ПЛАЗМОДИНАМИЧЕСКАЯ ГЕНЕРАЦИЯ ВОДОРОДА В ПРИРОДНОЙ ВОДЕ
,
Институт прикладной механики РАН
*****@***ru, *****@***ru
Продолжено экспериментально-теоретическое исследование плазмодинамичес-кого (ПД) реактора, формируемого вокруг металлического электрода. В целях расшифровки ПД-состояния электролита проанализировано более 100 опубликованных за последние 125 лет работ по структуре и свойствам природной воды, находящейся при высоком давлении и температуре. Сделан вывод, что плазменно-электрохимические (ПЭХ) процессы протекают в условиях локального взрыва воды, обуславливающих её одновременное нахождение в четырёх фазовых состояниях и обеспечивающих эффективное выделение энергии, аккумулированной природной водой из окружающей среды. ПЭХ-процессы составляют предмет плазменной электрохимии – науки, не имеющий до сих пор самостоятельного статуса. Одним из объектов её является ПД-реактор, состоящий из кристаллической решетки электрода, биполярного плёночно-плазменного (БПП) электрода, пространства между БПП-электродом и металлическим электродом, заполненного низкотемпературной плазмой.
1.Введение
Авторами установлено [1], что разряд в электролите открыл Will. Cruickshank в 1801г., на год опередив открытие электрической дуги.
Несмотря на тысячи работ, проведённых по разряду в электролите учёными из самых различных областей науки, лишь в 1989г. с сотр. удалось [2] заложить основы теории катодного электрического разряда в электролите (КЭРВЭ). Однако пока КЭРВЭ не получает прикладного развития, несмотря на то, что в 1947г. за его применение в обработке мелких деталей была присуждена Сталинская премия [3]. В настоящее время внимание учёных, главным образом электрохимиков, сосредоточено на внедрении анодного электрического разряда в электролите (АЭРВЭ), однако и здесь отсутствие теоретической базы тормозит дело[4]. Аналитическая обработка литературных источников и проведённая НИР [5] позволили авторам предложить к внедрению катодно-анодный электрический разряд в электролите (КАЭРВЭ) с использованием в качестве электролита водопроводной воды. Опытные образцы марки «ИГРА»[6], в первую очередь, являются научно-техническим прорывом в обеспечении промышленности водяным паром температурой до 600 К. В полупромышленном масштабе реализована возможность преобразования электрической энергии в тепловую с Кпреоб >1, обоснованная экспериментально-теоретически [7], и наработка избыточного количества (относительно закона Фарадея) водородо-кислородной смеси, обнаруженная с сотр. [8].
Изучая проблематику получения дешёвого водорода, авторы зажгли электрический разряд в метаноле[9], рассматривая метанол в качестве второго члена гомологического ряда предельных спиртов (первым членом этого ряда является вода). Так как в водном плазмодинамическом (ПД) реакторе развиваются давления свыше 3000 МПа и температуры до 10000 К[10], то крайне необходимо выяснить, в каком состоянии вокруг ПД-реактора находится электролит (в первом приближении - вода) при высоких давлениях и температурах.
2. Вода в твёрдой фазе
К настоящему времени открыты 11 типов льда [11]. Лёд, который мы встречаем в повседневной жизни, называют гексагональным – это лёд Ih. Однако лёд нельзя называть кристаллом в строгом смысле – он представляет собой «неупорядоченный кристалл» [12]. Только с точки зрения расположения атомов кислорода лёд представляет собой правильный кристалл. Однако, исходя из расположения протонов (водорода), его можно отнести к неупорядоченным аморфным телам. Неупорядоченное расположение протонов (дейтронов) при наличии ионных и ориентационных дефектов позволяет льду проводить постоянный ток и в то же время делает возможной диэлектрическую поляризацию. Таким образом, лёд проявляет как свойства полупроводника, так и свойства диэлектрика. Согласно статистической модели [13] «в кристалле» льда ни на миг не прекращается относительное изменение расположения протонов (водорода): за одну секунду возникает и исчезает около 104 различных вариантов, что отражает «неупорядоченность» этих «кристаллов». Как известно [14], существует лишь 2 структуры, образуя которые, молекулы занимают тетраэдрические позиции: гексагональная и кубическая. Однако лёд с кубической структурой Iс существует [15] лишь в метастабильной фазе, которая может образовываться только при температурах ниже 173 К.
При быстрой конденсации паров воды при Т менее 113 К образуется стеклообразный лёд [16]: в нём неупорядочено как расположение протонов (водорода), так и атомов кислорода.
В 1900г. G. Tamman, получив давления до 300 МПа открыл лёд II и лёд III [17]. Давления свыше 1000 МПа получил в 1912г. P. W.Bridgmann и открыл лёд IV и лёд VII [18]. Если продолжать сдавливать открытый G. Tamman лёд III, то при давлении 370 МПа образуется более плотный лёд V. При дальнейшем повышении давления возникает ещё более плотный лёд VI. В интервале давлений 2000÷2500 МПа лёд VI переходит в ещё более плотную фазу – лёд VII. При дальнейшем повышении давления можно получить лёд VIII (1966г.), лёд IX (1968г.) и далее «горячий лёд» с температурой плавления более 700 К. Данные по достаточно хорошо изученным разновидностям льда приведены в Табл.1.
Таблица 1. Разновидности льда
Фазы льда | Кристаллографическая система | Плотность, г/см3 | Диэлектрическая проницаемость |
Лёд Ih Лёд Iс Стеклообразный лёд | Гексагональная Кубическая Аморфное вещество | 0,92 0,92 1,10 | 99 99 ? |
Лёд II Лёд Ш Лёд IV Лёд V Лёд VI Лёд VII VIII Лёд IX | Ромбоэдрическая Тетрагональная Ромбоэдрическая Моноклинная Тетрагональная Кубическая Кубическая Тетрагональная | 1,17 1,14 1,28 1,23 1,31 1,50 1,50 1,14 | 3,66 117 ? 114 193 ≈150 ≈4 ≈4 |
3. Жидкая вода – не просто H2O
Лёд Ih в нормальных условиях плавят и подвергают химическому анализу. Результат анализа и сравнительный масштаб содержания изотопных компонентов в природной воде представлены в табл.2.
Таблица 2. Изотопный состав природной воды[19].
Молекулы воды | Cодержание, % от всей воды | Соответствие содержанию в морской воде |
1Н216О 1Н218О D217О 1НD16О 1НD18О 1НD17О D216О D218О D217О | 99,73 0,20 0,04 0,02 0,00006 0,00001 0,000003 0, 0, | - Магния Кальция Калия Азота Алюминия Фосфора Ртути Золота |
Таким образом, чистая вода представляет собой смесь изотопных сочетаний, которую можно называть «природным жидким (ПЖ) оксидом водорода». В различных условиях ПЖ – оксид водорода переходит в многочисленные равновесные структурные системы, содержащие, например, гидратированный протон (дейтрон) Н+ (H2O)х, гидратированный электрон е - (H2O)у, гидратированный гидроксил – ион ОН - (H2O)z и т. д.[20].
Вода, подвергнутая даже сравнительно невысокому давлению в 300 МПа, а затем освобождённая от него, уже «не та» - на некоторое время она резко меняет свои физические свойства: кипит не при Т = 373 К, а значительно выше, не даёт возникнуть кавитации там, где прежде она возникала, воду можно слегка растягивать, создавая в ней отрицательные напряжения до величины в 100 кПа и т. д.
В табл.3 представлены значения плотности воды при различных давлениях, рассчитанные по экспериментальным данным P. W.Bridgmann (1933г.).
Таблица 3. Плотность воды при высоких давлениях [11]
Давление, МПа | Температура, К | Плотность, г/см3 |
0,1 100 200 200 500 500 1200 1200 | 273 273 273 253 273 268 373 323 | 0,9998 1,0443 1,0798 1,0866 1,1575 1,1598 1,2197 1,2441 |
Подавляющее большинство учёных не сомневается в том, что проблема строения жидкой воды сложна, и потому в значительной мере не решена. При этом имеют ввиду природную воду в условиях, близких к нормальным. В настоящее время известно более 20 моделей достаточно удовлетворительно описывающих структуру жидкой воды [21]. Их можно разделить на 5 условных групп: 1) непрерывные модели; 2) двухструктурные модели; 3) модели с заполнением пустот; 4) кластерные модели; 5) модели ассоциатов.
По мнению авторов, прогресс в решении проблемы может быть достигнут после создания теории водных полимеров, построенных за счёт водородных связей с энергией в интервале значений: 10÷40 кДж / моль. Не структура – а строение водных полимеров; не структурная перестройка – а синтез новых водных полимеров с перегруппировкой или образованием новых типов водородных связей; не «мерцающие кластеры» - а мерцающие олигомеры, которые пока называют, например [22], «большими объёмами конденсированных фаз Н2О … с синхронными переходами протонов» и т. д. Рис.1 иллюстрирует представление о льде Ih как о «водном полимере».
Х, Ом-1∙м-1 Е
106 ν, Гц
Рис.1 Лёд Ih – полимер нового типа («неупорядоченный кристалл») [11]
Х-электрическая проводимость
Е- диэлектрическая проницаемость
При таком подходе процесс отвердевания воды при Т=373 К и Р=0,1 МПа представляет собой синтез из водных олигомеров (жидкая фаза) водного полимера (твёрдая фаза). Если разрабатываемая теория будет правильной, то она должна объяснять как общие свойства жидкостей [23], так и аномальные свойства жидкой воды, перечисленные в Табл.4.
Авторы надеются в недалёком будущем представить предварительные разработки полимерной теории воды. В настоящее же время они проводят теоретические изыскания для оценки электромагнитных взаимодействий «мономеров Н2О» в конденсированных фазах. Базовой предпосылкой для проведения такой работы служит достаточный уровень познания двух соответствующих силовых характеристик молекулы воды [25]: 1) молекула Н2О представляет собой двойной симметричный донор и акцептор протонов (дейтронов) [22]; 2) молекула Н2О является нессиметричным ротором, осциллирующим из ортоводы в параводу и наоборот [26], причём массовое соотношение ортовода / паравода для лёгкой воды составляет 3/1, а для тяжёлой воды – 2/1.
Таблица 4. Аномальные физические свойства жидкой воды [24]
Свойства | Сравнение с другими веществами | Роль в физических и биологических явлениях |
Скрытая теплота испарения | Наиболее высокая из всех веществ | Крайне важно для теплового и водного переноса в атмосфере |
Поверхностное натяжение | Наиболее высокая из всех жидкостей | Важно для физиологии клетки, определяет поверхностные явления, свойства капли |
Диэлектрическая постоянная | Наиболее высокая из всех жидкостей | Определяет растворяющую способность и диссоциацию веществ в воде |
Теплопроводность | Наиболее высокая из всех жидкостей | Основную роль играет в процессах малого масштаба |
Теплоёмкость | Наиболее высокая среди всех веществ за исключением NH3 | Уменьшает пределы температурных колебаний, способствует сохранению постоянной температуры тела |
Скрытая теплота плавления | Наиболее высокая для всех веществ, кроме NH3 | Термостатирующий эффект в точке замерзания |
Вязкость | С повышением давления проходит через минимум | Определяет гидродинамику водных объектов |
Тепловое расширение | Максимальная плотность при Т=277 К | Играет важную роль в сохранении водоёмов от промерзания до дна |
Растворяющая способность | Как правило, растворяет большинство веществ | Связывает между собой физические и биологические явления |
Прозрачность | Относительно велика | Важна для физических и биологических явлений |
Электролитическая диссоциация | Очень мала | Нейтральное вещество, но всё же содержит ионы Н+ и ОН- |
Летучесть | Наименьшая среди соединений водорода с элементами подгруппы кислорода | Медленная потеря влажности различными материалами |
4. «Закритические состояния» водного электролита
Разрабатываемые авторами изделия марки «ИГРА» ( парогенераторы, генераторы тепловой энергии, генераторы водорода [27] ) практически используют в качестве электролита водопроводную воду, представляющую собой водный раствор сильных электролитов (карбонатов, сульфатов, нитратов и пр.) с суммарной концентрацией 0,2÷0,5 г/л. Авторы считают, что при концентрации примесей такого порядка «закритические» свойства водопроводной воды можно коррелировать с фазовыми состояниями чистой природной воды. На рис.2 построен принципиальный контур фазовой диаграммы воды в соответствии с материалом, изложенным выше. Ордината этой диаграммы имеет логарифмический масштаб. Такая зависимость Р(Т) позволяет удобно рассматривать состояние воды, окружающей плазменную сферу плазмоди-намического (ПД) реактора, формируемого вокруг рабочего электрода. Плазменная сфера имеет Т до 10000 К и Р свыше 3000 МПа – и, благодаря режиму зажигания и свойствам водного раствора электролита, она стационарно локализуется вокруг электрода формирующейся из электролита стенкой. Внутренняя сторона этой стенки находится в закритических для воды условиях, а внешняя сторона – в условиях, близких к нормальным, то есть в докритических для воды условиях. Демпфером между плазмой и биполярным плёночно-плазменным (БПП) электродом служит парогазовый слой. БПП – электрод с внутренней стороны поляризован противоположно рабочему электроду, а с внешней – однополярен с ним.
P ↑
Рис.2. Фазовая диаграмма природной воды
На рис.3 представлена гипотетическая схема ПД - реактора, построенная исходя из параметров плазмы, фазовой диаграммы природной воды и экспериментально полученных свойств БПП - электрода таких, как вентильные свойства, относительные размерная и температурная стабильности и т. п.
↑
Биполярный плёночно-плазменная электрод
Рис 3. Модель плазмодинамического реактора
5. Генерация водорода, тепловой энергии, водяного пара.
В 1777 г. А. Лавуазье сформулировал теоретические основы реакции 2Н2 + О2 = = Н2О. Однако характер этой реакции теряет физико-химический смысл, если не оговорены условия, в которых происходит реакция: температура, давление, построение межфазных границ, распределение напряжённости электрического и магнитного по-лей, маршруты прохождения электрического тока и т. д. Наиболее общий тер-модинамический закон указывает, что процесс протекает самопроизвольно при уменьшении свободной энергии Гиббса:
∆ G = ∆ H - T∆S < 0
Рис.4 указывает на то, что до температуры порядка 4000 К водородо – кислородная смесь взрывается с образованием воды, а при температуре, превышающей 4500 К, всё обстоит наоборот: пары воды со взрывом разлагаются на водород и кислород. Работа генератора водорода ИГРА – 5 зиждется на этом термодинамическом законе с учётом, конечно, отмеченных выше условий, формирующих энергию среды [28].
Вода, находящаяся в закритическом состоянии, («флюид») обладает «закритическими» свойствами [29]. Одно из них, по мнению авторов, использовано в разработках генератора тепловой энергии ИГРА-4 [30] - это резкое увеличение степени
Рис.4 Термодинамика взрыва воды
диссоциации воды, иллюстрируемое рис.5.
В закритической области создаются более благоприятные условия для нейтрализации протонов (дейтронов). α
Рис.5. Электрическая диссоциация воды в закритическом состоянии
Рекомбинация ионов водорода (протонов или дейтронов): Н+ + е - → Н + 13,6 эВ - осуществляется в большой степени. Если теория и соответствует действительности [31], то возможна, в принципе, регистрация процесса: d + + e - → (n0)2 + νe + 0,113 MэВ, где (n0)2 - динейтрон.
Разработка парогенераторов ИГРА 3/1 ÷ ИГРА 3/10 имеет чисто инженерный характер[32]. Водяной пар температурой до 600 К «вытягивается» из плазмодинамического реактора, при этом водопроводная вода в парогенераторе (ПГ) имеет температуру близкую к комнатной. Для потребителей, эпизодически применяющих пар, ПГ ИГРА 3/1 ÷ ИГРА 3/10 многократно более экономичны в сравнении с существующими паровыми котлами.
6. Заключение
Обозревая фазовую диаграмму природной воды, можно видеть, что классическая электрохимия использует воду только в узкой области докритического состояния. Плазменная же электрохимия присовокупляет к этой области гораздо большую область закритического состояния, хотя верхняя граница в настоящий момент не обозначена: плазменная электрохимия до настоящего времени не имеет самостоятельного статуса. Такое положение значительно сдерживает прогресс в решении проблем идентификации строения воды и водных электролитов [33,34].
Литература
1. , Давыдов реактор для нейтрализации протонов и дейтронов в природной воде.// Мат. 9-й Рос. конференции по холодной трансмутации ядер химических элементов. Дагомыс, Сочи 30 сентября – 7 октября 2001г. М., 2002, с.106-114.
2. Отчёт о НИР «Разработка и испытание инженерно--энергетических комплексов обработки загрязнённых вод с использованием возобновляемых источников энергии». № Гос. регистрации , инв..№ , 1989г. (Краснодарское отделение ВНИИТ).
3. Ясногородский металлов и сплавов в электролите. М., ГНТИ Маш. Лит-ры, 19с.
4. , , и др. Анодный нагрев в жидких растворах электролитов и его использование для обработки поверхностей металлов. Электронная обработка материалов, 1997, №1- 2, с.16-27.
5. Гришин ёт о НИР «Разработка генератора тепловой энергии, выделяющейся в процессах плазменно-электрохимической нейтрализации ионов водорода.». МИФИ, кафедра Физики плазмы, 2001 г.
6. , , Попов проекта «Плазменно-электрохимические генераторы тепловой энергии» // Научная сессия МИФИ - 2004., М., МИФИ, 2004, Т 11, с. 79-83.
7. Скуратник получения избыточной энергии при электрохимическом разложении воды. Мат. 9-й Росс. конф. по холодной трансмутации ядер химических элементов, Дагомыс, Сочи 30г. М., 2001, с.5.
8. , , Хохлов избыточного тепла и сопутствующей трансмутации ядер при электролизе в условиях протекания плазменного разряда в прикатодной области. Мат. 7й Росс. Конф. по холодной трансмутации ядер химических элементов, Дагомыс, Сочи, 4-11.10.2000г. М.,2000, с.138.
9. Гришин разряд в метанольном электролите. В печати.
10. , Щербак синтез предельно энергонасыщенного электролитического вещества в водных растворах электролитов // Мат. 7-й Росс. конф. по холодной трансмутации ядер химических элементов (РХТЯ-7), Дагомыс, Сочи, 27.09-2.10.1999г. М.,2000, с.58-67.
11. Наука о льде. М., Мир, 19с.
12.Bjerrum N. Structure and properties of ice. Science, vol. 115, p.
13.Химическая энциклопедия. М., Изд-во «Сов. энциклопедия», 1988, с. 764-766.
14., Шаскольская кристаллография, тМ., .
15.Яги Такэхико, Дайамондо анбирŷ, Кагаку, т.49, №8 с.
16.Каваи Наото. Тёкацука буссей. Кĕкучэн дзётай-но буцури. Токио, «Марудзен», 1976. с.91.
17.Tamman G. Aggregatzustănde. Berlin, Verlag von Voss, 19s.
18.Bridjmann P. W. The phase diagram of water to 45 000 kg / cm3, J. Chem. Phys., vol.5, s.
19.Дерпгольц воды. Л., Недра, 1979г. -254с.
20. Гидратированный электрон. М., Атомиздат, 1973. – 280с.
21. Структура и свойства воды. М., Гидрометеоиздат, 1975. – 280с.
22.Зацепина свойства и структура воды. 3-е изд. М., МГУ, 19с.
23.Фрадкин пятна безбрежного океана. М. Недра, 19с.
24.Никаноров . Л., Гидрометеоиздат, 1989., с.30-31.
25.Соколов : проблемы на рубеже XXI века. Л., Гидрометеоизмат, 19с.
26.Классен и магнит. М., Наука, 1973. – 111с.
27., , Попов проекта «Плазменно - электрохимические генераторы тепловой энергии. Научная сессия МИФИ-2003, М., 2003, Т.11, с. 112-118.
28. Гришин -электрохимическое разложение воды. В печати.
29. Природа критического состояния. М., Наука, 198с.
30. , , Щаврук электрический разряд в электролите // Научная сессия МИФИ-2003. Сб. научн. трудов. в 14 томах. Т.4., М. МИФИ, 2003, с. 123-124.
31. , К вопросу холодного ядерного синтеза. Динейтронный подход. // Мат. 2-й Росс. конф. по холодному синтезу и трансмутации ядер, Сочи, 19-23.09.1994г. М.,1995, с.41-48.
32. , , Щаврук генерации водяного пара в электрическом разряде нового типа // Сб. научн. тр. Научная сессия МИФИ-2002., М., 2002, т.4. с. 70-71.
33. Синюков известная и неизвестная. - М.: «Знание», М., 19с.
34. Вода: структура, состояние, сольватация. Достижение последних лет. Отв. ред. академик . М., Наука, 2003. – 404с.
PLАZMA DYNAMIC HIDROGEN GЕNЕRАTION FROM NATURAL WATER
V. Yu.. Velikodny, V. G.Grishin.
Applied Mechanic Institute (RAS)
*****@***ru, *****@***ru
The exsperimental-theoretical investigation of plazma-dynamic (PD) reactor about the metallic electrode is continude. More than 100 publication for 125 years period of time were analyzed in the field of water’s structure and properties for the PD-state explanation. The plazma-electrochemical (PECh) process was shown to take place at the water blast, when natural water is existing in 4 phase forms and it’s accumulated energy is effectively outputting. The PECh-processes are the object of plazma electrochemistry – the science which hasn’t independent statuse up until this point. The plazma electrochemistry chief subject is PD-reactor.
