alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2019.01-03.042-048alternative-1571Research ArticleВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКАHYDROGEN ECONOMYПОЛУЧЕНИЕ ВОДОРОДА В АКУСТОПЛАЗМЕННОМ РАЗРЯДЕ В ПОТОКЕ ЖИДКОФАЗНОЙ СРЕДЫSYNTHESIS OF HYDROGEN IN ACOUSTOPLASMA DISCHARGE IN A LIQUID-PHASE STREAMБулычевН. А.BulychevN. A.

д-р хим. наук, ведущий научный сотрудник, Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН; профессор МАИ.

д. 53, Ленинский пр-т, Москва, 119991, Россиятел.: +7(499)132-62-47

д. 4, Волоколамское шоссе, Москва, 125993, Россиятел.: +7(499)135-78-90

D.Sc. in Chemistry, Chief Researcher, P.N. Lebedev Physics Institute;  Professor of MAI

53 Leninsky Av., Moscow, 119991, Russiatel.: +7(499)132-62-47

4 Volokolamskoe drive, Moscow, 125993, Russiatel.: +7(499)135 78 90

nbulychev@mail.ruФизический институт им. П.Н. Лебедева РАН Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет)РоссияLebedev Physical Institute of RAS Moscow Aviation InstituteRussian Federation201923022019001-034248Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20192019Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/1571

Проведено исследование плазменного разряда в потоке жидкости под высоким давлением с целью получения газообразного водорода. Были разработаны методы и оборудование для возбуждения плазменного разряда в потоке жидкой среды. Поток жидкости под избыточным давлением направляется в гидродинамический излучатель, расположенный на входе реактора, в котором в жидкости за счет перепада давления и понижения энтальпии потока формируется сверхзвуковое двухфазное парожидкостное течение при пониженном давлении. В реакторе расположены электроды, между ними с помощью внешнего источника питания создается электрическое поле, напряженность которого превышает порог пробоя этой двухфазной среды, приводящее к возбуждению низкотемпературного тлеющего квазистационарного плазменного разряда.Проведена теоретическая оценка параметров такого разряда. Показано, что инициируемая в условиях потока жидкофазной среды в разрядном промежутке между электродами низкотемпературная плазма способна эффективно разлагать водородсодержащие молекулы органических соединений в жидкости с образованием газообразных продуктов, в которых доля водорода составляет более 90 %. Кроме того, при моделировании процесса были сделаны теоретические расчеты напряжения и тока разряда, которые согласуются с данными эксперимента. Производительность реакционной установки объемом 50 мл, применявшейся в экспериментах, составила 1,5 л водорода в минуту при использовании в качестве сырья смеси кислородсодержащих органических соединений. При разложении этих соединений в плазме в незначительных количествах образуются также твердофазные продукты: наночастицы углерода и наночастицы оксидов материалов разрядных электродов.

In this paper, the plasma discharge in a high-pressure fluid stream in order to produce gaseous hydrogen was studied. Methods and equipment have been developed for the excitation of a plasma discharge in a stream of liquid medium. The fluid flow under excessive pressure is directed to a hydrodynamic emitter located at the reactor inlet where a supersonic two-phase vapor-liquid flow under reduced pressure is formed in the liquid due to the pressure drop and decrease in the flow enthalpy. Electrodes are located in the reactor where an electric field is created using an external power source (the strength of the field exceeds the breakdown threshold of this two-phase medium) leading to theinitiation of a low-temperature glow quasi-stationary plasma discharge.A theoretical estimation of the parameters of this type of discharge has been carried out. It is shown that the lowtemperature plasma initiated under the flow conditions of a liquid-phase medium in the discharge gap between the electrodes can effectively decompose the hydrogen-containing molecules of organic compounds in a liquid with the formation of gaseous products where the content of hydrogen is more than 90%. In the process simulation, theoretical calculations of the voltage and discharge current were also made which are in good agreement with the experimental data. The reaction unit used in the experiments was of a volume of 50 ml and reaction capacity appeared to be about 1.5 liters of hydrogen per minute when using a mixture of oxygen-containing organic compounds as a raw material. During their decomposition in plasma, solid-phase products are also formed in insignificant amounts: carbon nanoparticles and oxide nanoparticles of discharge electrode materials.

плазмаультразвуковая кавитацияводородакустоплазменный разряджидкофазная средаplasmaultrasonic cavitationhydrogenacoustoplasma dischargea liquid-phase mediumReferencesBulychev, N.A. Plasma discharge with surround glow in the liquid phase under the impact of ultrasound / N.A. Bulychev [et al.] // Bull. Lebedev Phys. Inst. – 2012. – Vol. 39. – No. 7. – P. 214–220.[1] Bulychev N.A., Kazaryan M.A., Gridneva E.S., Murav’ev E.N., Solinov V.F., Koshelev K.K., Kosheleva O.K., Sachkov V.I. Chen S.G.Plasma discharge with surround glow in the liquid phase under the impact of ultrasound. Bull. Lebedev Phys. Inst., 2012;39(7):214–220.Klassen, N. Laser and electric arc synthesis of nanocrystalline scintillators / N. Klassen [et al.] // IEEE Trans. Nucl. Sci. – 2010. – Vol. 57. – No. 3. – P. 1377– 1381.[2] Klassen N., Krivko O., Kedrov V.V., Shmurak S.Z., Kiselev A.P., Shmyt’ko I.M., Kudrenko E.A., Shekhtman A.A., Bazhenov A.V., Fursova T.N., Abramov V.O., Bulychev N.A., Kisterev E.V.Laser and electric arc synthesis of nanocrystalline scintillators. IEEE Trans. Nucl. Sci., 2010;57(3):1377–1381.Bulychev, N.A. Nanoscale metal oxide particles produced in the plasma discharge in the liquid phase upon exposure to ultrasonic cavitation. 1. Method for producing particles / N.A. Bulychev [et al.] // Bull. Lebedev Phys. Inst. – 2014. – Vol. 41. – No. 9. – P. 264–268.[3] Bulychev N.A., Kazaryan M.A., Chaikov L.L., Burkhanov I.S., Krasovskii V.I. Nanoscale metal oxide particles produced in the plasma discharge in the liquid phase upon exposure to ultrasonic cavitation. 1. Method for producing particles. Bull. Lebedev Phys. Inst., 2014;41(9):264–268.Burkhanov, I.S. Nanoscale metal oxide particles produced in the plasma discharge in the liquid phase upon exposure to ultrasonic cavitation. 2. Sizes and stability. Dynamic light scattering study / I.S. Burkhanov [et al.] // Bulletin of the Lebedev Physics Institute. – 2014. – Vol. 41. – No. 10. – P. 297–304.[4] Burkhanov I.S., Chaikov L.L., Bulychev N.A., Kazaryan M.A., Krasovskii V.I. Nanoscale metal oxide particles produced in the plasma discharge in the liquid phase upon exposure to ultrasonic cavitation. 2. Sizes and stability. Dynamic light scattering study. Bulletin of the Lebedev Physics Institute, 2014; 41(10):297–304.Ivanov, A.V. Properties of metal oxide nanoparticles prepared by plasma discharge in water with ultrasonic cavitation / A.V. Ivanov [et al.] // Int. J. Nanotechnol. – 2017. – Vol. 14. – No. 7/8. – P. 618–626.[5] Ivanov A.V., Nikiforov V.N., Shevchenko S.V., Timoshenko V.Yu., Pryadun V.V., Bulychev N.A., Bychenko A.B., Kazaryan M.A. Properties of metal oxide nanoparticles prepared by plasma discharge in water with ultrasonic cavitation. Int. J. Nanotechnol., 2017;14(7/8):618–626.Bulychev, N.A. Hydrogen Production by Low-Temperature Plasma Decomposition of Liquids / N.A. Bulychev [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2017. – Vol. 42. – P. 20934–20938.[6] Bulychev N.A., Kazaryan M.A., Averyushkin A.S., Chernov A.A., Gusev A.L.Hydrogen Production by Low-Temperature Plasma Decomposition of Liquids. International Journal of Hydrogen Energy, 2017;42:20934–20938.Bulychev, N.A. Study of Effect of Plasma Discharge on Microbiological Objects in a Liquid for Plasma Sterilization of Water / N.A. Bulychev [et al.] // Bulletin of A.M. Prokhorov Academy of Engineering Sciences. – 2013. – No. 2. – P. 83–90.[7] Bulychev N.A., Muraviev E.N. Chernov A.A., Kazaryan M.A., Zolezzi A. Study of Effect of Plasma Discharge on Microbiological Objects in a Liquid for Plasma Sterilization of Water. Bulletin of A.M. Prokhorov Academy of Engineering Sciences, 2013;(2):83–90.Ioni, Yu.V. Preparation of Finely Dispersed Nanographite / Yu.V. Ioni [et al.] // Inorganic Materials – 2011 – Vol. 47 – No. 6 – pp. 597–602.[8] Ioni Yu.V., Tkachev S.V., Bulychev N.A., Gubin S.P. Preparation of Finely Dispersed Nanographite. Inorganic Materials, 2011;47(6):597–602.Bulychev, N.A. Peculiarities of Metal Oxide Nanoparticles Obtained in Acoustoplasma Discharge / N.A. Bulychev [et al.] // J. Tech. Phys. Lett. – 2016. – Vol. 42. – No. 9. – P. 105–110.[9] Bulychev N.A., Kazaryan M.A., Nikoforov V.N., Shevchenko S.N., Yakunin V.G., Timoshenko V.Yu., Bychenko A.B., Sredin V.G. Peculiarities of Metal Oxide Nanoparticles Obtained in Acoustoplasma Discharge. J. Tech. Phys. Lett., 2016;42(9):105–110.Bulychev, N.A. Nanotechnological Aspects of Temperature-Dependent Decomposition of Polymer Solutions / N.A. Bulychev [et al.] // Nanoscience and Technology. An International Journal. – 2018. – Vol. 9. – No. 2. – P. 91–97.[10] Bulychev N.A., Kuznetsova E.L., Bodryshev V.V., Rabinskiy L.N. Nanotechnological Aspects of Temperature-Dependent Decomposition of Polymer Solutions. Nanoscience and Technology. An International Journal, 2018;9(2):91–97.Nikiforov, V.N. Elastic properties of HTSC ceramics / V.N. Nikiforov, N.A. Bulychev, V.V. Rzhevskii // Bulletin of the Lebedev Physical Institute. – 2016. – Vol. 43. – No. 2. – P. 74–79.[11] Nikiforov V.N., Bulychev N.A., Rzhevskii V.V. Elastic properties of HTSC ceramics. Bulletin of the Lebedev Physical Institute, 2016;43(2):74–79.Ganiev, R.F. Effect of mechanical activation on surface modification in aqueous pigment disperse systems / R.F. Ganiev [et al.] // Doklady Chemistry. – 2006. – Vol. 407. – P. 54–56.[12] Ganiev R.F., Bulychev N.A., Fomin V.N., Arutyunov I.A., Eisenbach C.D., Zubov V.P., Malyukova E.B. Effect of mechanical activation on surface modification in aqueous pigment disperse systems. Doklady Chemistry, 2006;407:54–56.Bulychev, N.A. Ultrasonic Treatment Assisted Surface Modification of Inorganic and Organic Pigments in Aqueous Dispersions / N.A. Bulychev [et al.] // Journal of the Balkan Tribological Association. – 2008. – Vol. 1. – No. 14. – P. 30–39.[13] Bulychev N.A., Kisterev E.V., Arutunov I.A., Zubov V.P. Ultrasonic Treatment Assisted Surface Modification of Inorganic and Organic Pigments in Aqueous Dispersions. Journal of the Balkan Tribological Association, 2008;1(14):30–39.Bulychev, N.A. Structure of Adsorption Layers of Amphiphilic Copolymers on Inorganic or Organic Particle Surfaces / N.A. Bulychev [et al.] // Macromol. Chem. Phys. – 2010. – Vol. 9. – No 211. – P. 971–977.[14] Bulychev N., Dervaux B., Dirnberger K., Zubov V., Du Prez F.E., Eisenbach C.D. Structure of Adsorption Layers of Amphiphilic Copolymers on Inorganic or Organic Particle Surfaces. Macromol. Chem. Phys., 2010;9(211):971–977.Rudnev, A.V. Study of stability and dispersion composition of calcium hydroxyapatite in aqueous suspensions by capillary zone electrophoresis / A.V. Rudnev [et al.] // Russian Journal of Analytical Chemistry. – 2013. – Vol. 68. – No. 8. – P. 700.[15] Rudnev A.V., Vanifatova N.G., Dzherayan T.G., Lazareva E.V., Bulychev N.A. Study of stability and dispersion composition of calcium hydroxyapatite in aqueous suspensions by capillary zone electrophoresis. Russian Journal of Analytical Chemistry, 2013;68(8):700.Kirilina, Yu.O. Organic-inorganic hybrid hydrogels based on linear poly(N-vinylpyrrolidone) and products of hydrolytic polycondensation of tetramethoxysilane / Yu.O. Kirilina [et al.] // Polymer Science Series B. – 2009. – Vol. 51. – No. 3–4. – P. 135.[16] Kirilina Yu.O., Bakeeva I.V., Bulychev N.A., Zubov V.P. Organic-inorganic hybrid hydrogels based on linear poly(N-vinylpyrrolidone) and products of hydrolytic polycondensation of tetramethoxysilane. Polymer Science Series B, 2009;51(3–4):135.Булычев, Н.А. Получение водорода в акустоплазменном разряде из прямых водноуглеводородных эмульсий / Н.А. Булычев, М.Н. Кириченко, М.А. Казарян // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2018. – Т. 17. – № 16–18. – С. 38–40.[17] Bulychev N.A., Kirichenko M.N. Kazaryan M.A. Obtaining of Hydrogen in Acoustoplasma Discharge from Direct Water-Hydrocarbon Emulsions (Polucheniye vodoroda v akustoplazmennom razryade iz pryamykh vodno-uglevodorodnykh emul'siy). International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2018;17(16–18):38–40 (in Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.