Энергоэффективный электролиз (ЭЭЭ) в нано-микрочастицах водяного пара

Ким С. Г, д.х.н., академик ЕАЕН, академик МАФО, Григоров В. А., вед. конструктор, Ким И. С., с.н.с., Макарова М. В., инженер-экономист

Аннотация

Явление электролиза в нано-микрочастицах водяного пара широко распространено в природе. Молнии при грозах связаны и с электролизом в нано-микрочастицах водяного пара в грозовых тучах. Это явление можно называть нано-микроэлектролизом. По сравнению с классическим электролизом воды нано-микроэлектролиз водяного пара обладает повышенной энерго-эффективностью, обусловленной тем, что электрическая энергия не тратится на диссоциацию молекул воды на ионы водорода и гидроксила с их перемещением к противоположным электродам в макроскопической плотной массе воды. Процессы электролитической диссоциации молекул воды на водород и кислород протекают в нано-микрочастицах водяного пара с последующим их воссоединением (горением) «тут же» без макроперемещений к противоположным электродам.

Ключевые слова: климатическая катастрофа, электролиз в нано-микрочастицах водяного пара, «зелёный» водород.

Energy efficient electrolysis (EEE) in nano-microparticles of water vapor

Kim S. G, Doctor of Chemical Sciences, Academician EANS, Academician IAME, Grigorov V. A., Lead Designer, Kim I. S., Senior Researcher, Makarova M. V., Engineer-Economist

Abstract

The phenomenon of electrolysis in nano-microparticles of water vapor is widespread in nature. Lightning during thunderstorms is also associated with electrolysis in nano-microparticles of water vapor in thunderclouds. This phenomenon can be called nano-microelectrolysis. Compared with the classical electrolysis of water, nano-microelectrolysis of water vapor has increased energy efficiency due to the fact that electrical energy is not spent on the dissociation of water molecules into hydrogen and hydroxyl ions with their movement to opposite electrodes in a macroscopic dense body of water. The processes of electrolytic dissociation of water molecules into hydrogen and oxygen take place in nano-microparticles of water vapor with their subsequent reunification (combustion) “right there” without macro displacements to opposite electrodes.

Key words: climatic catastrophe, electrolysis in nano-microparticles of water vapor, «green» hydrogen.

Физико-химические основы электролиза в нано-микрочастицах водяного пара

Атмосферный воздух состоит в основном из азота, кислорода и сравнительно небольшого количества водяных паров: N₂ (~79,5% об.), O₂ (~19,5% об.) и H₂O (~1% об.). Перед грозой обычно дуют ветры, часто очень сильные. Относительные движения туч и их слоёв, часто вихревых, приводят к эмиссии электронов, что ведёт к возникновению разности потенциалов, как между тучами и их слоями, так и между тучами и Землёй. Напряжённости возникающих при этом электрических полей очень высокие: тысячи, десятки. сотни тысяч и более В/см. Полярные молекулы при таких высоких напряжённостях электрического поля «выстраиваются» вдоль силовых линий электрического поля, как между тучами, так и между ними и Землёй.

Явление «выстраивания» (ориентации) полярных молекул известно для твёрдых тел. Например, операция поляризации пьезокерамических пластин производится при охлаждении нагретых до нескольких сотен градусов Цельсия пьезокерамических пластин с одновременным приложением электрического поля напряжённостью в несколько тысяч В/см.

Молекулы воды полярны, т.е. являются электрическими диполями. Молекулы же азота и кислорода не являются электрическими диполями. Следовательно, в атмосфере ориентируются и выстраиваются вдоль силовых линий электрических полей только молекулы воды. В ходе выстраивания молекул воды вдоль электрических силовых линий неполярные молекулы газовой среды вытесняются из линий выстраивания молекул воды, и в идеале могут осуществиться цепочки из молекул только воды.

Это означает, что происходит концентрация (в идеале до 100%) молекул воды в «водяных нитях». В этих «водяных нитях» молекулы воды утрачивают две поступательные и две вращательные степени свободы. Очевидно, энергии утраченных поступательных и вращательных степеней свободы молекул воды должны перейти куда-то. Скорее всего, в оставшиеся одну поступательную, одну вращательную и во внутренние колебательные степени свободы, т.е. должны аккумулироваться молекулами воды. Это – первый возможный механизм аккумулирования энергии.

Процесс собирания молекул в одномерно твёрдоподобные «водяные нити» подобен природному процессу конденсации молекул воды в капли или снежинки. Конденсация, как известно, происходит с выделением конденсационной или адсорбционной энергии. Очевидно, выделяемая энергия куда-то должна перейти. Перераспределяться выделяемая энергия может и в самой «водяной нити». Это – второй возможный механизм аккумулирования энергии.

Сконцентрированные и выстроенные в нити молекулы воды представляют фактически «линейные твёрдые состояния воды», т.е. состояния своеобразного «линейного льда». Но твёрдое (ледовое) состояние воды осуществляется, как известно, при гораздо более низких температурах, чем температуры при грозах. Следовательно, чтобы существовать в состоянии твёрдоподобного «линейного льда», эта структура должна освободиться от излишней энергии и передать её другим окружающим молекулам, например, соседним молекулам, которые, очевидно аккумулируют полученную энергию. Это – третий возможный механизм аккумулирования энергии.

Упорядочивающему действию электрического поля противодействует разупорядочивающее тепловое хаотическое движение молекул газовой среды атмосферы. Образование длинных непрерывных одномерных «водяных нитей» между «катодами» и «анодами» практически невозможно. Если бы такие нити и образовывались бы, то тепловое движение молекул разорвало бы их на малые нано-микрометрические цепочки.

Здесь важно то, что молекулы воды в электрическом поле высокой напряжённости могут существовать не только в форме одиночных молекул, но и в ассоциированной форме из нескольких или нескольких десятков, сотен, тысяч и более молекул, в виде нано-мирочастиц. Иными словами, полярные молекулы воды в электрическом поле высокой напряжённости нано-микроструктурируются. Это явление логично называть «электростимулированным нано-микроструктурированием в газовой среде».

При высоких напряжённостях электрического поля происходит эмиссия электронов из «катодных» (отрицательно заряженных) областей. Двигаясь под воздействием электрического поля, они сталкиваются с молекулами газовой среды атмосферы, «прилипают» к ним и ионизируют их.

Вероятнее всего электроны «прилипают» к молекулам с максимальным положительным сродством к электрону. Такими молекулами в атмосфере оказываются молекулы кислорода. Интересно отметить, что в природе целительный морской (и лесной, и горный) воздух содержит аэроионы именно в виде отрицательно заряженных ионов молекул кислорода (O₂)^—.

Итак, электрон (e) «прилипает» к молекуле кислорода, и превращает её в ион кислорода по реакции:

O₂ + e → (O₂)^—  (1)

При этом выделяется +83.9 кДж/моль. Знаком (+) будем обозначать энергию, выделяемую (отдаваемую), а знаком (-) – поглощаемую.

Такие ионы при атмосферном давлении, когда расстояние между молекулами составляет нано-микрометры, являются центрами сильного электрополевого воздействия на полярные молекулы, в данном случае на молекулы воды. Очевидно, электрические диполи молекул воды будут притягиваться к иону (O₂)^—  положительными сторонами (концами).

И не только одиночные молекулы, но и упомянутые выше нано-микрочастицы из нескольких или нескольких десятков, сотен и более молекул воды. Для определённости пусть к иону (O₂)^—  притягиваются и прилепляются как одиночные молекулы, так и наночастицы из молекул воды, в общей сложности, пусть, 34 молекулы воды:

(O₂)^— + 34 H₂O → (O₂)^— • 34 H₂O (2)

В 34 ассоциированных молекулах воды аккумулирована соответствующая адсорбционная или конденсационная энергия  34 × 40,7 = + 1383,8 кДж/моль. В центре нано-микрочастицы располагается ион (O₂)^—, который может подвергнуться распаду под воздействием избыточной энергии нано-микрочастицы:

(O₂)^— • 34 H₂O → (O + O + e) + 34 H₂O (3)

Энергетические затраты на эту реакцию составляют: — 493,6 кДж/моль на разрыв химической связи O – O и — 83.9 кДж/моль на отрыв электрона. Всего — 577,5 кДж/моль. Однако, освободившийся внутри нано-микрочастицы электрон не может оставаться свободным, и прилипает к другой ближней и энергетически выгодной частице в соответствии со стремлением системы к минимуму энергии. Такой частицей оказывается атом кислорода:

(O + O + e) • 34 H₂O → (O + O^—) • 34 H₂O (4)

Образование иона O^— осуществляется энергетическим сопровождением +224,68 кДж/моль (сродство электрона к атому кислорода). Свободный атом кислорода очень активен и быстро (тут же в центре нано-микрочастицы) вступает в химическую реакцию с ближней молекулой воды в нано-микрочастице с образованием молекулы перекиси водорода:

(O + O^—) • 34 H₂O → (O + H₂O + O^—) • 33 H₂O (5)

(O + H₂O + O^—) • 33 H₂O → (H₂O₂ + O^—) • 33 H₂O (6)

Образование перекиси водорода сопровождается энергетическим эффектом +187,7 кДж/моль. Молекула H₂O₂ не стабильна и распадается на две частицы OH с поглощением — 217,68 кДж/моль:

(H₂O₂ + O^—) • 33 H₂O → (OH + OH + O^—) • 33 H₂O (7)

В динамичных и напряжённых условиях внутри твёрдоподобной нано-микрочастицы происходит дальнейший распад образовавшихся частиц на атомы:

(OH + OH + O^—) + 33 H₂O → (O + H + O + H + O^—) • 33 H₂O (8)

На это расходуется удвоенная энергия разрыва химической связи O – H: 2×(- 427,8) = — 855,6 кДж/моль. Но образовавшиеся атомы кислорода и водорода чрезвычайно активны и соединяются в соответствующие стабильные двухатомные молекулы с энергетическим эффектом: +493,6 + 432,1 = +925,7 кДж/моль, и, как неполярные молекулы, покидают нано-микрочастицу:

(O + H + O + H + O^—) • 33 H₂O → (O₂ + H₂ + O^—) • 33 H₂O (9)

(O₂ + H₂ + O^—) • 33 H₂O → O₂ + H₂ + [(O^—) • 33 H₂O] (10)

В результате в пространство из нано-микрочастицы высвобождаются одна нейтральная молекула кислорода и одна нейтральная молекула водорода.

Оставшийся в наночастице ион кислорода O^—  взаимодействует с ближней молекулой воды и, благодаря своему сильному электрическому полю (расстояние менее 1 микрона), электролитически диссоциирует её на положительный ион водорода H⁺ и отрицательный ион гидроксила (OH)^— по реакции :

(O^— + H₂O) • 33 H₂O → [O^— + H⁺ + (OH)^—] • 32 H₂O (11)

На это расходуется – 498,7 кДж/моль. Ионы кислорода и водорода соединяются в электронейтральный гидроксил OH:

С энергетическим эффектом + 427,8 кДж/моль.

Центральная область нано-микрочастицы (OH + OH^— ) весьма своеобразна, состоит из двух одинаковых группировок OH и одного электрона. Но для выполнения роли «слуги двух господ-близнецов» электрон должен время от времени отрываться от каждого из них, что можно выразить:

(OH + OH^— ) • 32 H₂O → (OH + OH + e) • 32 H₂O (13)

Расход энергии составляет -298,3 кДж/моль – энергию сродства к электрону группировки OH. В энергоизбыточной твёрдоподобной нано-микрочастице группировки OH распадаются на атомы

(OH + OH + e) • 32 H₂O → (O + H + O + H + e) • 32 H₂O (14)

с энергозатратой 2×(-427,8) = — 855,6 кДж/моль. Но образовавшиеся активные атомы кислорода и водорода соединяются в молекулы кислорода и водорода с энергетическим эффектом +493,6 + 432,1 = +925,7 кДж/моль.:

(O + H + O + H + e) • 32 H₂O → (O₂ + H₂ + e) • 32 H₂O (15)

В создавшихся условиях электрон «прилипает» к молекуле кислорода с положительным сродством к электрону (энергия системы уменьшается на +83,9 кДж/моль), а не к молекуле водорода, у которой отрицательное сродство к электрону.

(O₂ + e) • 32 H₂O → (O₂) ^—  • 32 H₂O (16)

Заряженная наночастица вернулась к состоянию (2) с той лишь разницей, что вместо 34 молекул воды в нано-микрочастице содержится 32 молекулы воды. Но явно видно, что заряженная нано-микрочастица завершила некий цикл процессов, и на этом может прекратить своё существование в случае разрядки. А может вступить в следующий цикл процессов, подобных (3) – (15), если разрядки не происходит.

Материально-энергетический баланс в нано-микроэлектролизе водяного пара

Перед возможным началом следующего цикла процессов проведём материально-энергетический баланс процессов (1) – (16). Почему были взяты именно 34 молекулы воды из других возможных чисел молекул воды в нано-микрочастице? Это было сделано с целью энергетического обеспечения всех процессов в цикле.

Итак, материальный результат цикла состоит в том, что две молекулы воды исчезли и появились две молекулы водорода и одна молекула кислорода. Энергетический же результат составляет +1029,8 кДж/моль. Этого недостаточно для всех энергозатратных процессов следующего цикла. Величина энергетической недостаточности составляет приблизительно +438 кДж/моль. Этот недостаток может восполниться присоединением в общей сложности ещё 11-ти молекул воды. Тогда:

(O₂) ^—  • 32 H₂O + 11 H₂O → (O₂)^—  • 43 H₂O (17)

Результатом второго цикла, очевидно, также будет расщепление двух молекул воды на две молекулы водорода и одну молекулу кислорода:

(O₂ + e) • 43 H₂O → 2H₂ + O₂ + (O₂)^— • 41 H₂O (18)

Если и после второго цикла заряженная нано-микрочастица не разряжается, то начнётся третий цикл. Если и далее не происходит разрядки, то заряженная нано-микрочастица может расти до размеров в сотни, тысячи, … молекул воды.

В конечном итоге из 11 молекул воды 2 молекулы распадаются на две молекулы водорода и одну молекулу кислорода, т.е. 18,18% всех молекул воды исчезает, и появляются молекулы водорода и кислорода. Поскольку 1 моль водорода получается из одного моля молекул воды, то содержание водорода составит примерно 18, 18 %.об. Почти 20% об. — существенная доля в общем объёме паров воды. Возгорание такого количества водорода в молнии с обратным превращением в водяной пар может эффективно нагревать всю грозовую тучу до более высокой локальной температуры.

Перспективы использования нано-микроэлектролиза водяного пара в экологически безопасной и энергоэффективной грядущей «зеленой» энергетике

Речь идёт именно об энергоэффективной «зелёной» энергетике. Дело в том, что развиваемая в Западной Европе, США, Канаде, Японии, Китае и в других странах «зелёная» энергетика не является энергоэффективной в том смысле, что затрачиваемая на классический электролиз воды электроэнергия превышает энергию от сжигания получаемого водорода. С нано-микроэлектролизом же водяного пара получаемая энергия превышает затраченную, причём внушительно, не менее чем на 40%. Более точные проценты превышения могут быть получены в ходе проведения НИР по изготовлению и испытаниям лабораторного нано-микроэлектролизёра.

Изложенные физико-химические основы электролиза в нано-микрочастицах водяного пара и материально-энергетический баланс могут служить основанием для разработок нагревателей водяного пара, и не только очень мощных ступенчатых для тепловых электростанций и других промышленных предприятий, но и менее мощных для обогрева публичных зданий и сооружений, складских помещений … , вплоть до обогрева домов и квартир.

Такой обогрев будет очень экономным, поскольку отработанный (охлаждённый в обогреваемых помещениях) пар снова подаётся на вход нано-микроэлектролизёра – «котла, топки», в котором нагревается сгоранием нано-микроэлектролизного водорода, и с его выхода поступает в радиаторные батареи системы отопления всего здания, дома, квартиры, землянки. палатки, … .

Примечательно здесь то, что не требуется не только расходное топливо, но даже дополнительный пар. Работать (производить тепло) нано-микроэлектролизёр – «котёл, топка» может непрерывно на одном и том же паре, потому что нагретый пар, пройдя через радиаторы, охлаждается и подаётся на вход. Таким образом, обогрев зданий и помещений может осуществляться эффективными и экономными «печами-, котлами, топками» – нано-микроэлектролизёрами, не требующими не только топлива, но и дополнительного пара.

Потому что нагретый в нано-микроэлектролизёре пар охлаждается в радиаторах и непрерывно подаётся в нано-микроэлектролизёр. И это не только в обогреве домов и квартир, но и в тепловой электростанции с последовательными ступенями нано-микроэлектролизёров последовательно наращивающих температуру пара. Может работать фиксированное количество отработанного в турбинах пара для подачи на вход первой ступени нано-микроэлектролизёра. С выхода первой ступени, нагретый, пусть на 100⁰С, пар подаётся на вход второй ступени, где нагревается пусть ещё на 100⁰ С и т.д.

Достаточно будет 4-5 ступеней нано-микроэлектролизёров чтобы нагреть пар до 500⁰С, который запускается на лопасти турбин. Топлива для тепловой электростанции не требуется, только незначительное количество его для стартового получения пара. Работать будет отработанный в турбине пар, причём фиксированное его количество. Не нужно не только топливо, но и новых дополнительных порций пара. Работать непрерывно «ступени нано-микроэлектролизёров» могут на одном и том же количестве пара. У тепловой электростанции с «котлом» из нескольких ступеней нано-микроэлектролизёров водяного пара не будет текущих расходов-затрат ни на топливо, ни на пар. Ступени нано-микроэлектролизёров не требуют специальной котельной, и могут разместиться вблизи турбин в одном помещении с турбинами. Капитальные и текущие затраты на тепловые электростанции заметно сократятся.

Главное отличие нано-микроэлектролиза в нано-микрочастицах водяного пара от классического электролиза воды состоит в том, что в нано-микроэлектролизе электрическая энергия не тратится на разделение молекул воды на ионы водорода и гидроксила и их движение в плотной водной среде с большим сопротивлением их движению к противоположным электродам. Разделение водорода и кислорода происходит внутри наночастиц электрическим полем, создаваемым электронами, эмитированными специальными катодами. Эти электроны прилипают к молекулам кислорода (не чистый пар подаётся, а с небольшим содержанием воздуха, у которого 20% молекул кислорода О₂) и превращают их в ионы кислорода: O₂ + e → (O₂)^—  (1).

На эмиссию электронов тратится электроэнергии на порядки меньшие, чем в классическом электролизе воды. Процессы же образования молекул водорода и кислорода протекают за счёт разницы энергий ассоциации и диссоциации молекул в наночастицах при высоких напряжённостях электрических полей, создаваемых отрицательными ионами кислорода в нано-микрочастицах водяного пара. Эта энергия (энергия эмиссии электронов из отрицательного катода нано-микроэлектролизёра) на порядки меньше электроэнергии, затрачиваемой в классическом электролизе воды.

Дополнительно электроэнергия извне требуется только для искрового поджога образовавшегося водорода, управления дозировкой входного пара с воздухом и других не энергозатратных управляющих функций. Суммарно эта внешняя электроэнергия в десятки раз меньше электроэнергии, необходимой для классического электролиза воды. Соответственно цена производимого нано-микроэлектролизом «зеленого» водорода гораздо меньше цены водорода от классического электролиза воды.

Важнейшее преимущество нано-микроэлектролиза в том, что не требуются взрывоопасные и дорогостоящие хранение и транспортировка водорода к топкам больших промышленных (тепловых электростанций, металлургических, цементных, химических, … заводов) до малых (домов, квартир, офисных помещений, …). Водород образуется в нано-микроэлектролизёре и тут же сжигается как «зелено»-водородное топливо. Разрабатывается конструкция комнатного нано-микроэлектролизёра к воплощению в металле на стартовой НИР.

С замечаниями, мнениями и предложениями по сотрудничеству в проведении НИР можно обратиться к доктору Ким С.Г. по адресу: skim.spectr.nw@gmail.com .