Плазменный электролиз как модельная система для изучения ХЯС

Вадим Петрович Гончар, к.т.н.. химик.

Область интересов — Энергонива, ХЯС

Плазменный электролиз  #ХЯС #LENR

Среди множества методов генерации плазменных образований, приводящих к возникновению трансмутации или других ХЯС-эффектов, плазменный электролиз видится нам наиболее удобным для репликации и проведения масштабных распределённых исследований, а также для приобретения первичных навыков работы с плазмой. К положительным сторонам работы именно с плазменным электролизом следует отнести простоту и дешевизну комплектующих для сборки экспериментальной установки, низкое энергопотребление, отсутствие мощных импульсных электрического и магнитного полей. Это позволяет широкому кругу энтузиастов собирать экспериментальные установки и работать с ними, не создавая особых неудобств (в виде электромагнитных помех, грохота разрядов и периодически выбиваемых пробок) для окружающих.

Кроме того, плазменный электролиз, как относительно маломощный источник плазмы, позволяет работать со статичными, непроточными ячейками, ограничиваясь только внешним охлаждением в водяной (или ледовой) бане. Отсутствие необходимости в сложной системе циркуляционного охлаждения не только существенно упрощает и удешевляет экспериментальную установку, но также позволяет избежать привнесения загрязнений, неизбежных в иных случаях.

Принципиальная электрическая схема простейшей экспериментальной ячейки приведена на рисунке 1. В качестве балластного сопротивления R1 целесообразно использовать электрочайник на 1,5…2кВт. Это не только сбережёт проводку в доме, но и позволит во время опытов освежаться ароматным чаем. Tr1 – это ЛАТР-2,5 -наиболее распространённая модель лабораторного автотрансформатора. D1 – выпрямительный мост с максимальным током 50А, желательно на радиаторе. С1 – сглаживающий конденсатор, желательно бумажный или другой, не чувствительный к импульсной нагрузке, ёмкостью 50…100мкФ.

В качестве собственно ячейки целесообразно использовать пластиковую ёмкость объемом 1…2 л. Стекло я не рекомендую по причине возможного разбития, металл будет корродировать, да и опасность непредусмотренного замыкания токоведущих частей резко возрастает.

Рабочий электролит – раствор соды в воде. Если подход серьёзный, и осадок планируется изучать, то вода должна быть дистиллированной, а сода (в таком случае её уже следует называть «карбонат натрия») должна иметь квалитет чистоты не ниже «чда».

Основное слабое место плазменного электролиза – быстрый нецелевой износ плазмирующего электрода (это тот электрод, площадь которого на несколько порядков меньше второго (обычно 10…20 мм²), и на котором зажигается «плазменная рубашка»). В случае плазмирующего анода это легко объяснимо – плазма из атомарного кислорода съедает даже платину. Но плазмирующий катод тоже быстро изнашивается. Мы полагаем, причина здесь в образовании летучих гидридов металлов.

В любом случае, наилучшим из доступных материалов для плазмирующего электрода является вольфрам. Второй электрод может быть либо графитовым (если это анод), либо из любого металла – если это катод.

На установке, аналогичной описанной выше, нами была проведена серия экспериментов по установлению факта трансмутации в таких мягких условиях. Сегодня мы расскажем об эксперименте с плазменным вольфрамовым катодом и графитовым анодом.

В качестве катода был использован вольфрамовый пруток диаметром 2 мм. Анодом служил тигель из химически-чистого графита. Эксперимент проводили в двух растворах карбоната натрия: 0,3М и 1М. В ходе эксперимента напряжение на ячейке плавно повышали ЛАТРом с 0 до 200 В для установления стабильной плазменной рубашки Ток при этом достигал 7А для 0,3М раствора и 10А для 1М раствора. По мере развития плазменной рубашки, ток падал, и достигал минимума при формировании псевдо-дугового разряда (о формах и стадиях плазменного катода мы, я надеюсь, ещё поговорим). Так как такая форма разряда приводит к быстрому выгоранию катода, после её достижения ячейка выключалась, электролит заменялся свежим и процесс повторялся. Осадок отделялся от обработанного электролита после каждой экспозиции фильтрованием на бумажном обеззоленом фильтре «белая лента». После наработки достаточного для анализа количества порошка катод был дополнительно освобождён от возможных отложений путем обработки в том же электролите переменным током. Полученный осадок отфильтрован на том же фильтре.

Итак, в ходе эксперимента были получены две пробы осадка. Сразу после осаждения осадок, полученный в 0,3М электролите, был чёрного цвета. Осадок из более концентрированного электролита, напротив, был светло-голубого цвета, почти белым. Этот признак и был положен в основу маркировки образцов.

После промывки дистиллированной водой, фильтры с образцами были кальцинированы до полного выгорания органической части. Масса полученных порошков составила 23 мг («чёрный» образец) и 19 мг («белый» образец) соответственно. Как видно, количество осадка крайне мало. Это является вторым существенным недостатком плазменного электролиза, так как требует от экспериментатора очень большой аккуратности в работе с образцами во избежание их потери или загрязнения. Но, тем не менее, это количество вполне достаточно для проведения анализа современными физико-химическими методами. Результаты такого анализа приведены на рисунках 2 и 3.

Рис 2. Белый осадок

Рис.3 Черный осадок

Итак, результаты анализа вполне однозначно свидетельствуют о протекании процессов трансмутации при плазменном электролизе. В обеих случаях наработано значимое количество кремния, фосфора и серы. Эти элементы совершенно однозначно отсутствуют в вольфраме. В то же время, именно эти элементы, наряду с железом, наиболее часто упоминаются в качестве продуктов трансмутации. Кстати, железа в наших опытах обычно получается очень мало, в отличие от результатов, публикуемых другими исследователями. Также обращает на себя внимание высокое содержание кальция (13%) в образце «чёрный» и лантана (почти 11%) в образце «белый». Особо следует отметить, что практически все элементы, обнаруженные в осадке, находятся выше-левее вольфрама в периодической таблице элементов Д.И. Менделеева, что означает, что в ходе плазменного электролиза наиболее часто реализуются «распадные» каналы трансмутации. Единственным исключением является висмут в образце «чёрный». Следует подчеркнуть, что висмут, наряду со свинцом, наиболее часто встречающиеся представители «синтезных» каналов трансмутации в экспериментах с плазменным электролизом, независимо от условий проведения опытов.

Холодный синтез при плазменном электролизе воды

Введение

Холодный ядерный синтез — первая гипотеза об источнике дополнительной энергии при обычном электролизе тяжелой воды. Авторами этой гипотезы являются американские электрохимики Флешман и Понс [1]. Они объявили об этом в 1989 году. С тех пор в разных странах проведено большое количество экспериментов по получению дополнительной энергии из воды [2], [3], [7], [8], [9], [10], [11], [12]. Мы продолжаем обсуждать эту проблему.

Рис. 1.

Схема плазмоэлектролитического генератора смеси газов: 1-крышка реактора; 3-корпус реактора; 6-катод; 9-анод; 11-дозатор раствора; -охладитель; 20-патрубок для выхода газов, 23-анемометр [6], [12].

 

 

 

Экспериментальная часть I

Для проверки этой гипотезы были проведены следующие эксперименты. Изготовлены два катода массой 18,10 г и 18,15 г из железа. Первый катод проработал 10 часов в растворе KOH, а второй проработал такое же время в растворе NaOH. Масса первого катода не изменилась, а второго уменьшилась на 0,02 грамма. Плазмоэлектролитический реактор работал при напряжении 220 Вольт и силе тока (0,5-1,0) Ампера (Рис. 1). При этом показатели расхода раствора и генерируемых газов оказались такими (Табл. 1).

 

 

 

Таблица 1 Результаты эксперимента

Показатели	Расход воды, кг	Объём газов, м3	Затраты энергии, кВт’ч/м3
KOH	0,272	8,75	0,28
NaOH	0,445	12,66	0,21

Известно, что из одного литра воды можно получить 1220л водорода и 620 л кислорода. Как видно (Табл. 1), количество газов, генерируемых плазмоэлектролитическим процессом, значительно больше, чем можно получить их из расходуемой воды [6]. Это дает основание считать, что источником этих газов являются не только молекулы воды, но и ядра щелочных металлов, а также ядра атомов материала катода. Для проверки этого факта и был проведен анализируемый эксперимент.

Известный японский ученый (соавтор этой статьи) Тадахико Мизуно, работающий в исследовательской лаборатории ядерных материалов, Университет Хоккайдо, Япония, любезно согласился провести химический анализ образцов катодов методом ядерной спектроскопии (EDX). Вот результаты его анализа. Содержание химических элементов на поверхности неработавшего катода оказалось следующим: (Табл. 2).

Таблица 2

Химический состав поверхности катода до работы в растворе

Элемент	Fe
%	99,90

На рабочей поверхности катода, работавшего в растворе KOH, появились новые химические элементы (Табл. 3).

Таблица 3

Химический состав поверхности катода, работавшего в растворе KOH

Элемент	Si	K	Cr	Fe	Cu
%	0,94	4,50	1,90	92,00	0,45

Химический состав поверхности катода, работавшего в растворе NaOH, оказался другим (Табл. 4).

Таблица 4 Химический состав поверхности катода, работавшего в растворе NaOH

	Элем.	Al	Si	Cl	K	Ca	Cr	Fe	Cu
	%	1,10	0,55	0,20	0,60	0,40	1,60	94,00	0,65

Теоретическая часть

Многочисленные научные эксперименты показали, что при плазменном электролизе воды устойчиво генерируется до 50% дополнительной тепловой энергии. Это в свою очередь, имеет значительно меньшие результаты расчетов, следующих из уже существующих на сегодняшний день теорий холодного ядерного синтеза. Именно поэтому сегодня появилась необходимость проведения анализа энергетики процесса зарождения  частиц при трансмутации ядер атомов [6].

 

Рассматривая модель электрона, нами было установлено, что он может существовать в свободном состоянии только при условии строго определенной для него электромагнитной массе [6].  Когда он соединяется с ядром атома, то часть его энергии излучается в виде фотонов, и за счет этого, его электромагнитная масса уменьшается. Однако, стабильность его состояния, тем не менее, при этом не ухудшается, оставаясь неизменной, так как энергия, унесенная фотоном, компенсируется энергией связи электрона с атомным ядром [6].

 

Когда температура окружающей среды повышается, то электрон начинает поглощать тепловые фотоны, переходя таким образом, на более высокие энергетические уровни атома, а связь с атомным ядром тем временем уменьшается. Когда электрон становится свободным, то в связь с атомом вступает только тогда, когда температура окружающей среды вновь понижается.  Чем ниже становится температура, тем больше излучается электроном фотонов, а сам он опускается на более низкие энергетические уровни [6].

 

При условии, что электрон оказывается свободным в результате случайного внешнего воздействия на атом, а  в окружающей среде он не находит необходимых ему фотонов для восстановления своей массы, то он немедленно начинает поглощать эфир из окружающей среды и восстанавливать, таким образом, свои константы: массу, заряд, магнитный момент, спин и радиус вращения. Устойчивое свободное состояние электрон может приобрести только в том случае, если восстановлены все его константы. [6].

 

Таким образом, получается, что, если между свободным состоянием электрона и состоянием его связи с атомным ядром будет происходить периодическая смена в результате случайных воздействий на атом, то электрон каждый раз будет восстанавливать свою электромагнитную массу за счет поглощения эфира из окружающей среды. То есть фактически он выполняет роль преобразователя энергии эфира в энергию тепловых фотонов.

 

Японские ученые-исследователи Охмори и Мизуно [4] зафиксировав нейтронное излучение при плазменном электролизе воды, сообщили миру о том, что источником этого излучения может быть не только атомно-ядерный процесс, но и процесс захвата электронов свободными протонами. Поскольку при плазмоэлектролитическом процессе водного электролиза  генерируется водородная плазма, в которой могут существовать в свободном состоянии и протоны, то имеется вероятность процесса захвата этими частицами свободных электронов.

 

Известно, что масса покоя электрона m_e = 9,109534 10^—31 кг , масса покоя протона m_p = 1,6726485 -10^—27 кг , а масса покоя нейтрона m_n = 1,6749543 10^—27кг . Разность между массой нейтрона и протона оказывается равной Am_np = 23,058 -10^—31 кг . Это составляет 23,058 10^-31 /9,109 10^—31 = 2,531 масс электрона. Таким образом, чтобы протон стал нейтроном, он должен захватить 2,531 электрона. Поскольку поглощается только целое число электронов, то возникает вопрос: куда девается остаток массы (3,0 — 2,531)m_e = 0,469m_eэлектрона? Современная физика нарушенный баланс масс в этом процессе объясняет просто: рождением нейтрино. Поскольку нейтрино не имеет заряда, то зарегистрировать его очень трудно. Если нейтрино уносит лишнюю массу или приносит недостающую, то не могут ли этот процесс выполнить сами элементарные частицы?

 

Поскольку фотоны могут излучать и поглощать только электроны, то протон, поглощающий электроны, не способен превращать остаток массы третьего электрона в фотон. Если электрон поглощается третьим и более половины своей массы отдает протону, для того, чтобы тот смог превратиться в нейтрон, то оставшаяся часть его массы, которая не имеет возможности стать фотоном, превращается в порцию эфира, которая «растворяется» и смешивается с эфиром окружающей среды. Доказательства этого процесса ученые уже предоставили: это отсутствие в составе плазмы фотона с массой, соответствующей той части массы третьего электрона, которую не поглотил протон при превращении в нейтрон. Рассчитать  энергию такого фотона очень просто.

Для этого необходимо знать разность между массой нейтрона и протона, которая равняется Δm_np = 23,058 -10 ³¹ кг . Если вычесть эту величину из массы трех электронов, то получим массу m_F , из которой должен сформироваться фотон m_F = 3m_e —Δm_np = 3 — 9,109534 -10^—31 — 23,05810 ^—31 кг.

 

Если из этого остатка массы сформируется фотон, то его энергия будет равна

E_ph= Am^np ■ C² =  23,058-10^-31 • (2,998-10⁸)² / 1,602 -10^-19 = 1,294 • 10^б eV (3)

 

Эта величина энергии соответствует рентгеновскому спектру, поэтому рождение каждого свободного нейтрона должно сопровождаться рождением одного рентгеновского фотона. Если происходит по-другому, то остается только два выхода: 1 — считать, что при рождении нейтрона, в рассматриваемом случае, из массы образовалось нейтрино и испарились безвозвратно; 2 — в рассматриваемом процессе отсутствовали условия для формирования фотонов и масса, не оформившись ни в какую частицу, «растворилась» в эфире. Какой вариант ближе к истине, ответить довольно сложно. Точного ответа на сегодняшний день еще нет, но известно, что японские исследователи зафиксировали при плазменном электролизе воды только нейтронное излучение с интенсивностью порядка 50000 нейтронов в секунду и не зафиксировали рентгеновское излучение. [4].

 

Если бы при этом процессе рождались рентгеновские фотоны, то это бы не  повышало бы тепловую эффективность течения плазмоэлектролитического процесса, так как это не тепловые фотоны, которые излучаются и поглощаются при энергетических переходах электронов на самых удаленных от ядер атомов энергетических уровнях, где генерируются инфракрасные и близкие к ним из оптической области спектра фотоны с энергиями (0,001-3,3)eV (Табл. 5).

Таблица 5

Диапазоны шкалы электромагнитных излучений
Диапазоны	Длина волны, м	Энергия, eV
1. Низкочастотный	X» 107…104	E »10-15…10-11
2. Радио	X» 104 10-1	E »10-11…10-б
3. Микооволновый	X» 10-1 10-4	E »10-б…10-3
4. Реликтовый (макс)	X» 110-3	E »1,2 -10-3
5. Инфракрасный	X» 10-4…7,7-10-7	E »10-3…1,б 10-2
6. Световой	X» 7,7 10-7…3,8-10-7	E »1,6 -10-2…3,27
7. Ультрафиолетовый	X» 3,8• 10-7…10-9	E » 3,27… 1 • 102
8. Рентгеновский	X» 10-9. 10-12	E »102…105
9. Гамма диапазон	X» 10-12…10-18	E » 105…109

 

Из этого получается, что процессы синтеза нейтронов при плазменном электролизе воды не будут генерировать дополнительную тепловую энергию. Однако появление нейтронов в плазме будет способствовать тому, что в ней будут образовываться ядра дейтерия и, возможно, трития. Поскольку при этих процессах баланс масс почти не изменяется, то оснований ждать в итоге появления дополнительной энергии при формировании ядер дейтерия и трития нет. Однако она обязательно появляется при синтезе атомов дейтерия и трития, то есть атомов водорода.

 

Чтобы стать протоном, нейтрон должен излучить нечто с массой Δm_np 23,058 • 10^-31кг. Переведем эту массу в энергию.

E_ph= Δm_np ■ C² =   23,058-10^-31 • (2,998-10⁸)^{2  /} 1,602 *10^-19 = 1,294 • 10^б eV (3)

Эта энергия соответствует фотонам гамма диапазона, которые не относятся к тепловым фотонам, и поэтому этот процесс не дает дополнительной энергии. Таким образом, если при плазменном электролизе воды идет процесс рождения атомов гелия, то он должен сопровождаться гамма излучением. Если этого излучения нет, а атомы гелия все-таки образуются, то указанную порцию массы Δm_np уносит нейтрино или же эта масса, не имея возможности оформиться в фотон, «растворяется» в окружающем среде, переходя в эфирное состояние [6]. Поскольку рентгеновские фотоны и гамма фотоны не являются тепловыми, то процессы рождения нейтронов и протонов не дают в этом случае избыточной тепловой энергии.

 

Возможен и другой вариант прохождения этого процесса. Атомы щелочного металла, атакуя атомы катода, сами полностью разрушаются и разрушают следом атомы материала катода. Под понятием «полностью» при этом следует понимать такое состояние, когда разрушаются и атом, и его ядро. Тогда протоны, освободившиеся из  разрушившихся ядер, начинают формировать атомы водорода. И тогда процесс синтеза атомов и молекул водорода генерируют дополнительную тепловую энергию [6].

 

Если провести предварительный анализ полученных данных (Табл. 2, 3, 4) с учетом моделей ядер атомов [6], то можно будет увидеть следующие результаты. Во-первых, железо является материалом катода, таким образом, ядра его атомов – это мишени ядер атомов щелочного металла калия (Табл. 3). Когда происходит  трансмутация ядер железа (Рис. 2b), то  образуются ядра атомов хрома (Рис. 2a) и ядра атомов меди (Рис. 2с) [6].

 

Посчитать, что при разрушении одного ядра атома калия и рождении одного ядра атома кремния образуется 5 свободных протонов и 6 свободных нейтронов, то есть 11 нуклонов, совсем не трудно.

a) Cr (24,28)                                b) Fe (26,28)                        c) Cu (29,34)

Рис. 2

При превращении ядра атома железа (Рис. 2b) в ядро атома хрома (Рис. 2а) освобождается два протона и два нейтрона, из которых может образоваться или два атома дейтерия, или один атом гелия. Если же нейтроны превратятся в протоны, то образуется четыре атома водорода.

 

Нетрудно видеть (Рис. 2), что ядро атома железа (Рис. 2b) должно потерять два верхних протона и два нейтрона для превращения в ядро атома хрома (рис. 2a).

 

Для образования ядра атома меди (Рис. 2с) из ядра атома железа требуется дополнительно 3 протона и 6 нейтронов, всего 9 нуклонов. Так как на поверхности катода (Табл. 3) атомов хрома, которые, как мы предполагаем, образовались из ядер атомов железа, почти в четыре раза больше, чем атомов меди, то в растворе, несомненно, присутствуют лишние протоны и нейтроны разрушенных ядер атомов железа, и мы можем определить их примерное относительное количество.

 

Допустим, четыре ядра атомов железа становятся ядрами атома хрома. Тогда общее количество свободных протонов и нейтронов (нуклонов) оказывается равным 16. Поскольку на каждые четыре атома хрома приходится один атом меди, то на формирование одного ядра атома меди расходуется 9 нуклонов, и 7 нуклонов остаются свободными.

 

Посмотрим, что образуется при разрушении ядра атома калия. Калий расположен в первой группе четвертого периода Периодической таблицы химических элементов. Его ядро содержит 19 протонов и 20 нейтронов (Рис. 3а) [6].

 

На рис. 3а видно слабое звено ядра атома калия [6]. Оно расположено в середине его осевых нейтронов. При трансмутации ядер атомов калия могут образоваться ядра атомов кислорода (Рис. 3b) и его изотопов, а также ядра атомов кремния (Рис. 3с).

 

Анализ структуры ядра атома калия (Рис. 3а) показывает, что оно является наиболее вероятным источником ядра атома кремния (Рис. 3b), атомы которого появляются на катоде (Табл. 3).

 

Нетрудно посчитать, что при разрушении одного ядра атома калия и рождении одного ядра атома кремния образуется 5 свободных протонов и 6 свободных нейтронов, то есть 11 нуклонов.

 

a) K (19,20)                      b) O (8,8)                                 c) Si (14,14)

Рис. 3.

Схемы ядер атомов: а) калия, b) кислорода, с) кремния

Таким образом, трансмутация ядер атомов железа и атомов калия приводит к образованию свободных протонов и нейтронов. Однако протоны не могут существовать в свободном состоянии, поэтому из них рождаются атомы водорода. Если же положительно заряженные частицы соединяются с нейтронами, после тог, как  ядра атомов железа и калия будут разрушены, то возможно образование дейтерия, трития и гелия.

 

Стоит обратить внимание на тот факт, что в материале катода отсутствуют атомы натрия. На катоде, работавшем в растворе KOH (Табл. 3), появились атомы калия, что вполне естественно. Но вопрос — почему атомы натрия отсутствуют на катоде, работавшем в растворе NaOH, остался. На сегодняшний день ответ только один:  ядра атомов натрия полностью разрушаются при плазмоэлектролитическом процессе. При этом наличие калия на поверхности катода, работавшего в растворе NaOH, (Табл.4) можно объяснить также и нетщательной промывкой реактора после работы с раствором KOH.

a) Na (11,12)                                       b) Al (13,14)                                     c) Cl (17,18)

Рис. 4

Схемы ядер атомов: а) натрия, b) алюминия, с) хлора

 

Поскольку при разрушении ядра атома натрия появляются свободные протоны и нейтроны, то некоторые ядра этого элемента начинают достраиваться до ядер атомов алюминия (Рис. 4b), хлора (Рис. 4с) и кальция (Рис. 5). Если знать общее количество трансмутирующих ядер атомов железа, калия и натрия, и точный состав генерируемых газов при плазмоэлектролитическом процессе, то можно было бы определить ядра атомов, формирующихся из дополнительных нуклонов. Сейчас можно только предполагать, что протоны составляют большую часть новых ядер, то есть ядра атомов водорода. Этим и объясняется увеличенный объем газов, генерируемых при плазмоэлектролитическом процессе

Ca (20,20)   Рис. 5.

Схема ядра атома кальция

 

 

 

 

 

То, что атомы натрия отсутствуют на поверхности (Табл. 4), означает, что ядра этого элемента, несомненно, разрушаются при плазмоэлектролитическом процессе. Поскольку относительное количество образующихся при этом атомов алюминия, хлора и кальция, оседающих на катоде, невелико, то раствор NaOH, генерирует больше газов, чем раствор KaOH (Табл. 1)

 

Проводя анализ приведенных выше таблиц, можно сказать, что трансмутация ядер железа, из которого изготовлены катоды, приводит в обоих случаях к тому, что образовываются атомы хрома и меди. Из разрушенных ядер натрия, как видно, образуется алюминий, хлор и кальций. У всех этих процессов есть одно общее свойство – это формирование свободных протонов и нейтронов.

 

Но, стоит заметить, что не все свободные протоны и нейтроны расходуются на формирование новых ядер атомов алюминия, хлора и кальция. Часть этих частиц  идет на формирование атомов водорода. Таким образом, в каждом случае, происходит синтез атомов и молекул водорода. Проведенный анализ показал, что плазмоэлектролитический процесс извлекает из одного литра раствора не более 0,005 кг щелочного металла. То есть, можно сделать вывод о том, что если все нейтроны ядер атомов молекул воды и щелочных металлов перевести в протоны и образовать атомы и молекулы водорода, то образующийся объём газа будет значительно меньше зафиксированного в эксперименте (Табл. 1). Возник вопрос: откуда берутся дополнительные газы? Для поиска ответа на этот вопрос был поставлен другой эксперимент.

 

Экспериментальная часть II

Высокая температура плазмы формирует условия, при которых у катода идет комплекс различных процессов. Прежде всего, вода нагревается до кипения и испаряется. Одновременно часть молекул воды разрушается с выделением атомарного водорода, другая часть молекул воды формирует молекулы ортоводорода. Часть молекул воды разрушается полностью, и у катода выделяется вместе с водородом и кислород. Часть водорода вновь соединяется с кислородом, генерируя микровзрывы (шум) и образуя воду.

 

При плазменном электролизе воды выделяются водяной пар, водород и кислород одновременно. Если пар конденсировать, то выделится смесь газов. Для измерения скорости потока газов применялся как обычный, так и электронный анемометры. Диаметр электронного анемометра был равен внутреннему диаметру трубки для выхода газов (23, Рис. 1). Его показания регистрировались и обрабатывались компьютером. Эксперимент повторялся десятки раз, и каждый раз его показатели воспроизводились с небольшими отклонениями [11]. Однако мы не имели анализатора водорода, поэтому, полученные результаты не могли признать окончательными. Об этом мы предупреждали во всех изданиях книги «Вода — новый источник энергии» такой записью: «Мы пока воздержимся придать этим результатам официальный статус с надеждой получить необходимое финансирование и повторить их с полным набором необходимых приборов» [12, стр. 176].

 

В середине 2002 года небольшое финансирование поступило, что позволило изготовить новый реактор и приобрести некоторые измерительные приборы, в частности весы с пределом измерения до 600 г и точностью 0,02 г. Тщательная подготовка, позволила значительно увеличить длительность непрерывной работы реактора и зафиксировать расход раствора на получение газов.

 

Сложность работы с водородом заключается в том, что его смесь с воздухом (4-74)% или кислородом (4 — 94)% взрывоопасна, и этот факт многократно фиксировался при испытаниях, заставляя испытателей проявлять особую осторожность. Вторая сложность при измерении количества водорода, генерируемого плазмоэлектролитическим реактором, заключается в том, что его молекула имеет наименьшие размеры, поэтому легко проникает туда, где молекулы других веществ не проходят. Молекулярный водород легко диффундирует даже в металлы [39]. Один объем палладия, например, поглощает до 800 объемов водорода.

 

Известно, что из одного литра воды можно получить 1220 л водорода и 620 л кислорода. Количество газов, генерируемых плазмоэлектролитическим процессом значительно больше, чем можно получить их из расходуемой воды (Табл. 1). Что явилось веским основанием для поиска ошибки измерений. Для этого была использована схема измерения скорости потока газов и их количества (Рис. 6).

Рис. 6.

Схема измерения скорости газового потока и его объёма: 1- кран для переключения направления движения газового потока, 2 — анемометр, 3 — мерная ёмкость, 4 — ёмкость с водой

Результаты измерений оказались такими. Анемометр показал, что через него за 10 минут прошло 200 литров газовой смеси. В мерной ёмкости за это время оказалось около одного литра газов. Таким образом, измерение газового потока с помощью анемометра искажало результат в 200 раз.

 

Происходит это потому, что плазма разрушает молекулу воды на водород и кислород, и если эти газы контактируют с плазмой, то водород вновь соединяется с кислородом, и образуется вода. Шум, генерируемый плазмой, это микровзрывы водорода. Импульсы этих микровзрывов и увеличивают показания анемометра. С учетом изложенного, чем больше образовавшегося водорода сгорит в плазме, тем меньше его будет в парогазовой смеси. Следовательно, нужны такие режимы работы реактора, при которых количество сгоревшего водорода было бы минимально (Табл. 5).

 

ПРОТОКОЛ

испытаний первой модели низкоамперного электролизёра

Известно, что из 1 мл можно получить 1,22 л H₂ + 0,62 л O₂ = 1,84 л ( H₂ + O₂ )

Таблица 6 Результаты эксперимента

Показатели	1	2	3	Сред.
1-длительность эксперимента, час	1	1	1	1
2-напряжение, В	70	70	70	70
3-ток, А	0,038	0,080	0,098	0,072
4 — мощность, Вт	2,7	5,60	6,44	4,91
4-объём, израсходованного раствора, мл	1,67	3,98	4,32	3,32
5-плотность раствора, кг/л	1,04	1,04	1,04	1,04
6-объём, израсходованной воды, мл	1,60	3,83	4,15	3,19
7-объём, полученной смеси газов, л	2,95	7,06	7,85	5,95
6-объём, полученного водорода, л	1,95	4,67	5,07	3,80
7-расход энергии на 1 литр водорода, Ватт-ч/литр	1,38	1,20	1,27	1,28
8-расход энергии на 1м3 водорода, кВтч/м3	1,38	1,20	1,27	1,28

 

Заключение

При плазменном электролизе воды протекает трансмутация ядер атомов щелочных металлов и ядер атомов материала катода. Плазмоэлектролитический процесс открывает новые перспективы изучения материи на ядерном, атомарном и молекулярном уровнях. Низкоамперный электролиз воды — наиболее перспективный процесс уменьшения затрат энергии на получение водорода из воды.

 

Литература

1.     M. Fleischmann, S. Pons and M. Hawkins. Electrochemically Induced Nuclear Fusion of Deiterium. J. Electroanal. Chem. 261, 301 (1989).

2.     73. ICCF — 7 ACCEPTED ABSTRACTS. Infinite Energy. V 4, Issue 20, p. 59…69.

3.     Херольд Л. Фокс. Холодный ядерный синтез: сущность, проблемы, влияние на мир. Взгляд из США. Производственная группа «СВИТЭКС» М:. 1993, 180 с.

4.     T. Ohmori, T. Mizuno. Strong Excess Energy Evolution, New Element Production, and Electromagnetic Wave and/or Neutron Emission in Light Water Electrolysis with a Tangsten Cathode. Infinite Energy. Issue 20, 1998. Pages 14-17.

5.     T. Mizuno. Nuclear Transmutation: The reality of Cold Fusion. Infinite Energy Press. 1998. 151 pages.

6.     Ph. Kanarev. Foundations of Physchemistry of Microworld. Krasnodar 2002. 330 pages. (In Russian and in English).

7.     Kenneth R. Shoulders, «Method of and Apparatus for Production and Manipulations of High Density Charge», U.S. Patent 5,054,046, issued Oct 1, 1991.

8.    Ken Shoulders & Steve Shoulders, «Observations on the Role of Charge Clusters in Nuclear Cluster Reactions», J. of New Energy, vol. 1, no 3, pp 111-121, Fall 1996, 7 refs, 22 figs.

9.     Hal Fox, Robert W. Bass, & Shang-Xian Jin, «Plasma-Injected Transmutation», J. of New Energy, vol. 1, no 3, Fall 1996, pp 222-230, 23 refs, 4 figs.

10.     Shang-Xian Jin & Hal Fox, «High Density Charge Cluster Collective Ion Accelerator,» J. of New Energy, vol. 4, no 2, Fall 1999, pp 96-104, 47 refs, 4 figs., 3 tables.

11 .  Kanarev. Water is the Main Power Carrier of Future Power Engineering. Journal of New Energy. An International Journal of New Energy stems. Vol. 6, No.2. Pag. 101-121.

12.  Ph.M. Kanarev. Water is New Source of Energy. The Third Edition. Krasnodar 2002. 194p. (In English).

 

Плазменный способ генерации тепла — Альтернативная энергия в Республике Молдова

1. Общие положения

Первоначально направление плазменного электролиза рассматривалось как раздел классической электрохимии, дополненный гипотезой о вкладе в инициирование химических реакций излучения разряда, а позже – радиационно-химических эффектов, вызываемых бомбардировкой поверхности раствора генерируемыми в плазме ионами. При “классическом” электролизе водных растворов электролитов выделение основных газообразных продуктов кислорода и водорода связано с электродными процессами разрядки ионов гидроксила и гидроксония.

Если в качестве таких электродов выступает контактирующая с раствором плазма, ситуация меняется. Наблюдается выделение гремучего газа, не описываемое законом Фарадея. Выходы по току кислорода и водорода, наблюдавшиеся в тлеющем и контактном разрядах при всех условиях значительно превышают единицу. Электролитические процессы известны давно и широко используются в химической промышленности. Плазмоэлектролитические процессы выявлены сравнительно недавно, поэтому пока не существует ни физической, ни химической теорий этих процессов. Предварительный анализ показывает, что полное описание плазмоэлектролитического процесса не может базироваться на чисто физических или чисто химических представлениях. Это – взаимосвязанные физико-химические процессы, поэтому разделить их на физические и химические можно лишь условно.

Устойчивое получение плазмы достигается при разной площади положительного и отрицательного электродов.
При погружении стержневого электрода диаметром 4мм. в электролит более чем на 10мм. и подаче напряжения от 0 до 250-ти вольт плазма не загорается. На электродах с повышением напряжения увеличивается газовыделение и растет ток.

В случае, когда стрежневой электрод опущен на 3-4мм ниже мениска, то при напряжении на электродах 60-70 вольт начинаются искровые пробои в области газовыделения водорода. Плавно повышая напряжение, растет характерный гул, искровые пробои переходят в стационарное горение плазмы. Превышение напряжения свыше 150 вольт ведет сначала к плавлению вольфрамового стержневого электрода, а затем к его закипанию. Концентрацию электролита и температуру приходится менять в зависимости от параметров ячейки. Основное исследование проводилось в щелочном электролите.
Повышение напряжения приводит к изменению силы тока в цепи, характерная закономерность которого показана в приведенном графике.

Вначале, при повышении напряжения линейно, в соответствии с законом Ома, растет сила тока. Затем, при напряжении более 40 Вольт закон Ома нарушается, а при напряжении около 100 Вольт (точки 5 – 6) сила тока уменьшается скачкообразно, и у катода появляется яркое свечение (плазма). Дальнейшее принудительное уменьшение напряжения (точки 6 – 15) незначительно изменяет силу тока. При напряжении около 60 Вольт (точки 14 – 15) свечение у катода исчезает, сила тока скачкообразно увеличивается почти до прежней величины.
Свечение в электролите Na2СО3 –оранжевое. При подплавлении электрода и меньшей площади соприкосновения плазмы с электролитом, свечение переходит в фиолетовый цвет. В это время потребление тока уменьшается в несколько раз.

Дозиметрический замер излучения проводился бытовым дозиметром ЮПИТЕР СИН-05 в течении 30 мин. со снятием показаний через 1 мин. до включения установки и после. Дозиметр находился на расстоянии 10см от ячейки. Результаты сведены в нижеприведенную таблицу.

Как видно из таблицы горение плазмы сопровождается снижением природного фона радиации около ячейки. Теоретическое объяснение и выводы этого явления еще предстоит сделать. Нас в первую очередь интересовал аномальный выход водорода, вырабатываемый при плазменном электролизе, предсказываемый профессором Канаревым Ф.М. Как он отмечает в своей работе, возможно аномальное тепловыделение и выделение водорода, превышающее выход по току в 10 раз на некоторых режимах работы. Вот эти «некоторые режимы» и предстояло найти.
Прежде всего, объем плазмы необходимо было поместить внутрь проточного реактора. С этой целью нами был изготовлен пробный проточный реактор.
Изучив поведение плазмы и газовыделение в малом замкнутом объеме, был изготовлен лабораторный реактор из кварцевого стекла большего размера с принудительной циркуляцией электролита.
Питание реактора осуществлялось переменным током промышленной частоты, 220 вольт. В качестве большего по площади электрода служила металлическая сетка с мелкой ячейкой. При циркуляции электролита плавление центрального вольфрамового электрода не наблюдалось. По истечении сорока минут работы в таком режиме центральный электрод подвергся эрозии и электролит приобрел бурый оттенок. После отстаивания осевший порошок имел «ржавый» цвет. Из этого следует, что прямое подключение к сети электропитания реактора, недопустимо в длительном режиме.
Сравнительные замеры тепловыделения проводили в двух открытых идентичных аквариумах. В одном происходил омический нагрев электролита, в другом нагрев за счет плазменного электролиза. Электрическую энергию измеряли бытовым электросчетчиком (из-за нелинейности потребления тока) по количеству оборотов.

Начальная температура электролита-25°С. Объем-9л. Концентрация Na2СO3 -35г/л. Ток переменный-220 вольт. После включения электропитания, начинали отсчет оборотов электросчетчика. В том и другом случае количество потребленной электроэнергии было одинаковым (480 оборотов). Температура в аквариуме, где горела плазма, была на 9°C выше, чем в аквариуме, где был омический нагрев. Следует также учесть, что теплоотдача в процессе нагрева в окружающую среду у «плазменного» аквариума была- 21мин, а второго-11мин. Разница в тепловыделении увеличивается, если опыт начинать с температуры электролита выше 65°C. На этом этапе не были исследованы все параметры (переменный, постоянный ток, концентрация электролита и его состав, оптимальное напряжение и т.д.) , при которых нагревание электролита плазмой максимально в сравнении с омическим нагревом. Вдохновившись первыми успехами аномального выделения тепла, тем более без учета энергии выделившегося водорода, мы перешли к количественным замерам выделения газов.

Был изготовлена электролитическая установка с водяным затвором  для сбора выделяющихся газов. Дно электролитической ячейки из металла служило плоским анодом. В крышке сделано отверстие под вольфрамовый стержневой катод в фарфоровой трубке.

При включении электропитания загорается плазма, идет выделение газов. В водяном затворе видно появление пузырьков, но их количество интуитивно не соответствует потребляемому току.

Как оказалось герметичность верхней крышки не способна задержать водород из-за его сильной проникающей способности. Был выбран другой вариант электролитической ячейки. Перевернутая стеклянная емкость, заполненная электролитом, помещалась на кронштейнах в аквариуме. Снизу подводился изолированный электрод (-).
Плоский электрод (+) из нержавеющей стали, находился в стороне. Выделение в плазме водорода и паров воды вытесняло электролит из стеклянной мерной емкости. После конденсации паров и остывания емкости до комнатной температуры проводился объемный замер выделившегося водорода. На некоторых режимах работы звуковое излучение плазмы приводило к появлению Большого Кавитационного Пузырька (БКП), описанного в работе Маргулиса М.А.

«Звукохимические реакции и сонолюминесценция». Его перемещение в объеме носило хаотический характер. Влияние (БКП) на стимуляцию выделения водорода не исследовалось.
По первому закону Фарадея, количество (в нашем случае объем) выделившегося вещества пропорционально току и времени его прохождения через раствор. Сравнительные опыты выделения водорода при плазменном и обычном электролизе показали, что имеет место нарушение закона Фарадея. В нашем эксперименте по плазменному электролизу, водорода выделилось на 2/3 больше. В кислотном электролите h3SO4 этот показатель еще выше, чем в щелочном. Влияние концентрации и температуры электролита на выделение водорода при плазменном электролизе досконально не исследовано. Учитывая аномальное тепловыделение плазмы, плюс энергию, которую содержит выделяющийся водород, мы сочли возможным сделать установку, в которой энергия сгорания водорода будет идти на нагрев электролита и как следствие создание экономичного теплогенератора.

Сбор в одной емкости кислорода и водорода в большом количестве опасно по причине взрыва. Поэтому мы разместили электроды (один стержневой и кольцевой электрод на одном держателе) ближе к верхней части толстостенной стеклянной емкости примерно так, чтобы объем был около300мл. Включение установки сопровождается появлением плазмы и интенсивным понижением уровня электролита в колбе. В случае если в колбе находится только один электрод, (-) то водород, вытесняя электролит и «дотронувшись» плазмы, гасит ее и прекращается процесс электролиза. Когда же собирается под колбой гремучий газ, то при достижении газовой прослойки плазмы происходит незначительный взрыв, и уровень поднимается в первоначальное положение. Цикл повторяется. Тепловая энергия соединения кислорода и водорода при этом не рассеивается, а идет на нагрев поверхности колбы и электролита. Если поместить всю поверхность колбы в аквариум, то энергия плазменного, омического и рекомбинационного соединения водорода и кислорода, будет отдаваться всему объему электролита. Для проверки этого предположения и замеру теплоотдачи всей установки мы погрузили реакционную колбу ниже уровня электролита в аквариуме. Замер тепловыделения в данном эксперименте связан с определенными трудностями.
Связано это с тем, что рекомбинация гремучего газа в объеме колбы зависит от температуры ее стенок. При температуре около 100°C рекомбинация проходит «мягко». В случае если колба опущена в электролит комнатной температуры, то рекомбинация водорода и кислорода происходит более бризантно. Особенно это проявляется в кислотном электролите.

          

Эксперименты со щелочным электролитом показали, что в некоторых случаях сгорание гремучего газа происходит без сильного взрыва, если имеет место интенсивное вспенивание. Также мы наблюдали интересные случаи возникновения языков пламени красного цвета внутри колбы, которые существовали 3-4 сек. При этом хлопка, взрыва, не происходило, а уровень электролита поднимался на прежний уровень.
Закономерность появления языков пламени выяснить не удалось. Многочисленные эксперименты добиться «мягкого» сгорания во всех случаях, не привели к выявлению условий, при которых появляется пламя. Попытки все-таки найти способ «невзрывного» горения водорода привели нас к успеху. Изменение конфигурации и расположения электродов позволило обнаружить новый вид плазменного электролиза. В этом виде электролиза почти полностью отсутствует эрозия электродов, что является большим преимуществом.

Для детального изучения этого вида электролиза мы изготовили специальный аквариум с сообщающимися объемами. Внешне работа выглядит следующим образом. При включении установки загорается яркая плазма со свойственным ей потреблением тока. Выделение газов в рабочем объеме понижают уровень электролита, пока разряд не перейдет в новую, обнаруженную нами, форму кольцевого разряда.

Потребление тока при переходе резко снижается примерно в 50-60 раз. На электроде, в среде гремучего газа и паров воды, остается гореть маленькое пламя в виде конуса вершиной обращенной вверх. Испарение паров, выделение водорода и кислорода визуально понижают уровень, при конденсации и рекомбинации гремучего газа уровень поднимается. Устанавливается так называемое «дыхание» с периодом 2-3 сек. и амплитудой до 6-ти мм. Это напоминает работу установки, как в режиме электролизера, так и топливного элемента одновременно. В данном варианте предполагается избыточное многократное тепловыделение, т.к. этот вид кольцевого разряда при установившемся равномерном «дыхании» потребляет минимум электроэнергии. Потребляемая энергия настолько мала, что диск бытового счетчика перестает вращаться, если верхняя часть колбы (объемом 500мл) размещена в воздухе.

Температура верхней части тонко или толстостенной колбы, во время проведения эксперимента в течении 2-х суток, оставалась постоянной на уровне 100°C, при температуре окружающего воздуха в лаборатории 22°C . Ни одного оборота диска электросчетчика за это время не произошло. Существенного уменьшения электролита в эксперименте не выявлено. Собранная револьверная батарея из 6-ти электродов показала устойчивое горение конусного пламени на каждом электроде. При этом важно расположение на одном уровне! Это путь к наращиванию мощности при проектировании нагревательного агрегата.

Ограниченность на тот момент, контрольно-измерительного оборудования не позволила выявить все характеристики и степень избыточного тепловыделения обнаруженного нами кольцевого разряда. Накопление в результате других исследований оборудования и опыта мы не возвращались к детальному анализу этого вида разряда.
Чтобы выявить природу избыточного энерговыделения мы продолжили исследования процессов происходящих при плазменном электролизе. Следует отметить, что современные представления о холодном синтезе затрагивают пока только ядерные реакции, происходящие либо в кристаллическом веществе (поверхность электрода, мишень), либо в жидкости (сонолюменисценция). Лишь отдельные теоретические работы допускают существование пока неизученного состояния крайне неравновесной плазмы, в которой возможно протекание ядерных превращений при температурах от 1000º до3000ºC . Многие работы касаются взаимодействия водородной или дейтериевой плазмы тлеющего разряда с материалом катода. В частности, Карабут А.Б. (Россия) представил результаты экспериментов, в которых при бомбардировке палладиевого катода ионами дейтерия с энергией 0,5-2кэВ, он зарегистрировал эмиссию фотонов (3МэВ) и альфа частиц (14МэВ). Процесс сопровождался рентгеновским излучением с интенсивностью до 100Р/с и наработкой тяжелых ядер со скоростью порядка 1013с-1. По утверждению автора результаты экспериментов устойчивы и могут быть легко воспроизведены.
Представляют также интерес работы японского ученого T. Mizuno по плазменному электролизу обычной воды. В своих экспериментах он использовал обычную воду с добавкой 0,05-0,2M K2CO3, вольфрамовый катод и платиновую сеточку в качестве анода. Фиксировалось количество тепла, отводимого от ячейки, поток водорода и подводимая мощность.
В экспериментах был стабильно зарегистрирован аномально большой поток водорода, превышающий выход по току до 20 раз (рис.9).
В некоторых опытах процесс переходил в неуправляемую стадию, и стеклянная колба, в которой проводился эксперимент, взрывалась. За 20 секунд до взрыва приборы фиксировали выделение избыточного тепла, превышающее подводимую энергию непосредственно перед взрывом на три порядка. Кроме того, после взрыва на поверхности вольфрамового катода были зарегистрированы элементы, ранее там отсутствующие. Материал, из которого выполнен электрод, не имеет принципиального значения. Например, в своих работах Канарев Ф. М. применял электрод из железа. Содержание химических элементов на поверхности не работавшего катода оказалось таким:

Нижний луч относится к напряжению, верхний к току. На представленных осциллограммах видно, что в момент пика напряжения, на вершине синусоиды, идет высокочастотный всплеск тока, превышающий его омическую амплитуду в 5-7раз. При правильном подборе, с помощью делителя напряжения, чувствительность сигнала можно настроить так, что становится виден короткий высоковольтный бросок напряжения. Всплески тока и броски напряжения появляются одновременно. Такая же характеристика электрической цепи, питающей плазмоэлектролитическую ячейку, была представлена в работе Канарева Ф.М. с той лишь разницей, что пики тока не связаны во времени с пиками напряжения. Приводим здесь эти осциллограммы:
Осциллограмма изменения напряжения в сети питания плазмоэлектролитического реактора.
Вольтметр в этот момент показывал устойчиво напряжение 220 Вольт.
На осциллограмме видны резкие колебания напряжения. Несущая частота выпрямленного напряжения 100 Гц имеет гармонику с меньшей амплитудой и большей частотой колебаний. Уменьшение амплитуды несущих колебаний интерпретируется просто: кратковременное увеличение тока приводило к кратковременному уменьшению напряжения.

Сложнее объяснить увеличение амплитуды напряжения. Причиной этому может быть наличие в цепи емкости или индуктивности, где энергия может накапливаться и затем высвобождаться, повышая напряжение в питающей сети. Трудно судить о величине емкости ячейки, состоящего из плоского анода и стержневого катода. Индуктивной емкостью обладает трансформатор в цепи питания. Можно признать его роль в формировании колебаний напряжения, амплитуда которых расположена выше амплитуды несущей частоты. Исключением являются три колебания с амплитудой до 600 Вольт и выше . Источником этих колебаний могут быть только процессы, протекающие в реакторе. Эти колебания могут быть связаны с трансмутацией ядер атомов щелочного металла или атомов материала катода.

Осциллограмма изменения тока в цепи питания.

Максимальные значения тока достигают 25 Ампер, но эти пики не связаны во времени с пиками увеличения или изменения напряжения. Явно видны промежутки времени при полном отсутствии тока. Средняя величина его оказалась равной 3,8 Ампера.

 

Большинство исследователей, изучающих плазменный электролиз, предпочитают работать с катодной плазмой. С одной стороны потому, что возбудить плазму на катоде легче по техническим соображениям, поскольку для этого требуется относительно малая плотность тока. С другой стороны, судя по спектру, катодная плазма представляет собой ионизированный водород. При малой толщине плазменной оболочки и ускоряющем напряжении в сотни вольт, энергия протонов, бомбардирующих катод, может достигать значительной величины. Это также прельщает авторов, полагающих, что в таких условиях возможны реакции холодного синтеза на катоде (что, кстати, и подтверждается экспериментально). Однако отдельные работы посвящены изучению анодной плазмы. В частности, Бажутов Ю.Н. описывает свои эксперименты по возбуждению плазмы на вольфрамовом аноде. Его установка состояла из стеклянной ячейки с электролитом, помещенной в емкость с охлаждающей водой. В ячейке размещали катод из листовой нержавеющей стали и вольфрамовый стержень, являющийся анодом. В качестве электролита использовался раствор солей щелочных металлов в легкой воде с различными добавками тяжелой воды. При работе ячейки с электролитом 7М KF (50% D2O) наблюдалось интересное и странное явление. Примерно с 40-й минуты плазменного электролиза, в резервуаре охлаждения, со стороны анода вода начинала терять свою прозрачность. Охлаждающая ячейку вода, находящаяся со стороны катода, оставалась прозрачной. Радиационный фон оставался при этом неизменным. Создавалось впечатление, что, вода насыщена метастабильными микроскопическими пузырьками газа. Прозрачность воды восстанавливалась лишь через 10 часов после окончания эксперимента. Авторы полагают, что наблюдали воздействие на воду некоего корпускулярного (или электромагнитного) потока неизвестной природы со стороны плазменного анода.

Нами выявлена возможность возбуждения как анодной, так и катодной плазмы и существенного влияния индуктивности в цепи питания электролитической ячейки.

Краткие выводы:

1)Действительно, при плазменном электролизе количество выделяемого водорода превышает выход по току в щелочном электролите (Na2CO3) в 1,7-2,2 раза. В кислотном (h3SO4) в 2,5-3 раза. Как указывалось в работе Канарева Ф. М. и T. Mizuno превышение по току выхода водорода в 10-20 раз в наших экспериментах достигнуто не было.
2)Каллометрические замеры выделяющего тепла (без учета энергии выделившихся газов) показали, что соотношения вложенной электрической энергии и полученной тепловой (в катодной плазме) имеют в среднем соотношения 1/1,4. При повышении температуры от 20 до 60-ти град.С электролита это соотношение немного растет.
3) Природа избыточной тепловой энергии, по-видимому, связана с изменением элементного состава в микроколичествах на катоде.

2. Катодная и анодная плазма.

Исследования в период с июля 2008г. по май 2009г. открыли практические возможности для применения систем плазменного электролиза в теплотехнике. Основная трудность заключалась в исключении эрозии электродов, т.к. это напрямую связано с эксплуатационными характеристиками агрегата. Отдав некоторое предпочтение анодной плазме, мы нашли физические условия, при которых плазменный электрод не подвергался заметному износу. Были выявлены также моменты аномального поведения анодной плазмы. Аномалия, как мы считаем, заключается в следующем. На нижеприведенной схеме, при подключении дополнительной нагрузки (лампы накаливания) параллельно в цепь постоянного тока, наблюдается снижение потребляемого тока в амперметре А1. При мощности горения плазмы в 1кВт допускается подключение дополнительной нагрузки до 300-т Ватт. Конденсаторы С1 и С2 должны превышать емкость выше 250-ти мкФ, При индуктивности дросселя 0,1 Гн. При подключении дополнительной нагрузки свыше 300-т Ватт, становится заметным влияние на плазму, в виде ее «притухания». Каллометрические замеры в ячейке без энергосодержания выделившихся газов и дополнительной нагрузке в виде ламп накаливания, показали соотношение вложенной электрической энергии и полученной тепловой, как 1/1.

При «зажигании» катодной плазмы, по этой схеме, этот эффект проявлялся в очень незначительной степени. Лампы накаливания еле тлели, а в случае с анодной плазмой лампы светились выше своего номинального режима. Без горения плазмы лампы накаливания не зажигались, т.к. конденсаторы в цепи не пропускают постоянный ток. Присутствие плазменного промежутка в цепи способствует появлению переменной составляющей которая, по-видимому, и отражается в появлении «интересных» эффектов. Тепловые замеры плазмы показали, что предпочтение следует отдать катодной плазме, т.к. при прочих равных условиях, катодная плазма генерирует больше тепла на 20-40%, чем анодная. Кроме того, выделение водорода, как горючего, в катодной плазме больше, чем когда катод является просто металлической пластиной. Кроме этого достоинства следует учесть, что катодная плазма работает почти беззвучно, «мягко». Анодная же издает резкий, иногда гремящий звук.

3.Возможная принципиальная схема плазменного генератора тепла.

Электролиз воды. Как происходит процесс и зачем он нужен. Плазменный электролиз воды своими руками

Как сделать аппарат живой и мертвой воды своими руками? Плазменный электролиз воды своими руками

Плазменный способ генерации тепла — Альтернативная энергия в Республике Молдова

1. Общие положения

Первоначально направление плазменного электролиза рассматривалось как раздел классической электрохимии, дополненный гипотезой о вкладе в инициирование химических реакций излучения разряда, а позже – радиационно-химических эффектов, вызываемых бомбардировкой поверхности раствора генерируемыми в плазме ионами. При “классическом” электролизе водных растворов электролитов выделение основных газообразных продуктов кислорода и водорода связано с электродными процессами разрядки ионов гидроксила и гидроксония.Если в качестве таких электродов выступает контактирующая с раствором плазма, ситуация меняется. Наблюдается выделение гремучего газа, не описываемое законом Фарадея. Выходы по току кислорода и водорода, наблюдавшиеся в тлеющем и контактном разрядах при всех условиях значительно превышают единицу. Электролитические процессы известны давно и широко используются в химической промышленности. Плазмоэлектролитические процессы выявлены сравнительно недавно, поэтому пока не существует ни физической, ни химической теорий этих процессов. Предварительный анализ показывает, что полное описание плазмоэлектролитического процесса не может базироваться на чисто физических или чисто химических представлениях. Это – взаимосвязанные физико-химические процессы, поэтому разделить их на физические и химические можно лишь условно.

Устойчивое получение плазмы достигается при разной площади положительного и отрицательного электродов.При погружении стержневого электрода диаметром 4мм. в электролит более чем на 10мм. и подаче напряжения от 0 до 250-ти вольт плазма не загорается. На электродах с повышением напряжения увеличивается газовыделение и растет ток.

В случае, когда стрежневой электрод опущен на 3-4мм ниже мениска, то при напряжении на электродах 60-70 вольт начинаются искровые пробои в области газовыделения водорода. Плавно повышая напряжение, растет характерный гул, искровые пробои переходят в стационарное горение плазмы. Превышение напряжения свыше 150 вольт ведет сначала к плавлению вольфрамового стержневого электрода, а затем к его закипанию. Концентрацию электролита и температуру приходится менять в зависимости от параметров ячейки. Основное исследование проводилось в щелочном электролите.Повышение напряжения приводит к изменению силы тока в цепи, характерная закономерность которого показана в приведенном графике.

Вначале, при повышении напряжения линейно, в соответствии с законом Ома, растет сила тока. Затем, при напряжении более 40 Вольт закон Ома нарушается, а при напряжении около 100 Вольт (точки 5 – 6) сила тока уменьшается скачкообразно, и у катода появляется яркое свечение (плазма). Дальнейшее принудительное уменьшение напряжения (точки 6 – 15) незначительно изменяет силу тока. При напряжении около 60 Вольт (точки 14 – 15) свечение у катода исчезает, сила тока скачкообразно увеличивается почти до прежней величины.Свечение в электролите Na2СО3 –оранжевое. При подплавлении электрода и меньшей площади соприкосновения плазмы с электролитом, свечение переходит в фиолетовый цвет. В это время потребление тока уменьшается в несколько раз.

Дозиметрический замер излучения проводился бытовым дозиметром ЮПИТЕР СИН-05 в течении 30 мин. со снятием показаний через 1 мин. до включения установки и после. Дозиметр находился на расстоянии 10см от ячейки. Результаты сведены в нижеприведенную таблицу.

Как видно из таблицы горение плазмы сопровождается снижением природного фона радиации около ячейки. Теоретическое объяснение и выводы этого явления еще предстоит сделать. Нас в первую очередь интересовал аномальный выход водорода, вырабатываемый при плазменном электролизе, предсказываемый профессором Канаревым Ф.М. Как он отмечает в своей работе, возможно аномальное тепловыделение и выделение водорода, превышающее выход по току в 10 раз на некоторых режимах работы. Вот эти «некоторые режимы» и предстояло найти.Прежде всего, объем плазмы необходимо было поместить внутрь проточного реактора. С этой целью нами был изготовлен пробный проточный реактор.Изучив поведение плазмы и газовыделение в малом замкнутом объеме, был изготовлен лабораторный реактор из кварцевого стекла большего размера с принудительной циркуляцией электролита.Питание реактора осуществлялось переменным током промышленной частоты, 220 вольт. В качестве большего по площади электрода служила металлическая сетка с мелкой ячейкой. При циркуляции электролита плавление центрального вольфрамового электрода не наблюдалось. По истечении сорока минут работы в таком режиме центральный электрод подвергся эрозии и электролит приобрел бурый оттенок. После отстаивания осевший порошок имел «ржавый» цвет. Из этого следует, что прямое подключение к сети электропитания реактора, недопустимо в длительном режиме.Сравнительные замеры тепловыделения проводили в двух открытых идентичных аквариумах. В одном происходил омический нагрев электролита, в другом нагрев за счет плазменного электролиза. Электрическую энергию измеряли бытовым электросчетчиком (из-за нелинейности потребления тока) по количеству оборотов.

Начальная температура электролита-25°С. Объем-9л. Концентрация Na2СO3 -35г/л. Ток переменный-220 вольт. После включения электропитания, начинали отсчет оборотов электросчетчика. В том и другом случае количество потребленной электроэнергии было одинаковым (480 оборотов). Температура в аквариуме, где горела плазма, была на 9°C выше, чем в аквариуме, где был омический нагрев. Следует также учесть, что теплоотдача в процессе нагрева в окружающую среду у «плазменного» аквариума была- 21мин, а второго-11мин. Разница в тепловыделении увеличивается, если опыт начинать с температуры электролита выше 65°C. На этом этапе не были исследованы все параметры (переменный, постоянный ток, концентрация электролита и его состав, оптимальное напряжение и т.д.) , при которых нагревание электролита плазмой максимально в сравнении с омическим нагревом. Вдохновившись первыми успехами аномального выделения тепла, тем более без учета энергии выделившегося водорода, мы перешли к количественным замерам выделения газов.

Был изготовлена электролитическая установка с водяным затвором  для сбора выделяющихся газов. Дно электролитической ячейки из металла служило плоским анодом. В крышке сделано отверстие под вольфрамовый стержневой катод в фарфоровой трубке.

При включении электропитания загорается плазма, идет выделение газов. В водяном затворе видно появление пузырьков, но их количество интуитивно не соответствует потребляемому току.

Как оказалось герметичность верхней крышки не способна задержать водород из-за его сильной проникающей способности. Был выбран другой вариант электролитической ячейки. Перевернутая стеклянная емкость, заполненная электролитом, помещалась на кронштейнах в аквариуме. Снизу подводился изолированный электрод (-).Плоский электрод (+) из нержавеющей стали, находился в стороне. Выделение в плазме водорода и паров воды вытесняло электролит из стеклянной мерной емкости. После конденсации паров и остывания емкости до комнатной температуры проводился объемный замер выделившегося водорода. На некоторых режимах работы звуковое излучение плазмы приводило к появлению Большого Кавитационного Пузырька (БКП), описанного в работе Маргулиса М.А.

«Звукохимические реакции и сонолюминесценция». Его перемещение в объеме носило хаотический характер. Влияние (БКП) на стимуляцию выделения водорода не исследовалось.По первому закону Фарадея, количество (в нашем случае объем) выделившегося вещества пропорционально току и времени его прохождения через раствор. Сравнительные опыты выделения водорода при плазменном и обычном электролизе показали, что имеет место нарушение закона Фарадея. В нашем эксперименте по плазменному электролизу, водорода выделилось на 2/3 больше. В кислотном электролите h5SO4 этот показатель еще выше, чем в щелочном. Влияние концентрации и температуры электролита на выделение водорода при плазменном электролизе доско

rinnipool.ru

Холодный синтез при плазменном электролизе воды

Введение

Холодный ядерный синтез — первая гипотеза об источнике дополнительной энергии при обычном электролизе тяжелой воды. Авторами этой гипотезы являются американские электрохимики Флешман и Понс [1]. Они объявили об этом в 1989 году. С тех по

Как сделать аппарат живой и мертвой воды своими руками? Плазменный электролиз воды своими руками

Плазменный способ генерации тепла — Альтернативная энергия в Республике Молдова

1. Общие положения

Первоначально направление плазменного электролиза рассматривалось как раздел классической электрохимии, дополненный гипотезой о вкладе в инициирование химических реакций излучения разряда, а позже – радиационно-химических эффектов, вызываемых бомбардировкой поверхности раствора генерируемыми в плазме ионами. При “классическом” электролизе водных растворов электролитов выделение основных газообразных продуктов кислорода и водорода связано с электродными процессами разрядки ионов гидроксила и гидроксония.Если в качестве таких электродов выступает контактирующая с раствором плазма, ситуация меняется. Наблюдается выделение гремучего газа, не описываемое законом Фарадея. Выходы по току кислорода и водорода, наблюдавшиеся в тлеющем и контактном разрядах при всех условиях значительно превышают единицу. Электролитические процессы известны давно и широко используются в химической промышленности. Плазмоэлектролитические процессы выявлены сравнительно недавно, поэтому пока не существует ни физической, ни химической теорий этих процессов. Предварительный анализ показывает, что полное описание плазмоэлектролитического процесса не может базироваться на чисто физических или чисто химических представлениях. Это – взаимосвязанные физико-химические процессы, поэтому разделить их на физические и химические можно лишь условно.

Устойчивое получение плазмы достигается при разной площади положительного и отрицательного электродов.При погружении стержневого электрода диаметром 4мм. в электролит более чем на 10мм. и подаче напряжения от 0 до 250-ти вольт плазма не загорается. На электродах с повышением напряжения увеличивается газовыделение и растет ток.

В случае, когда стрежневой электрод опущен на 3-4мм ниже мениска, то при напряжении на электродах 60-70 вольт начинаются искровые пробои в области газовыделения водорода. Плавно повышая напряжение, растет характерный гул, искровые пробои переходят в стационарное горение плазмы. Превышение напряжения свыше 150 вольт ведет сначала к плавлению вольфрамового стержневого электрода, а затем к его закипанию. Концентрацию электролита и температуру приходится менять в зависимости от параметров ячейки. Основное исследование проводилось в щелочном электролите.Повышение напряжения приводит к изменению силы тока в цепи, характерная закономерность которого показана в приведенном графике.

Вначале, при повышении напряжения линейно, в соответствии с законом Ома, растет сила тока. Затем, при напряжении более 40 Вольт закон Ома нарушается, а при напряжении около 100 Вольт (точки 5 – 6) сила тока уменьшается скачкообразно, и у катода появляется яркое свечение (плазма). Дальнейшее принудительное уменьшение напряжения (точки 6 – 15) незначительно изменяет силу тока. При напряжении около 60 Вольт (точки 14 – 15) свечение у катода исчезает, сила тока скачкообразно увеличивается почти до прежней величины.Свечение в электролите Na2СО3 –оранжевое. При подплавлении электрода и меньшей площади соприкосновения плазмы с электролитом, свечение переходит в фиолетовый цвет. В это время потребление тока уменьшается в несколько раз.

Дозиметрический замер излучения проводился бытовым дозиметром ЮПИТЕР СИН-05 в течении 30 мин. со снятием показаний через 1 мин. до включения установки и после. Дозиметр находился на расстоянии 10см от ячейки. Результаты сведены в нижеприведенную таблицу.

Как видно из таблицы горение плазмы сопровождается снижением природного фона радиации около ячейки. Теоретическое объяснение и выводы этого явления еще предстоит сделать. Нас в первую очередь интересовал аномальный выход водорода, вырабатываемый при плазменном электролизе, предсказываемый профессором Канаревым Ф.М. Как он отмечает в своей работе, возможно аномальное тепловыделение и выделение водорода, превышающее выход по току в 10 раз на некоторых режимах работы. Вот эти «некоторые режимы» и предстояло найти.Прежде всего, объем плазмы необходимо было поместить внутрь проточного реактора. С этой целью нами был изготовлен пробный проточный реактор.Изучив поведение плазмы и газовыделение в малом замкнутом объеме, был изготовлен лабораторный реактор из кварцевого стекла большего размера с принудительной циркуляцией электролита.Питание реактора осуществлялось переменным током промышленной частоты, 220 вольт. В качестве большего по площади электрода служила металлическая сетка с мелкой ячейкой. При циркуляции электролита плавление центрального вольфрамового электрода не наблюдалось. По истечении сорока минут работы в таком режиме центральный электрод подвергся эрозии и электролит приобрел бурый оттенок. После отстаивания осевший порошок имел «ржавый» цвет. Из этого следует, что прямое подключение к сети электропитания реактора, недопустимо в длительном режиме.Сравнительные замеры тепловыделения проводили в двух открытых идентичных аквариумах. В одном происходил омический нагрев электролита, в другом нагрев за счет плазменного электролиза. Электрическую энергию измеряли бытовым электросчетчиком (из-за нелинейности потребления тока) по количеству оборотов.

Начальная температура электролита-25°С. Объем-9л. Концентрация Na2СO3 -35г/л. Ток переменный-220 вольт. После включения электропитания, начинали отсчет оборотов электросчетчика. В том и другом случае количество потребленной электроэнергии было одинаковым (480 оборотов). Температура в аквариуме, где горела плазма, была на 9°C выше, чем в аквариуме, где был омический нагрев. Следует также учесть, что теплоотдача в процессе нагрева в окружающую среду у «плазменного» аквариума была- 21мин, а второго-11мин. Разница в тепловыделении увеличивается, если опыт начинать с температуры электролита выше 65°C. На этом этапе не были исследованы все параметры (переменный, постоянный ток, концентрация электролита и его состав, оптимальное напряжение и т.д.) , при которых нагревание электролита плазмой максимально в сравнении с омическим нагревом. Вдохновившись первыми успехами аномального выделения тепла, тем более без учета энергии выделившегося водорода, мы перешли к количественным замерам выделения газов.

Был изготовлена электролитическая установка с водяным затвором  для сбора выделяющихся газов. Дно электролитической ячейки из металла служило плоским анодом. В крышке сделано отверстие под вольфрамовый стержневой катод в фарфоровой трубке.

При включении электропитания загорается плазма, идет выделение газов. В водяном затворе видно появление пузырьков, но их количество интуитивно не соответствует потребляемому току.

Как оказалось герметичность верхней крышки не способна задержать водород из-за его сильной проникающей способности. Был выбран другой вариант электролитической ячейки. Перевернутая стеклянная емкость, заполненная электролитом, помещалась на кронштейнах в аквариуме. Снизу подводился изолированный электрод (-).Плоский электрод (+) из нержавеющей стали, находился в стороне. Выделение в плазме водорода и паров воды вытесняло электролит из стеклянной мерной емкости. После конденсации паров и остывания емкости до комнатной температуры проводился объемный замер выделившегося водорода. На некоторых режимах работы звуковое излучение плазмы приводило к появлению Большого Кавитационного Пузырька (БКП), описанного в работе Маргулиса М.А.

«Звукохимические реакции и сонолюминесценция». Его перемещение в объеме носило хаотический характер. Влияние (БКП) на стимуляцию выделения водорода не исследовалось.По первому закону Фарадея, количество (в нашем случае объем) выделившегося вещества пропорционально току и времени его прохождения через раствор. Сравнительные опыты выделения водорода при плазменном и обычном электролизе показали, что имеет место нарушение закона Фарадея. В нашем эксперименте по плазменному электролизу, водорода выделилось на 2/3 больше. В кислотном электролите h4SO4 этот показатель еще выше, чем в щелочном. Влияние концентрации и температуры электролита на выделение водорода при плазменном электролизе досконально не исследовано. Учитывая аномальное тепловыделение плазмы, плюс энергию, которую содержит выделяющийся водород, мы сочли возможным сделать установку, в которой энергия сгорания водорода будет идти на нагрев электролита и как следствие создание экономичного теплогенерато

Плазменный электролиз позволяет получать аммиак из азота и воды без катализатора

Американские химики получили аммиак из азота и воды, не используя ни жестких условий реакций, ни катализаторов. Для активации азота они использовали плазменный электрод. Аммиак — важнейший продукт химической промышленности, именно в него связывают атмосферный азот для производства других азотсодержащих соединений. Ежегодно производится 180 млн тонн аммиака по разработанному больше века назад процессу Габера — Боша, на что тратится 1% от всей энергии, вырабатываемой человечеством. Новый способ, если его получится масштабировать и внедрить в промышленность, должен будет облегчить это бремя без потери производительности.

Азот — один из самых распространенных элементов на Земле, только в атмосфере общее количество азота оценивается в 3,87⋅10¹⁵ тонн. Несмотря на это, связывание атмосферного азота представляет чрезвычайно сложную задачу — прочная тройная связь между атомами в молекуле N₂ делает эту молекулу крайне инертной.

В настоящее время связывание атмосферного азота в промышленности проводят с помощью процесса Габера — Боша: аммиак синтезируется из атмосферного азота и водорода в присутствии железосодержащих катализаторов при высоких давлении (150–300 атмосфер) и температурах (400–500 °C). Несмотря на внешнюю простоту реакции, лежащей в основе процесса Габера — Боша (ее уравнение выглядит так: N₂ + 3H₂ = 2NH₃), «за него» было присуждено уже две Нобелевских премии по химии. Первая — Фрицу Габеру (в 1918 году), одному из разработчиков промышленного получения аммиака из водорода и азота, вторая — Герхарду Эртлю (в 2007 году) за работы по изучению механизма процесса Габера — Боша, позволившие сделать его эффективнее.

Интерес к этой простой реакции легко объяснить: процесс Габера — Боша стал важным этапом в развитии химической технологии, благодаря которому появилась возможность производить азотные удобрения, взрывчатые вещества и химическое сырье, не завися от месторождений селитры. Появившиеся благодаря процессу Габера — Боша дешевые азотные удобрения позволили увеличить производительность сельского хозяйства и снизить угрозу голода в промышленно развитых государствах Европы и Америки (J. W. Erisman, et al., 2008. How a century of ammonia synthesis changed the world).

По различным оценкам, на получение аммиака человечество тратит не менее 1% от всей вырабатываемой энергии: аммиака нужно много, а процесс Габера — Боша крайне энергозатратен. Во-первых, чтобы получить из азота и водорода аммиак, нужно затратить колоссальную энергию на сжатие и разогрев азото-водородной смеси. Во-вторых, реакция азота с водородом обратима и выход аммиака составляет всего 15% от возможного. Из-за этого необходимо выходящую из реактора азото-водородо-аммиачную смесь разделять и оставшиеся после отделения аммиака азот и водород заново направлять в реактор, увеличивая время нахождения исходных веществ при повышенных давлении и температуре.

Еще одна проблема процесса Габера — Боша — водород, который получают с помощью многостадийной конверсии природного газа или каменного угля, что также приводит к затратам энергии и образованию парниковых газов. К сожалению, организация технологического цикла по получению аммиака с помощью процесса Габера — Боша (в особенности — циркуляция азото-водородной смеси) не позволяют интегрировать производство аммиака с технологиями получения водорода из возобновляемых источников, в первую очередь — электролизом воды (P. Tunå et al., 2014. Techno-economic assessment of nonfossil ammonia production).

В последнее время делаются попытки найти альтернативу процессу Габера — Боша, которую можно было бы использовать в тех же масштабах: ведутся разработки способов синтеза аммиака в более мягких условиях или/и применения возобновляемых источников (воды или водорода, полученного ее электролизом). В качестве перспективных вариантов рассматривают фотокаталитические (A. J. Medford, M. C. Hatzell, 2017. Photon-driven nitrogen fixation: Current progress, thermodynamic considerations, and future outlook) и электрохимические (V. Kyriakou et al., 2017. Progress in the electrochemical synthesis of ammonia) процессы.

Если судить по количеству публикаций, то количество попыток разработать новые способы получения аммиака растет, но ни один из изученных способов пока нельзя рассматривать как альтернативу процессу Габера — Боша. Главный их недостаток — низкий (менее 1%) выход аммиака, в основном связанный с катализатором: молекулярный азот N₂ плохо адсорбируется на поверхности катализатора, в результате чего тройная связь азот-азот недостаточно ослабляется для реакции с водородом. Кроме этого катализаторы фотохимических процессов — полупроводники — могут способствовать окислению образующегося аммиака, а катализаторы электрохимических процессов — металлы — адсорбируют частицы, содержащие водород (H₂, H⁺, и т. д.), лучше, чем азот. Последнее обстоятельство приводит к тому, что в электрокаталитических процессах преимущественно происходит выделение молекулярного водорода, а не аммиака (A. R. Singh et al., 2017. Electrochemical ammonia synthesis — The selectivity challenge).

Мохан Санкаран (R. Mohan Sankaran) и его коллеги из Кейсовского университета Западного резервного района (Кливленд, США) решили использовать не каталитическую, а плазменную активацию азота для реакции (рис. 1). Этот способ активации азота известен уже давно: еще до работ Габера был разработан процесс Биркеланда — Эйде (Birkeland–Eyde process) — получение оксидов азота при пропускании воздуха через электрическую дугу (H. S. Eyde, 1909. The manufacture of nitrates from the atmosphere by the electric arc—Birkeland-Eyde process). Правда, он был гораздо менее эффективным, чем способ, разработанный Габером. В каком-то смысле эта идея была подсмотрена у самой природы: во время гроз молнии довольно эффективно разбивают молекулы N₂, в результате чего образуются оксиды азота.

В прошлом году была опубликована работа, в которой плазменная активация позволила получить аммиак из азота и водорода на гетерогенном катализаторе при атмосферном давлении и относительно низкой температуре — 200 °С (P. Mehta et al., 2018. Overcoming ammonia synthesis scaling relations with plasma-enabled catalysis). Водород для этой реакции опять же был получен конверсией природного газа и, хотя результаты этого исследования бесспорно интересны, проблему селективного восстановления азота до аммиака с помощью возобновляемого сырья пока еще не удавалось решить никому.

Американские ученые решили использовать гибридный электролитический подход, чтобы попробовать получить аммиак в мягких условиях и при атмосферном давлении без катализаторов. В отличие от указанных выше процессов, в которых азот активируется плазмой, ключевыми частицами для новой реакции являются гидратированные электроны (рис. 2). Эти частицы — разновидность сольватированных электронов, то есть электронов, захваченных средой из-за поляризации ими окружающих молекул, — являются наиболее эффективными восстановителями. Гидратированные электроны возникают в растворе при взаимодействии воды и плазмы, образующейся в результате разрушения молекул N₂ под действием электрического тока (P. Rumbach et al., 2015. The solvation of electrons by an atmospheric-pressure plasma). То, что гидратированные электроны могут восстанавливать азот до аммиака было уже известно, однако в предыдущих работах сольватированные электроны получали с помощью облучения ультрафиолетом (D. Zhu et al., 2013. Photo-illuminated diamond as a solid-state source of solvated electrons in water for nitrogen reduction).

Опыты группы Санкарана показали, что можно получать гидратированные электроны на границе раздела газ/жидкость, которые восстанавливают атмосферный азот до аммиака с высокой избирательностью: практически 100% вступающих в реакцию молекул азота N₂ превращается в аммиак NH₃. Правда, столь высокая избирательность может объясняться и тем, что образовавшийся в результате реакции аммиак просто не мог вступать во вторичные реакции окисления — эксперименты проводили не с воздухом, а с чистым азотом или смесью азота и аргона, то есть аммиак и другие продукты реакции просто не могли окислиться.

Измерение скорости образования аммиака при разных параметрах (меняли силу тока электролиза, pH раствора, в котором протекало образование аммиака, добавляли и убирали катализатор и частицы-ловушки потенциальных интермедиатов реакции) показало, что ключевой стадией образования аммиака является восстановление гидратированными электронами протонов (H⁺) до радикалов водорода (H·). Также оказалось, что скорость образования аммиака зависит только от концентрации H⁺, но не от присутствия катализатора, не говоря уже про скорость адсорбции и десорбции активных частиц на катализаторе.

Фарадеевская эффективность электролиза (доля общего электрического заряда, прошедшего через электролизер, затраченная на образование целевого продукта, в данном случае — аммиака) в предложенном американскими учеными процессе максимальна первые десять минут, затем начинает быстро снижаться, а через десять минут перестает изменяться (рис. 4). Исследователи объясняют понижение выхода по току быстрым понижением концентрации ионов Н⁺ в начале реакции. Тем не менее, приводящаяся на этом же рисунке линейная скорость накопления аммиака противоречит падению эффективности электролиза со временем. Если же посмотреть на ошибку, с которой определена фарадеевская эффективность обнаруженного процесса при времени пять минут, можно предположить, что существенного снижения эффективности не происходит.

Эта попытка получения аммиака с помощью плазменного электролиза из возобновляемого сырья кажется достаточно перспективной: получать аммиак из воды и азота, как уже говорилось, весьма заманчиво, а предлагаемом способе достигается хороший выход аммиака. Конечно, энергия, необходимая для создания плазмы, тоже велика, однако, теоретически, это процесс должен поглощать меньше энергии — нет необходимости тратить энергию на сжатие азота до сотен атмосфер.

Тем не менее, отказываться от процесса Габера — Боша преждевременно: есть много моментов, над которыми исследователям еще предстоит поработать. Желательно модифицировать технологию, чтобы в качестве сырья годился воздух, а не очищенный или разбавленный инертным газом азот. Необходимо масштабировать процесс — ведь в экспериментах изучалась только принципиальная возможность применения плазменного электролиза для синтеза аммиака из воды и азота, и аммиак получали в миллиграммовых количествах. Но нужно помнить и о том, что технологический регламент процесса Габера — Боша до пуска первого завода по производству аммиака подбирался около десяти лет, а его модификация для увеличения производительности проводится до сих пор.

Источник: Ryan Hawtof, Souvik Ghosh, Evan Guarr, Cheyan Xu, R. Mohan Sankaran, Julie Nicole Renner. Catalyst-free, highly selective synthesis of ammonia from nitrogen and water by a plasma electrolytic system // Science Advances. 2019. V. 5. eaat5778. DOI: 10.1126/sciadv.aat5778.

Аркадий Курамшин

 

Техническое решение относится к области электролитических устройств, в частности, к области электролизеров, и может быть использовано в различных областях техники для получения водорода и кислорода путем электролиза водных электролитов. Плазменный электролизер содержит отдельные диэлектрические: катодный и анодный сосуды, соединенные между собой в нижней части трубкой. Катод выполнен из меди, покрытой изоляционным лаком, имеет форму спирали. Для уменьшения концентрации плазменного тепла поверхность провода катода освобождена от изоляции не полностью, а ступенчато. Благодаря этому плазма возникает периодически лишь в местах отсутствия изоляции на проводе катода, что уменьшает термическую нагрузку на катод. 3 з.п. ф-лы.

Техническое решение относится к области электролитических устройств, в частности, к области электролизеров, и может быть использовано в различных областях техники для получения водорода и кислорода путем электролиза водных электролитов.

Известен (RU, патент 2149921) электролизер для электролиза воды, включающий множество образующих анод электродов в виде стопки, причем каждый электрод-анод состоит из плоской пластины, множество образующих катод электродов в виде стопки, причем каждый электрод-катод состоит из плоской пластины, а электроды-аноды и электроды-катоды чередуются. Кроме того, в состав электролизера входят, по меньшей мере, один проводящий первый соединяющий элемент, проходящий сквозь чередующиеся аноды и обеспечивающий электрическое соединение только с каждым электродом-анодом, и, по меньшей мере, один проводящий второй соединяющий элемент, проходящий сквозь чередующиеся катоды и обеспечивающий электрическое соединение только с каждым электродом-катодом.

Недостатком известного электролизера, предназначенного для производства газообразных кислорода и водорода, применяемых в сварочных процессах, следует признать его конструктивную сложность и низкую эффективность.

Известно (RU, патент 2228390) устройство для получения тепловой энергии, водорода и кислорода, содержащее корпус, выполненный из диэлектрического материала, крышку, анодную и катодную полости, плоский кольцевой анод с отверстиями, расположенный в анодной полости и соединенный с положительным полюсом источника питания, катод, выполненный в виде стержня из тугоплавкого материала, вставленный в диэлектрический стержень с наружной резьбой и соединенный с отрицательным источником питания, и патрубок для ввода рабочего раствора, расположенный в средней части анодной полости, крышка выполнена из диэлектрического материала и снабжена цилиндроконическим приливом со сквозным отверстием, образующим совместно с корпусом анодную и катодную полости, диэлектрический стержень введен в межэлектродную камеру посредством наружной резьбы через резьбовое отверстие в корпусе и центрирован в сквозном отверстии крышки, образующем верхнюю катодную полость, анодная полость сообщена с верхней катодной полостью посредством канала, состоящего из вертикальной и горизонтальной частей, расположенных в крышке, при этом зазор между верхней и нижней катодными полостями установлен с возможностью регулирования его величины посредством перемещения диэлектрического стержня, устройство имеет также патрубок для вывода раствора, расположенный сбоку в крышке, и патрубок для выхода смеси газов, расположенный в верхней части крышки соосно верхней катодной полости, а катод и анод подсоединены к блоку питания, состоящему из генератора импульсов и цепи управления.

Недостатком известного устройства следует признать его конструктивную сложность и экономическую неэффективность.

Наиболее близким аналогом разработанного технического решения можно признать (RU, патент 2175027) устройство для получения тепловой энергии, водорода и кислорода, содержащее корпус, изготовленный из диэлектрического материала, со сквозным отверстием, межэлектродную камеру, патрубки для ввода и вывода рабочего раствора, анод, соединенный с положительным полюсом источника питания, и катод, соединенный с отрицательным полюсом источника питания. Корпус с осевым отверстием содержит нижний цилиндро-конический прилив, нижнюю крышку, образующую совместно с корпусом межэлектродную камеру, состоящую из анодной и катодной полостей, сообщающихся между собой в нижней части. Плоский кольцевой анод с отверстиями расположен в анодной полости. Катод выполнен в виде цилиндрического стержня из тугоплавкого материала, заключенного в диэлектрический стержень с резьбой. Указанный цилиндрический стержень введен в межэлектродную камеру с нижней стороны через резьбовое отверстие в нижней крышке с возможностью вертикального перемещения вдоль осевой линии устройства. Емкость для рабочего раствора с системой автоматического регулирования его уровня в катодной полости соединена с анодной полостью. Также устройство содержит охладительную камеру для конденсации пара и выделения водорода, полость которой соединена с входным патрубком подачи рабочего раствора в анодную полость. Патрубок для подачи парогазовой смеси в охладительную камеру введен посредством резьбы отверстие корпуса, а патрубок для вывода кислорода введен в верхнюю часть анодной полости.

Известное устройство работает следующим образом.

Рабочий раствор заливают в емкость, из которой он проходит через дозирующее устройство и поплавковую камеру в анодную полость, а также в катодную полость. После того, как заполнение реактора раствором достигает заданного уровня, поплавок поплавковой камеры закрывает входное отверстие дозирующего устройства. Далее, включают электрическая сеть и постепенно повышают напряжение до момента появления устойчивой плазмы в зоне катода. Образующаяся парогазовая смесь у катода поступает в охладитель. Пар, соприкасаясь с охлажденной поверхностью трубки охладителя, конденсируется, а выделившийся газ выходит из-под отражателя и поступает к выходному патрубку. Конденсат пара поступает в анодную полость через трубку и входной патрубок. Кислород, выделившийся у анода, поступает в верхнюю часть анодной полости и удаляется из нее через патрубок. Поскольку уровень раствора в реакторе регулируется автоматически, то данное устройство для получения водорода и кислорода работает в автоматическом режиме. По мере расхода раствора, он доливается в приемную емкость.

Сущность протекающих физико-химических процессов состоит в том, что под действием электрического поля между многократно уменьшенной площадью катода по отношению к площади анода, формируется начальный, сфокусированный на катод, поток ионов щелочного металла, присутствующего в электролите. Имея запас кинетической энергии при движении к катоду, ионы щелочного металла выбивают протоны атомов водорода из молекул воды. Достигнув катода, протоны приобретают электроны и образуют атомы водорода, излучая фотоны, которые формируют плазму атомарного водорода с температурой 500010000°С. Энергия этой плазмы и служит источником термической диссоциации воды на водород и кислород и источником дополнительной энергии, наличие которой легко фиксируется по энергии нагретого раствора, испарившейся воды и собранных газов. Одновременно с этим у анода идет электролитический процесс выделения кислорода. Таким образом, водородная плазма у катода является источником тепловой энергии, передаваемой водному раствору, и источником атомарного и молекулярного водорода и кислорода одновременно.

Недостатком известного технического решения является то, что катод постоянно наход