значения, измерялось парциальное давление водорода в образовавшейся смеси газов. Далее в тарированный газосборный баллон 17 отбиралась газовая проба и исследовалась с помощью газового хроматографа. В табл.1 представлен типичный результат измерений одной из проб, полученный с помощью газового хроматографа.
| Таблица 1 | |
| Элемент | % |
| Н2 | 13,97 |
| O2 | <0,3 |
| N2 | 0,6 |
| СО | 3,62 |
| Аr | 80,85 |
| СO2 | 0,4 |
| СН4 | <0,02 |
| С2Н6 | <0,03 |
| С2Н4 | <0,04 |
| С3Н8, С3Н6 | <0,1 |
| С2Н2 | <0,07 |
| ∑ | 100 |
Из приведенной таблицы видно, что основным компонентом, исключая балластный газ аргон, является водород. Обращает на себя внимание факт отсутствия кислорода, в пределах, превышающих чувствительность методики измерения.
В табл.2 приведено сравнение результатов измерений относительного содержания водорода (Н2) в газовой смеси, полученных помощью газового хроматографа и поляризационного датчика, для одной из серий экспериментов. В этой серии экспериментов в качестве буферного газа также использовался аргон (Аr) с химической чистотой 99,8%. Из таблицы видно хорошее совпадение результатов, полученное с помощью двух различных методик. Кроме того, часть газовых проб параллельно исследовалась с помощью газового масс-спектрометра. На фиг.4 представлены результаты анализа одной из проб, полученные с помощью газового масс-спектрометра, а на фиг.5 - полученные с помощью газового хроматографа, для случая, когда в качестве буферного газа использовался азот (N2) высокой химической чистоты. При этом также наблюдается хорошее качественное совпадение между двумя методиками измерений. На фиг.4 видно, что газовый масс-спектрометр показывает отсутствие свободного кислорода, как и при использовании газового хроматографа.
Факт совпадения результатов измерений, проведенных с помощью различных методик, подтверждает наличие аномально большого количества водорода и отсутствие кислорода в составе газовой смеси после электровзрыва титановой фольги в воде.
При электровзрыве в 18-ти см3 воды и мощности разряда 2 кДж образуется 0,37 л водорода. Для получения 1 м3 водорода необходимо произвести 2700 разрядов с общим расходом электроэнергии 5,4 МДж, что в 7,2 раза меньше, чем при электролизе. Кроме того, как не трудно подсчитать, энергозатраты на производство 1 кг водорода составят 60 МДж, что в 2 раза меньше теплоты сгорания 1 кг водорода, равной 120 МДж. Таким образом, предлагаемый способ получения водорода является не только высокоэффективным по отношению к электролизу, но и позволяет достигнуть существенного положительного баланса при производстве водорода, так как затраты электроэнергии на получение водорода в два раза ниже, чем тепловая энергия, образующаяся при его сгорании.
Чтобы разобраться в физическом механизме образования водорода, необходимо навести баланс по кислороду. Незначительная часть кислорода обнаруживалась в газовой пробе в виде СО и СО2 и это количество кислорода легко учесть в общем балансе. Причиной отсутствия свободного кислорода могло служить окисление титанового электрода и взрываемой фольги. Ни изоляция титанового электрода от воды с помощью тефлона, ни замена в эксперименте электродов из титана на электроды, изготовленные из металлов, обладающих меньшей способностью к окислению (нержавеющая сталь, кобальт и т.д.), не привела к наблюдению кислорода в образующемся газе.
Что касается окисления титановой фольги, то этот канал связывания кислорода учитывался с помощью твердотельной масс-спектрометрии. С этой целью исследовались остатки фольги и измерялось соотношение Ti/O.
При массе нагрузки m=180 мг из одного грамм-моля Н2О при электровзрыве образуется (2,3±0,16)×1022 молекул h3. Количество атомов кислорода, обнаруживаемое в газовых пробах в виде СО и CO2, составляет 
Происхождение этих молекул вполне можно объяснить пиролитическим разложением молекул воды с последующим образованием окислов углерода, за счет соединения атомов кислорода с углеродом, например, содержащимся в полиэтилене. Титановая фольга, за счет окисления, связывает 
атомов. Таким образом, баланс по кислороду не сходится почти наполовину.
Была исследована зависимость выхода водорода от массы титановой фольги. Усредненные результаты приведены на фиг.6. Треугольные точки относятся к общему количеству зарегистрированного водорода, а круглые - к водороду нехимического происхождения. Видно, что количество водорода, имеющего нехимическое происхождение, практически не зависит от массы использовавшейся титановой фольги. Обращает на себя внимание то обстоятельство, что при усреднении величина стандартного отклонения для водорода, имеющего нехимическое происхождение (нижних точек), получилась меньше, чем для исходных измерений общего количества водорода (верхних точек). Более того, количество молекул водорода, образующихся за счет нехимического механизма, с хорошей точностью равно N=1022 вне зависимости от массы фольги.
Иными словами, этот механизм носит более воспроизводимый и, если так можно сказать, более «фундаментальный» характер, чем процесс химического окисления фольги.
Отсутствие баланса по кислороду потребовало провести поиск возможного механизма происхождения водорода.
В первую очередь на роль источника дополнительного «примесного» водорода была проверена использовавшаяся в опытах титановая фольга. Хорошо известно, что титан можно насытить водородом до соотношения почти 1:1. Однако, для того чтобы этого добиться, необходимо нагревать титан до высокой температуры в водородной атмосфере. Самопроизвольное насыщение титана водородом в данном случае представляется крайне маловероятным, тем не менее, была проведена экспериментальная проверка существования такой возможности.
С этой целью на базе квадрупольного газового масс-спектрометра был собран экспериментальный стенд, на котором проводились измерения абсолютного количества частиц и химического состава газа, содержащегося в фольге.
Анализ результатов измерений качественного состава и количества газовых примесей позволяет утверждать, что газы, содержащиеся в исходной фольге, являются в основном поверхностными и приповерхностными (но не объемными) примесями. Таким образом, наблюдавшееся в результате электровзрыва аномальное количество водорода не может быть объяснено его наличием в исходной фольге.
Другим вероятным источником водорода мог служить полиэтилен, содержащийся в конструктивных элементах взрывной камеры. Для проверки справедливости такого предположения, все конструктивные элементы, находившиеся внутри герметичного корпуса камеры, содержащие полиэтилен, были заменены тефлоновыми. При сохранении прочих равных условий (масса фольги, количество воды, давление балластного газа и т.д.), получен следующий результат: содержание водорода в газе, образовавшемся в результате электровзрыва, при выполнении конструктивных элементов установки из полиэтилена - (16,1±2,2)%, а при выполнении из тефлона - (14,0±0,6)%. Как видно из приведенных цифр, полиэтиленовые элементы конструкции взрывной камеры не служат источником наблюдаемого водорода. Небольшого различия в процентном содержании водорода явно недостаточно для объяснения регистрируемого количества водорода. Таким образом, если полиэтилен и служит источником водорода, то в очень незначительных количествах. В тех случаях, когда взрывная камера 8 и стакан 11 были изготовлены из целого куска тефлона, как один конструктивный элемент, различие между двумя вариантами выполнения в количестве образующегося водорода было совсем незначительным.
Также, была проведена серия электровзрывов при использовании внутренних стаканов 11, изготовленных с различными внутренними диаметрами, и соответственно измененным объемом использовавшегося бидистиллята. Все остальные части конструкции установки, а также параметры и условия проведения электровзрыва были оставлены без изменений. Процентное содержание образовывавшегося при электровзрыве водорода при различных внутренних диаметрах стакана показано на фиг.7. При увеличении диаметра стакана падает давление во взрывной камере, что приводит к резкому уменьшению количества образующегося водорода. Последний столбик гистограммы показывает, какое процентное содержание водорода может быть объяснено за счет окисления титана и учета газов СО и СО2. Иными словами, какое количество водорода имеет понятное химическое происхождение. Видно, что уже при увеличении диаметра стакана до 60 мм весь наблюдаемый водород может быть легко объяснен за счет химического происхождения.
Вся совокупность приведенных выше результатов позволяет утверждать, что водород образуется в момент электровзрыва и его происхождение не может быть объяснено химическим или «примесным» механизмом. Образование водорода в рассматриваемом случае можно объяснить только протеканием ядерных реакций нового типа - «низкоэнергетических ядерных реакций» (LENR - Low Energy Nuclear Reactions), происходящих в условиях плотной низкотемпературной неравновесной плазмы. При протекании этого типа ядерных реакций не наблюдается свободных нейтронов и остаточной радиоактивности, как при обычных ядерных реакциях. Этот факт означает, что сильные взаимодействия не задействованы в механизме этого типа реакций. Другой характерной чертой этих реакций является то, что их механизм носит ярко выраженный коллективный характер. Коллективные взаимодействия характерны для физики плазмы (см. например, Кадомцев Б.Б., Коллективные явления в плазме. М., Наука, 1988 г.), но совсем не известны в ядерной физике. На сегодняшний день перечисленные факты можно считать твердо установленными (см. например. Storms E., The Science of Low Energy Nuclear Reaction, World Scientific Publishing Co. 2007, p.226, а также Krivit S., Winocur N., The Rebirth of Cold Fusion, New Ener. Fond., Inc., 2004, 298р.).
Для подтверждения такого механизма образования водорода были проведены эксперименты с использованием тяжелой воды (D2O) вместо бидистиллята. Использовалась вода, содержащая 99.8% D2O. Скачок давления и измеряемое процентное содержание водорода незначительно отличалось от экспериментов с обычной водой. Это обстоятельство позволяет сделать вывод о том, что и в том и в другом случае в момент электровзрыва все процессы происходят почти одинаково. Идея экспериментов с тяжелой водой состояла в следующем: если часть водорода имеет ядерное происхождение, то она не должна измениться при замене атомов Н на D. Таким образом, задача свелась к определению относительного содержания Н и D в образовавшейся смеси. Электровзрывы с тяжелой водой проводились исключительно в тефлоновой взрывной камере, а все газосборные баллоны предварительно тщательно откачивались с прогревом стенок, чтобы исключить присутствие влаги на их стенках.
Для определения относительного содержания Н и D использовались две методики: оптическая спектрометрия и газовая масс-спектрометрия. Для верификации оптической методики была изготовлена газовая образцовая калибровочная смесь, содержащая 95% D и 5% Н. Фрагмент калибровочного оптического спектра представлен на фиг.8. Такое хорошее совпадение результатов оптических измерений со значениями концентрации водорода в калибровочной смеси означает, что сама оптическая установка не содержит «примесных» источников водорода. На фиг.9 представлен фрагмент оптического спектра исследуемой газовой смеси. Соотношение водорода к дейтерию в этом опыте, измеренное по отношению оптических линий, составило D/H=2/1. Примерно такое же соотношение D к Н было получено для того же опыта с помощью газового масс-спектрометра: D2/HD/h3=0,5/0,25/0,25.
Принимая во внимание все вышеизложенное, можно констатировать следующее:
1. Надежно установлено, что при электровзрыве титановой фольги в воде происходит образование значительного количества молекулярного водорода Nh3~2×1022 молекул. Происхождение примерно половины этого количества не может быть объяснено разложением воды.
2. Тщательные поиски источника «примесного» происхождения водорода не увенчались успехом.
3. Получение наблюдаемого в результате электровзрыва молекулярного водорода может быть объяснено только протеканием «низкоэнергетических ядерных реакций», происходящих в условиях плотной низкотемпературной неравновесной плазмы.
1. Способ получения водорода, заключающийся в наполнении емкости жидкостью, содержащей воду, и выделении из нее водорода, отличающийся тем, что емкость помещают в прочную герметичную газосборную камеру, в качестве емкости применяют взрывную камеру, выполненную из диэлектрического изоляционного материала с возможностью выпуска избыточного газа в газосборную камеру, создают во взрывной камере высокое импульсное давление и сверхсильное магнитное поле посредством электровзрыва, по крайней мере, одного металлического проводника, а полученный в результате водород отводят из газосборной камеры.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве металлических проводников используют фольгу и/или проволочки.
www.findpatent.ru
особенности косметической процедуры, показания, эффект
Из-за постоянных стрессов и усталости на работе, плохой экологии, естественных возрастных изменений кожа человека начинает стремительно увядать, покрываться морщинами. Однако современная косметология постоянно развивается, появляются инновационные методики, позволяющие продлить молодость и сохранить красоту на долгие годы. Одной из таких эффективных процедур является фракционный термолиз. При помощи специального лазерного шлифовального прибора косметолог снимает верхний слой кожи, тем самым способствуя активизации естественных процессов обновления и омоложения эпидермиса. Фракционный термолиз – достаточно травматичная процедура, поэтому проводить ее должен только опытный специалист в хорошей клинике.
Что такое фракционный термолиз?
Термолиз – это процедура, при которой под воздействием высоких температур происходит структурное разрушение тканей дермы. Фотоэпиляция, лазерная шлифовка – все это разновидности термолиза, но во время таких процедур клетки распадаются под воздействием световой энергии.
Фракционный термолиз
При фракционном фототермолизе затрагивается не вся поверхность кожи, а только небольшой обрабатываемый участок. Ткани нагреваются лазерным лучом , а затем разрушаются очагово. После такой косметической процедуры на лице остаются микроскопические ожоги. Чтобы кожа омолодилась, нужно запустить экстренный процесс регенерации, чтобы максимально ускорить заживление и восстановление дермы. После непосредственного воздействия тонкого лазерного луча в толще кожи образуется термический ожог в форме столбика. Косметологи его называют микроскопической лечебной зоной (МЛЗ). Диаметр такого повреждения, как правило, составляет не более 0,4 мм. В зависимости от выбранного типа процедуры, на участке кожи площадью 1 см.кв. может располагаться от 10 до 2-3 тыс. МЛЗ.
Действует фракционный термолиз практически так же, как и мезороллер терапия. Однако во время такой процедуры повреждения наносятся лазером, а не прибором с иглами.
Основные типы фракционного термолиза
В современной косметологии существует два основных типа процедуры фракционного термолиза, а именно:
- Абляционная;
- Неабляционная.
При лазерной абляции вещество испаряется под воздействием лазерного импульса. Во время процедуры косметолог
Процедура омоложения
подбирает тип излучения, энергия которого может быть поглощена молекулами воды. В каждой клетке человеческой кожи содержится вода. Лазерный луч очень быстро может нагреть ее до 300 градусов. Это приводит к испарению столбика и появлению открытой ранки со слоями термически коагулированных клеток. После абляционного фракционного термолиза кожа пациента восстанавливается намного дольше, однако эффект лифтинга и омоложения проявляется намного сильнее. Курс включает 2-6 процедур.
Неабляционный фракционный термолиз – это более щадящий вариант косметической процедуры для омоложения. Лазерный луч во время такой процедуры практически не повреждает кожу, так как поврежденные клетки не испаряются, а остаются в толще эпидермиса. Открытые микроскопические ранки отсутствуют. После процедуры нет слишком явного эффекта лифтинга, так как продукты распада клеток остаются в коже, и она не стягивается. Курс омоложения состоит из 3-10 процедур, в зависимости от начального состояния эпидермиса.
Преимущества и эффект от процедуры
До и после термолиза
Фракционный термолифтинг имеет существенные отличия от обычной лазерной шлифовки. Здесь ожоги кожи не значительные, локализованы в самых проблемных участках эпидермиса. Между столбиками есть здоровые промежутки клеток, что значительно снижает травматичность и ускоряет процесс восстановления кожи. При помощи фракционного термолифтинга можно воздействовать на любые части тела, но чаще всего такую процедуру проводят именно на лице.
Технологию фраксель рекомендуется проводить, если:
- Кожа начала увядать, покрываться мелкими мимическими морщинами;
- На лице есть пигментированные или наоборот депигментированные участки;
- У вас есть рубцы, постакне, шрамы;
- Нужно удалить следы от растяжек.
Благодаря использованию инновационного оборудования ДОТ, процедура становится максимально эффективной, отсутствует опасность наложения разных зона друг на друга.
Как это работает?
Перед процедурой нужно обязательно проконсультироваться с профессиональным косметологом. Специалист объективно оценит состояние вашей кожи, выявит возможные противопоказания, расскажет о результатах, которых можно добиться при помощи фрактицонного термолиза. Опытный мастер не забудет упомянуть о том, что после процедуры могут возникнуть осложнения, а также объяснит, как правильно ухаживать за эпидермисом после фототермолиза.
Процедура достаточно болезненная, поэтому вы должны заранее выбрать наиболее подходящий способ обезболивания. Если у вас есть аллергия на какие-либо препараты, обязательно сообщите об этом врачу.
Во время термолиза вы можете ощущать незначительный дискомфорт. Степень болезненности зависит от типа
Заметное омоложение лица после фракционного термолиза
используемого оборудования, а также глубины проникновения луча лазера. Процедура состоит из нескольких основных этапов, а именно:
- Косметолог за несколько часов до процедуры делает легкий пилинг кожи.
- За 40 минут до термолиза на лицо наносят обезболивающее средство в форме крема.
- Во время сеанса косметолог водит по коже аппаратом со специальной насадкой, испускающей целенаправленные лазерные лучи. Самые проблемные зоны могут обрабатываться по несколько раз. Процедура длится от 15 до 60 минут.
- На завершающем этапе на кожу наносят успокаивающий крем.
Чтобы добиться желаемого эффекта, нужно выполнить несколько процедур фракционного термолиза. Между сеансами должен быть перерыв не менее 1 месяца.
Особые рекомендации косметологов
К процедуре фракционного термолиза нужно как следует подготовиться. Для этого за 1-2 недели начните принимать профилактический курс антибиотиков и противовирусных препаратов. Не употребляйте алкоголь, а после сеанса не занимайтесь спортом в течение нескольких дней. После неабляционного термолиза эпидермис восстановится в течение 3-х дней, а после абляционного – за неделю.
Фракционный термолиз — инновационная технология омоложения
Сразу после процедуры, вы можете обнаружить:
- Покраснение кожи;
- Небольшую отечность;
- Почувствуете незначительное жжение и дискомфорт.
Чтобы избавиться от неприятных ощущений, используйте охлаждающие маски, компрессы или обезболивающие кремы. Однако предварительно обязательно проконсультируйтесь на этот счет с косметологом. Через несколько дней после процедуры термолиза могут возникнуть осложнения. Они, как правило, проявляются в виде:
Ни в коем случае не чешите кожу в поврежденном месте, и строго придерживайтесь рекомендаций косметологов. Правильно ухаживайте за поврежденной кожей, используйте наружные препараты от термических ожогов, увлажняющие спреи. Если на дерме образовалась корочка, ни в коем случае ее не сдирайте, она должна отпасть самостоятельно. Оберегайте кожу лица от прямых солнечных лучей, так как избыток ультрафиолета может привести к гиперпигментации. Не пользуйтесь скрабами и прочими приспособлениями для механической очистки дермы.
Противопоказания
Как уже говорилось выше, фракционный термолиз – это довольно травматичная косметическая процедура. Методика имеет несколько противопоказаний, а именно:
Термолиз на веках
- Онкология;
- Период вынашивания и кормления ребенка;
- Сахарный диабет;
- Инфекционные заболевания;
- Патологии кровеносной и сердечно-сосудистой системы;
- Эпилепсия, аутоиммунные заболевания.
Также не рекомендуется проводить такую процедуру при наличии воспаления, ранок или неизвестных новообразований на обрабатываемом участке кожи.
Фракционный термолиз: цена услуги
Стоимость процедуры фракционного термолиза зависит от типа клиники, используемого оборудования, а также обрабатываемой зоны. Ориентировочный прейскурант лазерной шлифовки лица в хорошем салоне выглядит так:
- Лицо – 100-200 дол.;
- Глаза – 100-150 дол.;
- Лицо + область вокруг глаз – 300-500 дол.;
- Лицо +шея – 300-600 дол.
Процедура фракционного термолиза выполняется при помощи аппарата с эрбиевым или СО2 лазером. В простом недорогом салоне такого оборудования и персонала соответствующей квалификации нет. Поэтому стоит отдавать предпочтение профессиональным клиникам с соответствующими условиями косметологического стационара.
zdorovoelico.com
