Окисление водорода воздухом на гидрофобных двухкомпонентных катализаторах

Водород H, химический элемент, первый по порядковому номеру в периодической системе Менделееваатомнаямасса 1,797. При обычных условиях молекулярный (Н2) водород— газне имеет цвета, запаха и вкуса.

В трудах химиков' 16 и 17 вв. неоднократно упоминалось о выделении горючего газа при действии кислот на металлы. В 1766 г. Кавендиш собрал и исследовал выделяющийся газ, назвав его «горючий воздух». Будучи сторонником теории флогистона, Кавендиш полагал, что этот газ и есть чистый флогистон. В 1783 г. Лавуазье путём анализа и синтеза воды доказал сложность её состава, а в 1787 г, определил «горючий воздух» как новый химический элемент (Водород) и дал ему современное название hydrogene (от греч. hydor — вода и gennao — рождаю), что означает «рождающий воду" — этот корень употребляется в названиях соединений водорода и процессов с его участием (например, гидриды, гидрогенизация). Современное русское наименование «Водород» было предложено М. Ф. Соловьёвым в 1824 г.

Водород — самый распространённый элемент во Вселенной. На его долю приходится около «92% всех атомов. Таким образом, водород — ч основная составная часть звёзд и межзвёздного газа. В условиях звёздных температур (например, температура поверхности Солнца ~ 6000 °С) водород существует в виде плазмы, в межзвёздном пространстве этот элемент существует в виде отдельных молекул, атомов и ионов и может образовывать молекулярные облака, значительно различающиеся по размерам, плотности и температуре.

Водород встречается в виде трёх изотопов, которые имеют индивидуальные названия: 'Н— протий (Н), 2Н— дейтерий (В), 3Н — тритий (радиоактивный) (Т).

Протий и дейтерий являются стабильными изотопами с массовыми числами 1 и 2. Содержание их в природе соответственно составляет 99,9885 ± 0,0070% и 0,0115 ± 0,0070%. Это соотношение может незначительно меняться в зависимости от источника и способа получения водорода. Изотоп водорода 3Н (тритий) нестабилен. Его период полураспада составляет 12,32 лет. Тритий содержится в природе в очень малых количествах. Однако в связи с развитием ядерной индустрии и генетической значимостью трития как радиоактивного изотопа, зашита окружающей среды от его выбросов становится актуальной задачей.

В литературе приводятся также данные об изотопах водорода с массовыми числами 4— 7 и периодами полураспада 10~22— 10~23 с. Природный водород состоит из молекул Н2 и, НО (дейтероводород). Содержание дейтерия (Б2) в природном водороде равно примерно 0,015% (молекул).

Из всех изотопов химических элементов физические и химические свойства изотопов водорода отличаются друг от друга наиболее сильно. Это связано^с наибольшим относительным изменением масс атомов.

Практическое значение изотопов водорода заключается в том, что дейтерий (в виде «тяжелой воды» — Б20) является превосходным замедлителем нейтронов деления. Как следствие — энергетические реакторы с тяжелой водой в качестве замедлителя могут работать на природном уране, характеризуются высоким коэффициентом использования топлива и малым вкладом топливной составляющей в стоимость ядерных реакторов может быть использована для получения водорода из воды и служить, таким образом, энергетической базой развития водородной энергетики. Для разделения изотопов водорода используются различные методы и системы: ректификация воды, криогенная-ректификация электроэнергии на атомных электростанциях. По указанным причинам тяжеловодные реакторы занимают большое место в национальных программах по ядерной энергетике стран, не производящих обогащенного урана (Канада, Индия, Пакистан, Аргентина, Бразилия, Румыния и др.). Энерия водорода, двухтемпературный сероводородный способ, системы «аммиак-водород» и «водород — амины». Каждый способ выделения изотопов водорода имеет свои недостатки и используется на определенных этапах для конкретных целей.

Наряду с выше перечисленными системами большое внимание уделяется так же системе «вода — водород». Эта система выгодно отличается своей экологичностью, технологически удобными рабочими параметрами, высокими значениями коэффициента однократного эффекта разделения (а) и резкой зависимостью величины (а) от температуры (последнее обстоятельство чрезвычайно важно при получении 020 по наиболееэкономичной двухтемпературной схеме) [1]. К недостаткам системы «вода — водород» следует отнести необходимость проведения процесса в присутствии катализатора. Катализаторы, используемые в системе «вода-водород» можно разделить на два типа — гомогенные и гетерогенные.

Существует значительное число работ, посвященных поиску эффективных гомогенных катализаторов, в числе которых гидроксиды Ыа и К, а так же ряд комплексных соединений переходных металлов. Однако в настоящее время гомогенные катализаторы практически не используются И.

На сегодняшний день можно констатировать, что в мире существует два типа гетерогенных катализаторов процесса изотопного обмена водорода с водой пригодных для практического использования, а именно: К — С — тефлон и Pt — СДВБ. При этом ряд стран обладает собственной технологией приготовления того или иного, типа катализатора. Так Канада, Бельгия, Индия и Румыния ориентированы на создание катализатора Pt — С — тефлон. Катализатор другого типа разработан и применяется в России и Японии. О пригодности разработанной в России технологии производства катализатора говорит ряд положительных отзывов в литературе, обобщившей длительный опыт эксплуатации установок для разделения различных, в том числе, тритий содержащих изотопных смесей [3−5].

Однако, указанные катализаторы имеют ряд недостатков: не высокая термостабильность, недостаточно большая пропускная способность. Повышение термостабильности позволит использовать их, для получения тяжелой воды по двухтемпературной схеме. С развитием атомной техники появилась также необходимость перерабатывать все большие объемы некондиционной тяжелой воды и очищать воду от трития. Наиболее эффективное решение этих задач, может быть достигнуто при использовании двухтемпературной схемы. Развитие ядерной энергетики позволит производить большие количества водорода из воды, а не из природного газа (метана) как это делается в настояще время и ускорит развитие водородной энергетики.

Водородная энергетика — развивающаяся отрасль, основанная на использовании водорода в качестве средства для аккумулирования, транспортировки и потребления энергии людьми, транспортной инфраструктурой и различными производственными направлениями. Водород выбран как наиболее распространенный элемент на поверхности земли и в космосе, теплота сгорания водорода наиболее высока, а продуктом сгорания в кислороде является вода (которая вновь вводится в оборот водородной энергетики). Применение гидрофобных катализаторов в процессе низкотемпературного окисления водорода позволяет использовать свыше 90% энергии реакции, т. к, аккумулирующую тепло воду можно подавать непосредственно в зону реакции. В работе [6] было показано, что реакции изотопного обмена водорода и его окисления на высокоактивных гидрофобных катализаторах имеют одинаковую лимитирующую стадию процесса. Это обстоятельство позволяет использовать кинетические данные, полученные при изучении реакции изотопного обмена, для отбора наиболее перспективных катализаторов окисления водорода.

Таким образом, разработка эффективных гидрофобных катализаторов изотопного обмена водорода и его окисления является актуальной задачей на пути широкого практического использования атомно-водородной энергетики.

Выводы.

1. На основании результатов опытов по определению каталитической активности приготовленных катализаторов в отношении реакции изотопного обмена водорода с водой сформулированы условия отбора наиболее эффективных гидрофобных катализаторов в отношении реакции окисления водорода воздухом.

2. Найдены условия эксплуатации каталитического конвертора, обеспечивающие достижение требуемой степени конверсии (Т) при заданном расходе газовой смеси.

3. Показано, что окисление воздухом (при К>0.5) не влияет на величину степени превращения (Б) и устойчивость работы конвертора при заданном расходе газовой смеси, а величина степени использования тепла реакции (г|) не ниже 90%.

4. Предложена новая технологическая схема верхнего узла обращения потоков при очистке тяжелой воды от трития.

5. Установлено, что присутствие микропримесей (Си, М) может приводить при длительной эксплуатации (более 6000−8000 часов) к снижению начальной каталитической активности на 15−20%.