Круговорот: топливо ↔ дым к эко-энергетическому изобилию

Ким С. Г, д.х.н., академик ЕАЕН, академик МАФО, Ким И. с.н.с. SAMSUNG Electronicks

Аннотация

Известны технологии высокотемпературного электролиза водяного пара. Явление электролиза в микрочастицах водяного пара широко распространено в природе. Молнии при грозах связаны и с электролизом в микрочастицах водяного пара в грозовых тучах. Это явление можно называть микроэлектролизом. По сравнению с классическим электролизом воды 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 плотной массе воды. Процессы электролитической диссоциации молекул воды на водород и кислород протекают в микрочастицах водяного пара с последующим их воссоединением (горением) «тут же» без энергозатратных макроперемещений к противоположным электродам как при электролизе водных электролитов. В смеси водяного пара и углекислого газа электролизу подвергаются и водяной пар и углекислый газ, в результате которых образуются водород и углерод – исходное топливо. Таким образом, осуществляется «кольцевание» от первичных энергоносителей к окисленным их формам и обратно к первичным энергоносителям, что обеспечит экологичное, практически неограниченное высокоэффективное энергообеспечение дальнейшего развития цивилизации.

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

Cycle fuel ↔ smoke: towards eco-energy abundance

Kim S. G., Doctor of Chemical Sciences, Academician of the EANS, Academician of the IAFЕ, Kim I. Senior Researcher, SAMSUNG Electronicks

Abstract

Known technologies of high-temperature electrolysis of water vapor. The phenomenon of electrolysis in water vapor micro particles is widespread in nature. Lightning during thunderstorms is also associated with electrolysis in micro particles of water vapor in thunderclouds. This phenomenon can be called micro electrolysis. Compared to classical water electrolysis, water vapor micro electrolysis 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 dense mass of water. The processes of electrolytic dissociation of water molecules into hydrogen and oxygen proceed in water vapor micro particles with their subsequent reunification (combustion) “immediately” without energy-consuming macro-movements to opposite electrodes, as in the electrolysis of aqueous electrolytes. In a mixture of water vapor and carbon dioxide, both water vapor and carbon dioxide undergo electrolysis, as a result of which hydrogen and carbon, the initial fuel, are formed. Thus, “ringing” is carried out from primary energy carriers to their oxidized forms and back to primary energy carriers, which will provide an environmentally friendly, practically unlimited, highly efficient energy supply for the further development of civilization.

Key words: climate catastrophe, electrolysis in water vapor micro particles, «green» hydrogen.

Физико-химические основы электролиза в микрочастицах водяного пара и углекислого газа

Атмосферный воздух состоит в основном из азота, кислорода и сравнительно небольшого количества водяных паров и углекислого газа: N₂ (~79,5% об.), O₂ (~ 19,5% об.), H₂O (~ 1% об.) и CO₂ (~ 450 ppm) . 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.

Содержание углекислого газа в атмосфере составляет менее 500 ppm. Поэтому объектом исследований возьмём дым из трубы угольной топки. Углекислый газ в таком дыму составляет 10 – 15% об.

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

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

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

Процесс собирания молекул в одномерно твёрдоподобные «водяные нити» и «углекислотные нити» подобен природному процессу конденсации молекул воды и углекислого газа 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 самих «водяных и углекислотных нитях». Это – второй возможный механизм аккумулирования энергии.

Сконцентрированные и выстроенные в нити молекулы воды и углекислого газа представляют фактически «линейные твёрдые состояния воды и углекислого газа», т.е. состояния своеобразного «линейного льда из молекул воды и углекислого газа (сухой лёд)». Но твёрдое (ледовое) состояние воды и углекислого газа осуществляется, как известно, при гораздо более низких температурах, чем температуры при грозах.

Следовательно, чтобы существовать в состоянии твёрдоподобного «линейного льда», эти структуры должны 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. Образование длинных непрерывных одномерных «водяных и углекислотных нитей» между «катодами» и «анодами» практически невозможно. Если бы такие нити и образовывались бы, то тепловое движение молекул разорвало бы их на малые микрометрические цепочки.

Здесь важно то, что молекулы воды и углекислого газа в электрическом поле высокой напряжённости могут существовать не только в форме одиночных молекул, но и в ассоциированных формах из нескольких или нескольких десятков, сотен, тысяч и более молекул, в виде микрочастиц. Иными словами, полярные молекулы воды и углекислого газа в электрическом поле высокой напряжённости микроструктурируются. Это явление логично называть «электростимулированным 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 и углекислого газа. 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 двухатомной молекулы 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 микрометры, являются центрами сильного электрополевого воздействия на полярные молекулы, в данном случае на молекулы воды и углекислого газа. Для определённости рассмотрим случай с молекулами воды. Очевидно, электрические диполи молекул воды будут притягиваться к иону (O₂)^—  положительными сторонами (концами).

И не только одиночные молекулы, но и упомянутые выше 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 микрочастицы 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 микрочастицы располагается ион (O₂)^—, который может подвергнуться распаду под воздействием избыточной энергии 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 микрочастицы электрон не может оставаться свободным, и прилипает к другой ближней и энергетически выгодной частице в соответствии со стремлением системы к минимуму энергии. Такими частицами оказываются атомы кислорода, к одному из которых «прилепляется электрон, превращая его в соответствующий ион»:

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

Образование иона O^—  осуществляется энергетическим сопровождением +224,68 кДж/моль (энергия сродства электрона к атому кислорода). Свободный атом кислорода очень активен и быстро (тут же в центре микрочастицы) вступает в химическую реакцию с ближней молекулой воды в 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 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 микрочастицу водяного пара:

(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 микрочастицы высвобождаются одна нейтральная молекула кислорода и одна нейтральная молекула водорода.

Оставшийся в наночастице атомарный 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) • 32 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 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 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 двухатомные 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 микрочастица вернулась к состоянию (2) с той лишь разницей, что вместо 34 молекул воды в микрочастице содержится 32 молекулы воды. Но явно видно, что заряженная микрочастица завершила некий цикл процессов, и на этом может прекратить своё существование в случае разрядки. Но может вступить в следующий цикл процессов, подобных (3) – (16), если разрядки не происходит.

Рассмотрим последовательность процессов (2) – (16) для случая углекислого газа (вместо паров воды).

(O₂)^— + n CO₂ → (O₂)^— • nCO₂ (2.1)

Полярные молекулы углекислого газа ориентируются положительными сторонами к отрицательному аэроиону (O₂)^—, образуя микрочастицы из молекул углекислого газа с центральным аэроином (O₂)^—. В центре микрочастицы располагается ион (O₂)^—, который может подвергнуться распаду под воздействием избыточной энергии микрочастицы:

(O₂)^— •nCO₂ → (O + O + e) + •nCO₂ (3.1)

Однако, освободившийся внутри 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^—) •nCO₂ (4.1)

Свободный атом кислорода очень активен и быстро (тут же в центре микрочастицы) вступает в химическую реакцию с ближней молекулой углекислого газа в микрочастице:

(O + O^—) •nCO₂ → (O + CO₂ + O^—) (•n‒1) CO₂ (5.1)

(O + CO₂ + O^—) (•n‒1) CO₂ → (CO₃ + O^—) (•n‒1) CO₂ (6.1)

Молекула CO₃ соединяется с ионом O^—, образуя ион (CO₄)^— , который распадается на молекулу CO₂ и ион (O₂)^—:

(CO₃ + O^—) (•n‒1) CO₂→ [CO₂ + (O₂)^—] (•n‒1) CO₂ (7.1)

В динамичных и напряжённых условиях внутри твёрдоподобной микрочастицы происходит дальнейший распад образовавшихся частиц:

Но образовавшиеся атомы кислорода и углерода чрезвычайно активны, вследствие чего соединяются в стабильные молекулы CO₂, CO и покидают микрочастицу:

(O+C+O+O+C+O^—) + (•n‒1) CO₂ → (CO₂ + CO) + [O^— + (•n‒1) CO₂] (9.1)

В результате в пространство из микрочастицы высвобождаются одна нейтральная молекула двуокиси углерода и одна нейтральная молекула моноокиси углерода.

Оставшийся в наночастице ион кислорода O^—  взаимодействует с ближней молекулой двуокиси углерода и, благодаря своему сильному электрическому полю (расстояние менее 1 микрона), электролитически диссоциирует её на положительный ион углерода С⁺  и отрицательный аэроион (O₂)^— по реакции:

Ионы углерода и кислорода соединяются в электронейтральную молекулу углекислого газа:

С⁺ + (O₂)^— + [(•n‒2) CO₂] → СO₂ + [(•n‒2) CO₂] (12.1)

Образовавшаяся молекула СO₂ может пребывать в одиночном состоянии, но может и присоединиться к «сообществу» [(•n‒2) CO₂], увеличивая число его молекул:

СO₂ + [(•n‒2) CO₂] → [(•n‒1) CO₂] (13.1)

Присоединяя свободную молекулу углекислого газа, микрочастица [(•n‒1) CO₂] увеличивает количество молекул CO₂ в ней на единицу:

Микрочастица [(•n) CO₂], взаимодействуя с одним из множества аэроионов (O₂)^— в пространстве, приходит к состоянию:

(O₂)^— + n CO₂ → (O₂)^— • nCO₂ (15.1)

Таким образом, система вернулась к состоянию, аналогичному стартовому состоянию (2.1):

(O₂)^— + n CO₂ → (O₂)^— • nCO₂ (16.1)

Материально-энергетический баланс в 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 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 микрочастица не разряжается, то начнётся третий цикл. Если и далее не происходит разрядки, то заряженная 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 нагревать всю грозовую тучу до более высокой локальной температуры.

Процессы, описанные уравнениями (1) – (18) с парами воды, могут параллельно осуществляться и с молекулами углекислого газа.

Перспективы использования явлений микроэлектролиза водяного пара и углекислого газа в экологически безопасной и энергоэффективной «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 водных электролитов электроэнергия превышает энергию от сжигания получаемого водорода. С микроэлектролизом же водяного пара и углекислого газа получаемая энергия превышает затраченную, причём внушительно. Конкретные величины превышения должны быть получены в ходе проведения НИР по изготовлению и испытаниям лабораторного микроэлектролизёра водяного пара и углекислого газа.

Изложенные физико-химические основы электролиза в микрочастицах водяного пара с углекислым газом 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 автономного обогрева комнат домов и квартир.

Такой обогрев будет очень экономным, поскольку отработанный (охлаждённый при нагреве циркулирующего теплоносителя — воды) пар снова подаётся на вход микроэлектролизёра – «котла, топки», в котором нагревается сгоранием микроэлектролизных водорода и углерода.

Примечательно здесь то, что не требуется не только расходное топливо, но даже дополнительный пар. Работать (производить тепло) микроэлектролизёр – «котёл, топка» может непрерывно на одном и том же паре, потому что нагретый пар с выхода, охлаждаясь на нагреве водного циркулирующего в системе отопления помещений теплоносителя (воды), снова подаётся на вход . Таким образом, обогрев зданий и помещений может осуществляться эффективными и экономными «печами-, котлами, топками» – микроэлектролизёрами, не требующими не только топлива, но и дополнительного пара.

Примечательно, что это не только в обогреве домов и квартир, но и в тепловой электростанции с последовательными ступенями микроэлектролизёров последовательно наращивающих температуру пара. Может работать фиксированное количество отработанного в турбинах пара для подачи на вход первой ступени микроэлектролизёра. С выхода первой ступени, нагретый, пусть на 200⁰С, пар подаётся на вход второй ступени, где нагревается пусть ещё на 100⁰ С и т.д.

Достаточно будет 4-5 ступеней 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 новые дополнительные порции пара. Работать непрерывно «ступени микроэлектролизёров» могут на одном и том же количестве пара. У тепловой электростанции с «котлом» из нескольких ступеней микроэлектролизёров водяного пара не будет текущих расходов-затрат ни на топливо, ни на пар. Ступени микроэлектролизёров не требуют специальной котельной, и могут разместиться вблизи турбин в одном помещении с турбинами. Капитальные и текущие затраты на тепловые электростанции заметно снизятся.

Главное отличие микроэлектролиза в микрочастицах водяного пара и углекислого газа от классического электролиза водных электролитов состоит в том, что в 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 микрочастиц 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 меньше, чем в классическом электролизе водных электролитов. Процессы же образования молекул водорода и кислорода протекают за счёт разницы энергий ассоциации и диссоциации молекул в микрочастицах при высоких напряжённостях электрических полей, создаваемых отрицательными ионами кислорода в микрочастицах водяного пара и углекислого газа.

Эта энергия (энергия эмиссии электронов из отрицательного катода микроэлектролизёра) на порядки меньше электроэнергии, затрачиваемой в классическом электролизе водных электролитов.

Дополнительно электроэнергия извне требуется только для искрового поджога образовавшегося водорода, управления дозировкой входного пара с воздухом и других не очень энергозатратных управляющих функций.

Суммарно эта внешняя электроэнергия в десятки раз меньше электроэнергии, необходимой для классического электролиза водных растворов электролитов. Соответственно цена производимого микроэлектролизом «зеленого» водорода гораздо меньше цены водорода от классического электролиза водных растворов электролитов.

Важнейшее преимущество 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 микроэлектролизёре и тут же сжигается как «зелено»-водородное топливо. На основе изложенного необходимо разрабатывать конструкции микроэлектролизёров к воплощению их в металле.

С замечаниями, мнениями и предложениями можно обратиться к доктору Киму по адресу:  skim.spectr.nw@gmail.com .