Получение водорода в акустоплазменном разряде из прямых водно-углеводородных эмульсий

Показано, что инициируемая в жидкофазных средах в разрядном промежутке между электродами низкотемпературная плазма способна эффективно разлагать водородсодержащие молекулы органических соединений с образованием газообразных продуктов, в которых доля водорода составляет более 90 % об. В качестве исходных веществ применялись прямые водно-углеводородные эмульсии, полученные под действием ультразвуковой кавитации и при воздействии электрическим полем. Установлено, что производительность по водороду при использовании эмульсий не уступает индивидуальным исходным веществам. Измерение количества газовой смеси, образующейся при разложении органических жидкостей, показало, что производительность сильно зависит от тока разряда, а также от объема разряда, который может меняться в зависимости от расстояния между электродами в реакционной камере. В экспериментах ток разряда составлял от 4 А до 8 А, напряжение разряда в зависимости от типа жидкости – 30–45 В.

Установлено, что с помощью акустоплазменного метода допускается использование исходного сырья самого низкого качества, то есть без необходимости проводить дорогостоящую очистку для удаления примесей. Существенным преимуществом является отсутствие токсичных и трудноутилизируемых побочных продуктов данного синтеза, кроме того, газовая смесь выходит из реактора под небольшим давлением (0,2–0,3 атм), что облегчает ее первичную транспортировку. Водородсодержащий газ может быть использован как горючее непосредственно после синтеза, то есть не требует сепарации, поскольку помимо водорода содержит только примеси СО₂ и пары воды. 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 и пр.

плазма, ультразвуковая кавитация, эмульсии, водород, акустоплазменный разряд

1. Bulychev, 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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. 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.

6. 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.

7. 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.

8. Bulychev, N. 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.

9. Ioni, Yu.V. Preparation of Finely Dispersed Nanographite / Yu.V. Ioni [et al.] // Inorganic Materials. – 2011. – Vol. 47. – No. 6. – P. 597–602.

10. Bulychev, N.A. Hydrogen Production by LowTemperature Plasma Decomposition of Liquids / N.A. Bulychev [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2017. – Vol. 42. – P. 20934–20938.

11. Булычев, Н.А. Влияние ультразвуковой кавитации на плазменный разряд в жидкой среде и свойства образующихся при этом наночастиц / Н.А. Булычев [и др.] // Приборы и техника эксперимента. – 2016. – № 6. – С. 71–76.

12. Булычев, Н.А. Плазменный разряд под действием ультразвука и его возможные применения / Н.А. Булычев [и др.] // Труды Пятой международной конференции по чистым и возобновляемым источникам энергии, Ереван. – 2014. – С. 180.

13. Булычев, Н.А. Плазмохимические реакции в жидких средах под действием акустоплазменного разряда / Н.А. Булычев [и др.]// Известия Академии инженерных наук. – 2014. – № 1. – С. 14.

14. Булычев, Н.А. Получение водорода в акустоплазменном разряде в жидкости / Н.А. Булычев [и др.] // Оптика атмосферы и океана. – 2018. – Т. 31. – № 3. – С. 226–228.