Николай Алексеевич Булычев - доктор химических наук, ведущий научный сотрудник, Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, h-index: 20.
119991, Москва, Ленинский пр-т, 53; 125993, Москва, Волоколамское шоссе, 4
Nikolay Bulychev - in D.Sc. in Chemistry, Chief Researcher, Lebedev Physics Institute, h-index: 20
Leninsky pr-t, 53, 119991; 125993, Moscow, Volokolamskoe shosse, 4
В настоящей работе было показано, что инициируемая в жидкофазных средах в разрядном промежутке между электродами низкотемпературная плазма способна эффективно разлагать водородсодержащие молекулы различных органических соединений и их смесей с образованием газообразных продуктов, в которых доля водорода составляет более 90% по данным газовой хроматографии.
В ходе работы сконструирована и изготовлена экспериментальная установка для получения водорода, включающая в себя стальную реакционную камеру с рубашкой охлаждения, источник питания с регулируемыми параметрами, ультразвуковой генератор и преобразователь, систему газоотбора.
Найдены оптимальные условия получения водорода (выход и селективность) и разработаны принципы автоматизации процесса и конструирования опытно-промышленной установки полунепрерывного действия с целью увеличения производительности. Продукты реакции и чистота получаемого водорода охарактеризованы комплексом инструментальных методов физико-химического анализа, включающим в себя газовую и жидкостную хроматографию, микроскопию, калориметрию и другие методы.
Предварительные оценки энергетического КПД, рассчитанного с учетом теплоты сгорания водорода и исходных веществ, а также затрат электроэнергии показали уровень КПД порядка 60-70% в зависимости от состава исходной смеси. Были проведены также теоретические расчеты напряжения и тока разряда при моделировании процесса, которые согласуются с данными эксперимента.
Побочным продуктом при получении водорода методом акустоплазменного разряда при разложении органических жидкостей является углерод, образующийся в виде агломератов наночастиц различного строения и осаждающийся в ходе реакции на дне реакционной камеры. Как показали результаты анализов и стехиометрических расчетов, на образование этих побочных продуктов расходуется большая часть углерода и кислорода, содержащихся в молекулах исходной жидкости, тем самым образующаяся газообразная смесь значительно обогащена водородом. Полученные наночастицы и их агломераты могут быть также использованы в качестве наполнителей, красителей, компонентов композиционных материалов.
In this work, it was shown that low-temperature plasma initiated in liquid-phase media in the discharge gap between the electrodes is capable of efficiently decomposing hydrogen-containing molecules of various organic compounds and their mixtures with the formation of gaseous products in which the proportion of hydrogen is more than 90% according to gas chromatography data.
In the course of work, an experimental setup for hydrogen production was designed and manufactured, which includes a steel reaction chamber with a cooling jacket, a power supply with adjustable parameters, an ultrasonic generator and transducer, and a gas extraction system.
Optimal conditions for the production of hydrogen (yield and selectivity) have been found, and principles have been developed for the automation of the process and the design of a semi-continuous pilot plant in order to increase productivity. The reaction products and the purity of the obtained hydrogen are characterized by a set of instrumental methods of physicochemical analysis, including gas and liquid chromatography, microscopy, calorimetry, and other methods.
Preliminary estimates of the energy efficiency, calculated taking into account the heat of combustion of hydrogen and the initial substances, as well as the consumption of electricity, showed an efficiency level of about 60-70%, depending on the composition of the initial mixture. Theoretical calculations of the voltage and current of the discharge were also carried out during the simulation of the process, which are consistent with the experimental data.
A by-product of hydrogen production by the acoustoplasma discharge method during the decomposition of organic liquids is carbon, which is formed in the form of agglomerates of nanoparticles of various structures and is deposited during the reaction at the bottom of the reaction chamber. As shown by the results of analyzes and stoichiometric calculations, the formation of these by-products consumes most of the carbon and oxygen contained in the molecules of the initial liquid, thereby the resulting gaseous mixture is significantly enriched in hydrogen. The resulting nanoparticles and their agglomerates can also be used as fillers, dyes, components of composite materials.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.