Чистая
       энергия

История

Первый элемент был сделан, кажется, из грифеля от русского (это важно) простого карандаша, а корпус был пробкой из-под пива. Все это подогревалось на кухонной плите. Электролитом был порошок «Диггер» для прочистки труб, состоящий из NaOH, если верить этикетке. Поскольку удалось получить какой-то ток, я подумал, что, наверное, такой элемент действительно может работать. Консервные банки начинали течь по швам (припой разъедался щелочью), и я даже не помню, какие результаты получились. Для более серьезного опыта купил жульенницу из нержавейки. Однако, с ней ничего не получилось. Мало того, что напряжение было всего 0,5 вольта, оно было еще и направлено не в ту сторону. Также выяснилось, что угольки от карандашей очень любят рассыпаться на составные части. Видимо, они сделаны не из цельного кристалла графита, а склеены из пыли. Та же судьба постигла стержни от пальчиковых батареек. Также были куплены щетки от каких-то электродвигателей, но у них быстро приходили в негодность места, где подводящий провод входит в щетку. К тому же, одна пара щеток, как оказалось, содержала медь или какой-то другой металл (с щетками это бывает).

Крепко почесав затылок, я решил, что для надежности лучше сделать сосуд из серебра, а уголек — по технологии, описанной Жако, т.е., спеканием. Серебро стоит умеренных денег (цены колеблются, но где-то порядка 10-20 рублей за грамм). Я встречал чай, который стоит гораздо дороже.

Известно, что серебро устойчиво в расплаве NaOH, в то время как железо дает ферраты, например, Na2FeO4. Поскольку вообще железо обладает переменной валентностью, то его ионы могут вызвать в элементе «короткое замыкание», во всяком случае, в теории. Поэтому я решил для начала проверить случай серебра, как более простой. Сначала была куплена мельхиоровая посеребреная ложка, и при испытании со щетками сразу получилось 0,9В открытой цепи с нужной полярностью, а также, довольно большой ток. Впоследствии (не практически, а теоретически) выяснилось, что серебро тоже может растворяться в щелочи в присутствии пероксида натрия Na2O2, который в некоторых количествах образуется при продувании воздуха. Будет ли это происходить в элементе или под защитой углерода серебро находится в безопасности — я не знаю.

Ложка прожила недолго. Серебряный слой вздулся и она прекратила работать. Мельхиор неустойчив в щелочи (как и большинство существующих на свете материалов). После этого я сделал специальный стаканчик из серебряной монеты, на котором и была получена рекордная мощность в 0,176 ватт.

Все это было проделано в обычной городской квартире, на кухне. Я ни разу крупно не обжегся, не устроил пожара и всего один раз пролил расплавленную щелочь на плиту (эмаль немедленно разъело). Инструмент был использован самый простой. Если получится узнать правильный вид железа и правильный состав электролита, то такой элемент сможет сделать на коленке каждый не совсем безрукий мужик.

В 2008 году выявилось несколько «правильных видов железа». Например, пищевая нержавейка, жесть консервных банок, электротехнические стали для магнитопроводов, а также низкоуглеродистые стали — ст1пс, ст2пс. Чем меньше углерода, тем лучше работа. Нержавейка, похоже, работает хуже чистого железа (она, кстати, и дороже намного). «Норвежское листовое» железо, оно же — Шведское — это железо, которое делалось кричным способом в Швеции на древесном угле и содержало не более 0,04% углерода. Сейчас такое низкое содержание углерода можно найти только в электротехнических сталях. Наверное, лучше всего делать стаканчики штамповкой из листовой электротехнической стали

Изготовление серебряного стаканчика

В 2008 году выяснилось, что железный стаканчик тоже работает хорошо, поэтому я убираю всё, что касается серебряного стаканчика. Это было интересно, но теперь уже неактуально.

Электрод

Можно пытаться использовать графит. Но я не успел. Я выпросил у тетеньки-водителя накладку для рогов троллейбуса, но это было уже в конце моей экспериментальной эпопеи. Еще можно попробовать щетки от двигателей, но они часто бывают с медью, что нарушает чистоту эксперимента. У меня было два варианта щеток, одни оказались с медью. Карандаши не дают никакого результата, потому что у них маленькая площадь поверхности и с них неудобно снимать ток. Стержни от батарей в щелочи разваливаются
(что-то происходит со связующим). Вообще говоря, графит — это наихудшее топливо для элемента, т.к. он наиболее химически стоек. Поэтому изготавливаем электрод «по честному». Берем древесный уголь (я покупал в супермаркете березовый уголь для шашлыков), мелется как можно мельче (я молол сначала в фарфоровой ступке, потом купил кофемолку). В промышленности электроды делают из нескольких фракций угля, смешивая их друг с другом. Ничто не мешает сделать так же. Порошок подвергается обжигу для повышения электропроводности: его нужно на несколько минут нагреть до как можно более высокой температуры (1000 и больше). Естественно, без доступа воздуха.

Я для этого сделал горн из двух вложенных друг в друга консервных банок. Между ними для теплоизоляции навалены кусочки сухой глины. Дно обеих банок пробито, чтобы было куда дуть воздуху. Внутренняя банка насыпается углями (которые выполняют роль топлива), среди них помещается металлическая коробочка — «тигель», я ее тоже сворачивал из жести от консервной банки. В коробочку запихивается завернутый в бумажный кулек угольный порошок. Должен быть зазор между свертком с углем и стенками «тигля». Он засыпается песком, чтобы не было доступа воздуха. Угли поджигаются, затем сквозь дырки в дне производится наддув обычным феном. Все это достаточно пожароопасно — летят искры. Нужны защитные очки, а также нужно смотреть, чтобы рядом не было занавесок, бочек с бензином и других пожароопасных предметов. Лучше бы, по хорошему, делать такие дела где-нибудь на зеленой лужайке в период дождей (в перерыве между дождями). Извините, но мне лень рисовать всю эту конструкцию. Думаю, догадаетесь и без меня.

Далее к обожженому порошку на глаз добавляется некоторое количество сахара (наверное, от трети до половины). Это — связующее. Потом — чуть-чуть воды (когда у меня были грязные руки и лень было открывать кран, я просто плевал в него и добавлял пиво вместо воды, не знаю, насколько это имеет значение; вполне возможно, что органика важна. Все это тщательно перемешивается в ступке. В результате должна получиться пластичная масса. Из этой массы нужно сформовать электрод. Чем лучше ты его спрессуешь, тем лучше. Я брал заглушенный кусок трубки и забивал уголь в трубку меньшей трубкой, с помощью молотка. Чтобы изделие не развалилось при извлечении из трубки, перед набивкой в трубу вставлял несколько ободков из бумаги. Заглушка должна быть сьемной, а еще лучше — если труба будет распилена вдоль и соединена хомутами. Тогда после прессовки можно просто разьединить хомуты и достать заготовку уголька в целости и сохранности. В случае сьемной заглушки нужно будет выдавить готовую заготовку из
трубы (при этом она может развалиться). Уголек у меня имел диаметр 1,2-1,5 см и длину 4-5 см.

Готовая форма сушится. Для этого я включал газовую плиту на очень маленький огонь, ставил на нее пустую консервную банку кверху дном и на дно клал уголек. Сушка должна быть достаточно медленной, чтобы пары воды не разорвали заготовку. После испарения всей воды начнет «кипеть» сахар. Он превратится в карамель и склеит кусочки угля между собой.

После остывания нужно просверлить в угольке продольное (вдоль его оси симметрии) круглое отверстие, в которое будет вставляться отводящий электрод. Диаметр отверстия — не помню, кажется, 4 мм. При этой процедуре уже может все накрыться, потому что конструкция хрупкая. Я сначала сверлил 2 мм сверлом, потом аккуратно (вручную) расширял 3-мм и 4-мм сверлами, или даже надфилем, точно не помню. В принципе, можно эту дырку сделать уже на этапе формовки. Но это —
нюансы.

После того, как все высушено и просверлено, нужно произвести обжиг. Общий смысл — нужно при достаточно плавном наборе температуры подвергнуть уголек сильному и равномерному нагреву без доступа воздуха на некоторое время (около 20 минут). Нагревать нужно постепенно, остужать — тоже. Температура — чем выше, тем лучше. Желательно, больше 1000. У меня было
оранжевое (ближе к белому) каление железа в импровизированном горне. Промышеленные электроды обжигают много суток, с очень плавным подводом-отводом теплоты. Ведь это, по сути — керамика, которая хрупка. Гарантировать, что уголек не треснет, я не могу. Я все делал на глаз. Некоторые угольки трескались сразу при начале эксплуатации.

Итак, уголек готов. Он должен иметь как можно меньшее сопротивление. При измерении сопротивления нужно не прикасаться к угольку иглами тестера, а взять два многожильных провода, прислонить их к сторонам уголька (не к концам стержня, а просто по диаметру) и сильно прижать пальцами (только чтобы не треснул), см. рисунок, на рисунке розовая аморфная масса — это пальцы, сжимающие жилы проводов.

Если сопротивление — 0.3-0.4 ома (это было на грани чувствительности моего тестера), то это — хороший уголек. Если больше 2-3 ом, то плохой (удельная мощность будет маленькая). Если уголек не удался, можно повторить обжиг.

После того, как сделали обжиг, делаем отводящий электрод. Это — полоска серебра или железа — 2008 год длиной, равной двукратной или чуть меньше длине уголька,
шириной — два диаметра отверстия. Толщина — допустим, 0,5 мм. Из нее нужно свернуть цилиндр, внешний диаметр которого равен
диаметру отверстия. Но цилиндр не получится, потому что ширина слишком мала, получится цилиндр с продольной прорезью. Эта прорезь важна, для компенсации теплового расширения. Если сделать полный цилиндр, то серебро при нагреве разорвет уголек.
«Цилиндр» вставляем в уголек. Нужно сделать так, чтобы он плотно входил в дырку. Здесь есть две стороны: чрезмерное усилие разорвет уголек, при слабом усилии не будет достаточного контакта (он очень важен). См. рисунок.

Эта конструкция родилась не сразу, она представляется мне более совершенной, чем те хомуты, которые нарисованы в патенте у Жако. Во-первых, при таком контакте ток идет не вдоль, а по радиусу цилиндрического уголька, что позволяет существенно снизить электрические потери. Во-вторых, металлы имеют больший коэффициент теплового расширения, чем уголь, поэтому контакт угля с металлическим хомутом ослабевает при нагреве. В моем случае контакт упрочняется или сохраняет свою силу. В-третьих, если отводящий электрод сделан не из серебра, то уголь предохраняет его от окисления. Скорее дайте мне патент!

Теперь можно еще раз померять сопротивление, одним из полюсов будет токоотводящий электрод. Кстати, у моего тестера 0.3 ома — это уже предел чувствительности, поэтому лучше пропустить ток известного напряжения и померять его силу.
Подача воздуха

Берем стальной стерженек от шариковой ручки большой емкости. Желательно — пустой. Удаляем из него блок с шариком — остается просто железная трубочка. Тщательно удаляем остатки пасты (у меня это не очень хорошо получилось и паста потом обуглилась, что мешало жить). Сначала это делается водой, а потом лучше все же несколько раз прокалить стерженек в пламени горелки. Произойдет пиролиз чернил, после этого останется уголь, который можно выковырять.

Далее находим какую-то еще трубку, чтобы соединить этот стерженек (он будет раскален) с ПВХ-шной трубкой, ведущей от аквариумного компрессора, которым кондиционируют рыбок. Все должно быть достаточно герметично. На ПВХ-шную трубку ставим регулируемый зажим, потому что даже самый хилый компрессор дает слишком много воздуха. В идеале нужно сделать серебряную, а не стальную трубку и у меня это даже получилось, но я не смог обезпечить герметичное соединение серебряной трубки с ПВХ-шной. Промежуточные трубки сильно травили воздух (из-за тех же тепловых зазоров), поэтому в итоге я остановился на стальном стерженьке. Конечно, эта проблема разрешима, но нужно просто было потратить на это время и силы и подобрать соответствующую ситуации трубку. Вообще, в этой части я сильно отступил от патента Жако. Сделать такую розочку, как нарисована у него, я не смог (а если честно, то я тогда недостаточно хорошо рассмотрел ее конструкцию).

Здесь следует сделать небольшое отступление и обсудить, насколько неправильно Жако представлял работу своего элемента. Очевидно, что кислород переходит в ионную форму где-то на катоде, по формуле O2+4e-=2O2-, либо какая-то аналогичная реакция, где кислород восстанавливается и соединяется с чем-то. То есть, важно обезпечить тройное соприкосновение воздуха, электролита и катода. Это может происходить при контакте пузырьков воздуха с металлом распылителя и электролитом. То есть, чем больше суммарный периметр всех отверстий распылителя, тем больше должна быть сила тока. Также, если сделать стаканчик с наклонными краями, то поверхность тройного соприкосновения тоже может увеличиться, см. рис.

Другой вариант — это когда на катоде восстанавливается растворенный кислород. В этом случае, площадь тройного соприкосновения не имеет особого значения, а нужно лишь максимизировать площадь поверхности пузырьков, чтобы ускорить растворение кислорода. Правда, в этом случае непонятно, почему растворенный кислород не окисляет уголь непосредственно, без электрохимической реакции (работая «мимо» электрической цепи). Видимо, в этом случае важны каталитические свойства материала стаканчика. Ну ладно, это все лирика. В любом случае, нужно делить струю на мелкие пузырьки. Те попытки сделать это, которые я предпринимал, не были особо успешными.

Для этого нужно было сделать тонкие отверстия, с которыми получилась куча проблем.

Во-первых, тонкие отверстия быстро засоряются, т.к. железо корродирует, ржавчина и остатки угля (вспомним, что там когда-то была паста от ручки) выпадают из стерженька и затыкают отверстия.
Во-вторых, отверстия получаются неравной величины и сложно заставить воздух идти одновременно из всех отверстий.
В-третьих, если два отверстия находятся рядом, то возникает нехорошая тенденция слияния пузырьков еще до их отрыва.
В-четвертых, компрессор подает воздух неравномерно и это тоже как-то влияет на размер пузырьков (видимо, выскакивает один пузырек за один толчок). Все это можно легко наблюдать, налив в прозрачную банку воду и испытав распылитель в ней. Конечно, у щелочи другая вязкость и коэффициент поверхностного натяжения, поэтому придется действовать наугад. Я так и не смог победить эти проблемы и плюс к этому, проблему утечек воздуха из-за тепловых зазоров. Из-за этих утечек распылитель не мог начать работать, поскольку для этого нужно преодолеть силы поверхностного натяжения. Как раз тут полностью проявились недостатки хомутов. Как их не затягивай, при нагреве они все равно ослабевают. В итоге, я перешел к простейшему распылителю из стерженька от шариковой ручки, который давал только одну струю пузырьков. Видимо, чтобы сделать это по-нормальному, нужно тщательно избавиться от утечек, подавать воздух под существенным давлением (больше, чем создаваемое аквариумным компрессором) и через мелкие отверстия.

Эта часть конструкции у меня проработана откровенно плохо…

Сборка

Все. Собираем все вместе. Нужно так все установить на зажимах, чтобы
1. Не было короткого замыкания через несущую конструкцию.
2. Уголек не касался трубки, вдувающей воздух, а также стенок
стаканчика. Это будет трудно, поскольку зазоры малы, зажимы хлипки, а при работе элемента щелочь будет булькать. Также будет действовать архимедова сила, которая будет все смещать куда не надо, и сила поверхностного натяжения, притягивающая уголек к другим предметам. Серебро станет мягким от нагрева. Поэтому, в итоге, я держал уголек пассатижами за конец отводящего электрода. Это было плохо. Для нормальной работы нужно все же сделать крышку (видимо, только из фарфора — глина размокает в щелочи и теряет прочность, может быть, можно обожженую глину использовать). Идея о том, как сделать эту крышку, есть в патенте Жако. Главное, что она должна довольно хорошо удерживать уголек, т.к. даже при небольшом перекосе он будет касаться стаканчика у дна. Для этого она должна иметь большую высоту. Подобрать такую фарфоровую крышку мне не удалось, сделать керамическую из глины — тоже (все, что я пытался делать из глины — быстро трескалось, видимо, я как-то не так обжигал). Единственная небольшая хитрость состоит в том, чтобы использовать металлическую крышку и слой путь даже плохо обожженной глины в качестве теплоизоляции. Этот путь тоже не так прост.

Короче говоря, конструкция элемента была у меня тоже никуда не годной.

Еще неплохо заготовить инструмент, которым можно будет достать кусок уголька, который может отвалиться от электрода и упасть в щелочь. Может отвалиться кусок уголька и упасть в щелочь, тогда будет короткое замыкание. У меня в качестве такого инструмента была гнутая стальная скрепка, которую я держал пассатижами. Подводим провода — один к ручке, другой — к отводящему электроду. Можно припаять, хотя я использовал две металлических пластинки и свинчивал их винтиками (все — от детского металлического конструктора). Главное — понимать, что вся конструкция работает при низком напряжении и все соединения должны быть сделаны хорошо. Измеряем сопротивление при отсутствии электролита между электродами — убеждаемся, что оно велико (хотя бы 20 Ом). Измеряем сопротивления всех соединений — убеждаемся, что они малы. Собираем схему с нагрузкой. Например, сопротивление 1 Ом и последовательно включенный амперметр. У тестеров низкое сопртоивление амперметра бывает только в режиме измерения единиц ампер, желательно это заранее выяснить. Можно либо включить в режим изменения единиц ампер, (ток получится от 0.001 до 0.4 А), либо вместо последовательно включенного амперметра включить параллельно вольтметр (напряжение будет от 0.2 до 0.9 В). Желательно предусмотреть возможность менять условия в ходе опыта, чтобы замерять напряжение раскрытой цепи, ток короткого замыкания и ток с нагрузкой 1 ом. А лучше, если сопротивление тоже можно менять: 0.5 ом, 1 Ом и 2 Ом, чтобы найти то, при котором будет достигнута максимальная мощность.

Включаем компрессор от аквариума и заворачиваем зажим, чтобы воздух шел еле-еле (а, кстати, работоспособность подводящего трубопровода нужно проверить, погружая его в воду. Поскольку плотность щелочи — 2,7, нужно погрузить на соответствующую большую глубину. Полная герметичность не обязательна, главное, чтобы и на такой глубине из конца трубки что-то булькотило.

Меры предосторожности

Далее идет работа с расплавом щелочи. Как бы объяснить, что такое расплав щелочи? Вам попадало в глаза мыло? Неприятно, правда? Так вот, расплав NaOH — это тоже мыло, только разогретое до 400 градусов и в сотни раз более едкое.

Защитные меры при работе с расплавом щелочи строго обязательны!

Прежде всего, строго необходимы хорошие защитные очки. Я близорук, поэтому я одевал двое очков — сверху пластиковые защитные, а под них еще и стеклянные. Защитные очки должны защищать от попадания брызг не только спереди, но и сбоку. В такой амуниции я чувствовал себя в безопасности. Несмотря на защитные очки, приближать лицо к аппарату не рекомендуется вовсе.

Кроме глаз, необходимо защитить и руки. Я все делал очень аккуратно, поэтому под конец уже «замастерился» и работал в футболке. Это полезно, поскольку попадающие иногда на руки мельчайшие брызги щелочи дают ожег, не позволяющий в течение нескольких дней забыть, с каким веществом имеешь дело.

Но на руках, естественно, были перчатки. Сначала резиновые хозяйственные (не самые тонкие), а поверх них — пупырчатые тряпичные пупырышки торчали с задней стороны ладони. Их я смачивал водой, чтобы можно было браться за горячие предметы. В такое паре перчаток руки более-менее защищены. Но нужно следить, чтобы внешние перчатки никогда не были слишком мокрые. Капля воды, попадающая в электролит, мгновенно закипает, при этом электролит очень здорово разбрызгивается. Если такое произошло (а такое у меня происходило раза три), возникают проблемы с органами дыхания. В этих случаях я немедленно задерживал дыхание, не завершая вдох (каякерская практика помогает не впадать в панику в таких ситуациях), и сваливал из кухни подобру-поздорову.

Вообще, для защиты органов дыхания нужна хорошая вентиляция при проведении опыта. В моем случае это был просто сквозняк (дело было летом). Но в идеале это должна быть вытяжка или открытый воздух.

Поскольку брызги щелочи неизбежны, все, что находится в ближайшей окрестности стаканчика, покрывается щелочью в той или иной степени. Если взяться за нее голыми руками, можно получить ожег. Нужно все промывать после завершения опыта, в том числе, перчатки.

Еще на случай ожега у меня всегда была рядом заготовлена емкость с водой и емкость с разбавленным уксусом, для нейтрализации щелочи при сильном ожоге. Уксус ни разу не пригодился, к счастью и я не могу сказать, стоит ли им пользоваться вообще. В случае ожега нужно сразу смывать щелочь большим количеством воды. Еще есть народное средство от ожегов — моча. Оно, вроде бы, тоже помогает.

Собственно работа с элементом

Насыпаем в стаканчик сухой NaOH (я покупал средство «Диггер» для прочистки труб). Можно добавить MgO и другие ингредиенты, например, CaCO3 (зубной порошок или мел) или MgCO3 (у меня был MgO, добытый друзьями). Поджигаем горелку и греем. Поскольку NaOH крайне гигроскопичен, нужно это делать сразу (а пакетик с NaOH — плотно закрывать). Неплохо бы сделать так, чтобы стаканчик был окружен теплом со всех сторон — ток ОЧЕНЬ сильно зависит от температуры. Т.е., сделать импровизированную камеру сгорания и направить в нее пламя горелки (нужно еще следить, чтобы баллончик у горелки не взорвался, по-моему эти горелки достаточно плохо сделаны с этой точки зрения, как я уже писал, для этого нужно, чтобы горячие газы не попадали на баллончик, и лучше держать его в нормальном положении, а не «кверх ногами»).
Иногда оказывается удобным подводить пламя горелки сверху, но это — уже после того, как все расплавится. Тогда одновременно греется нагнетательная трубка, отводящий электрод (и уголек через него), верх стакана, где больше всего воздушных пузырьков). Если мне память не изменяет, самый большой результат был получен именно таким образом.
Через какое-то время щелочь начнет плавиться и ее объем уменьшится. Нужно подсыпать порошка, так, чтобы стаканчик был заполнен на 2/3 по высоте (щелочь будет утекать из-за каппилярности и разбрызгивания). Труба подачи воздуха у меня работала плохо (из-за теплового расширения зазоры и неплотности увеличатся, а из-за хорошего теплоотвода щелочь в ней может застывать). Иногда воздух вообще переставал поступать. Чтобы это исправить, я делал следующее:
1. Продув. (временное аккуратное увеличение подачи воздуха)
2. Подьем. (меньше будет напор и воздух вытеснит столб щелочи из
трубы)
3. Прогрев (достать из стаканчика и прогреть горелкой, чтобы щелочь внутри распылителя расплавилась).

Вообще, элемент начинает хорошо работать при температуре красного каления (щелочь начинает светиться). При этом начинает идти пена (это CO2), и раздаются хлопки со вспышками (то ли это водород, то ли CO догорает, я так и не понял).
Мне удалось добиться максимальной мощности 0,025 вт/см2 или 0,176 вт всего с элемента, при сопротивлении нагрузки в 1,1 Ома. При этом я измерял ток амперметром. А можно было измерять и падение напряжения на нагрузке.

Вырождение электролита

В элементе происходит нехорошая побочная реакция

NaOH+CO2=Na2CO3+H2O.

Т.е., через какое-то время (десятки минут) все застынет (температура плавления соды — не помню, но около 800). Некоторое время это можно преодолевать, подсыпая еще щелочи, но в конце концов все равно — электролит застынет. По поводу борьбы с этим — см. другие страницы на этом сайте, начиная со страницы об УТЭ Вообще говоря, можно использовать NaOH, невзирая на эту проблему, о чем и писал Жако в своем патенте. Поскольку есть способы получения NaOH из Na2CO3. Например, вытеснение негашеной известью по реакции Na2CO3+CaOH=2NaOH+CaCO3, после чего CaCO3 можно прокалить и получится опять CaO. Правда, такой способ очень энергоемок и общий КПД элемента при этом упадет очень сильно, да и сложность увеличится. Поэтому, я думаю, что все же нужно искать стабильный состав электролита, который нашли в SARA. Вполне возможно, что это можно сделать, найдя заявки SARA на патенты в базе патентного ведомства США (http://www.uspto.gov), тем более, что за прошедшее время они могли стать уже выданными патентами. Но у меня руки пока не дошли. Собственно, и сама эта идея появилась лишь в ходе подоготовки этих материалов. Видимо, скоро я все же это сделаю.

Итоги, мысли и выводы

Тут я, может быть, немного повторюсь. Можно начинать не с серебра, а сразу с железа. Когда я пробовал использовать жульенницу
из нержстали, у меня получилось плохо. Теперь я понимаю, что первая причина этого — низкая температура и большой зазор между электродами. В своей статье Jacques пишет, что плохая работа с железом связана с тем, что к железу пригорает масло и образуется второй угольный электрод, поэтому нужно очень тщательно очистить железо от малейших следов масла, а также использовать железо
с низким содержанием углерода. Может быть, и так, но я все же думаю, что есть еще одна, более важная причина. Железо — элемент переменной валентности. Оно растворяется и образует «короткое замыкание». В пользу этого говорит и изменение цвета. При использовании серебра цвет электролита не меняется (серебро — самый устойчивый металл к действию расплавленных щелочей). При
использовании железа электролит становится коричневым. При использовании серебра напряжение открытой цепи достигает 0.9В и выше. При использовании железа — существенно меньше (не помню точно, но не более 0.6В) Насчет того, какое железо нужно использовать, чтобы все хорошо работало — есть на других страницах. Еще немного — насчет водяного пара, о котором пишет SARA. С одной стороны, он всем хорош (в теории): не дает железу переходить в раствор (известна реакция разложения ферратов щелочных металлов горячей водой, что-то типа Na2FeO4+H2O=2NaOH+Fe2O3) и вроде бы должен сдвигать равновесие в нехорошей побочной реакции. Я посмотрел термодинамику реакции NaOH+CO2=Na2CO3+H2O с помощью он-лайн программы F*A*C*T (http://www.crct.polymtl.ca/FACT/index.php) При всех температурах равновесие в ней очень сильно сдвинуто вправо, т.е., вода вряд ли может существенно вытеснить углекислый газ из соединения с окисью натрия. Возможно, что ситуация меняется в сплаве NaOH-Na2CO3, либо образуется как бы водный раствор, но я не знаю, как это выяснить. Думаю, что в данном случае практика — критерий истины.

Основное, с чем можно столкнуться при проведении опытов с паром — это конденсация. Если где-то по дороге от места ввода воды в воздушную магистраль температура любой стенки упадет ниже 100С, вода может сконденсироваться, а потом с током воздуха попасть в щелочь в виде капельки. Это очень опасно и нужно этого изо всех сил избегать. Особенно опасно то, что температуру стенок не так легко промерить. Сам я ничего с паром делать не пробовал.

Вообще, конечно, нужно проводить такие работы не в квартире, а, как минимум, на даче, и делать сразу элемент большего размера. Для этого, естественно, понадобится больший горн для обжига, большая «печка» для подогрева элемента, больше исходных материалов. Зато будет гораздо более удобно работать со всеми деталями. Особенно это касается устройства самого элемента, который у меня не имел крышки. Сделать большую крышку — гораздо проще, чем маленькую.

Насчет серебра. Серебро, конечно, стоит не так уж дешево. Но если делать серебряный электрод достаточно тонким, то элемент с серебром может стать рентабельным. Например, пусть удалось сделать электрод толщиной 0,1мм. При пластичности и ковкости серебра это будет легко (серебро можно протягивать сквозь валки в очень тонкую фольгу и я даже хотел это делать, но не нашлось валков). При плотности около 10г/см^3, один кубический сантиметр серебра стоит примерно 150 рублей. Он даст 100 квадратных сантиметров поверхности электрода. Можно получить и 200см^2, если взять два плоских уголька и расположить серебряную пластинку между ними. При достигнутой мной удельной мощности в 0,025вт/см^2, получается мощность в 5 ватт или 30 рублей за ватт, или 30.000 рублей за киловатт. Ввиду простоты конструкции, можно ожидать, что остальные компоненты киловаттного элемента (печка, воздушный насос) будут существенно дешевле. Корпус при этом можно сделать из фарфора, который относительно стоек к расплаву щелочи. В результате получится не слишком дорого, даже по сравнению с бензоэлектростанциями малой мощности. А уж солнечные батареи с ветряками и термоэлектрогенераторами отдыхают далеко позади. Чтобы еще сильно снизить цену, можно попытаться сделать сосуд из посеребренной меди. В этом случае, слой серебра будет еще в 100-1000 раз тоньше. Правда, мои опыты с мельхиоровой ложкой закончились неудачно, так что неясно, насколько серебряное покрытие окажется стойким. То есть, даже использование серебра открывает довольно неплохие перспективы. Единственное, что может тут оказаться неудачным — это если серебро будет недостаточно стойким.

Еще о материалах корпуса. Якобы, при работе элемента большое значение имеют пероксиды натрия, например, Na2O2, который должен возникать при продуве воздуха в NaOH. При высокой температуре пероксид разъедает практически все вещества. Проводились опыты по измерению потери веса тиглями из различных материалов, в которых содержался расплав пероксида натрия. Самым стойким оказался цирконий, за ним — железо, затем никель, затем фарфор. Серебро не попало в четверку лидеров. К сожалению, не помню точно, насколько серебро устойчиво. Там еще было написано про хорошую стойкость Al2O3 и МgO. Но второе место, которое занимает железо, вселяет оптимизм.

Вот, собственно, и все.

Будяк Д.В.

Что такое топливные элементы?

Видео: Документальный фильм, топливные элементы для транспорта: прошлое, настоящее, будущее

Топливные элементы интересны производителям автомобилей, интересуются ими и создатели космических кораблей. В 1965 году они даже были испытаны Америкой на запущенном в космос корабле «Джемини-5», а позже и на «Аполлонах». Миллионы долларов вкладываются в исследования топливных элементов и сегодня, когда существуют проблемы, связанные с загрязнением окружающей среды, усиливающимися выбросомами парниковых газов, образующихся при сгорании органического топлива, запасы которого тоже не бесконечны.

Топливный элемент, часто называемый электрохимическим генератором, работает нижеописанным образом.

Схема работы Топливного элемента на водороде

Являясь, как аккумуляторы и батарейки гальваническим элементом, но с тем отличием, что хранятся в нем активные вещества отдельно. На электроды они поступают по мере использования. На отрицательном электроде сгорает природное топливо или любое вещество из него полученное, которое может быть газообразным (водород, например, и окись углерода) или жидким, как спирты. На электроде положительном, как правило, реагирует кислород.

Но простой на вид принцип действия, в реальность воплотить не просто.

Топливный элемент своими руками

Видео: Топливный водородный элементсвоими руками

К сожалению у нас нет фотографий, как должен выглядить этот топливный элекмнт, надеямся на вашу фантазию.

Маломощный топливный элемент своими руками можно изготовить даже в условиях школьной лаборатории. Необходимо запастись старым противогазом, несколькими кусками оргстекла, щелочью и водным раствором этилового спирта (проще, водкой), которое будет служить для топливного элемента «горючим».

Стационарная энергоустановка на базе химического топливного элемента

Прежде всего, необходим корпус для топливного элемента, изготовить который лучше из оргстекла, толщиной не менее пяти миллиметров. Внутренние перегородки (внутри пять отсеков) можно сделать немного тоньше – 3 см. Для склеивания оргстекла используют клей такого состава: в ста граммах хлороформа или дихлорэтана растворяют шесть грамм стружки из оргстекла (проводят работу под вытяжкой).

В наружной стенке теперь необходимо просверлить отверстие, в которое вставить нужно через резиновую пробку сливную стеклянную трубочку диаметром 5-6 сантиметров.

Все знают, что в таблице Менделеева в левом нижнем углу стоят наиболее активные металлы, а металлоиды высокой активности находятся в таблице в верхнем правом углу, т.е. способность отдавать электроны, усиливается сверху вниз и справа налево. Элементы, способные при определенных условиях проявлять себя как металлы или металлоиды, находятся в центре таблицы.

Теперь во второе и четвертое отделение насыпаем из противогаза активированный уголь (между первой перегородкой и второй, а также третьей и четвертой), который выполнять будет роль электродов. Чтобы через отверстия уголь не высыпался его можно поместить в капроновую ткань (подойдут женские капроновые чулки). В

Топливо циркулировать будет в первой камере, в пятой должен быть поставщик кислорода – воздух. Между электродами будет находиться электролит, а для того, чтобы он не смог просочиться в воздушную камеру, нужно перед засыпкой в четвертую камеру угля для воздушного электролита, пропитать его раствором парафина в бензине (соотношение 2 грамма парафина на пол стакана бензина). На слой угля положить нужно (слегка вдавив) медные пластинки, к которым припаяны провода. Через них ток отводиться будет от электродов.

Осталось только зарядить элемент. Для этого и нужна водка, которую разбавить с водой нужно в 1:1. Затем осторожно добавить триста-триста пятьдесят граммов едкого калия. Для электролита в 200 граммах воды растворяют 70 граммов едкого калия.

Топливный элемент готов к испытанию. Теперь нужно одновременно налить в первую камеру – топливо, а в третью – электролит. Присоединенный к электродам вольтметр должен показать от 07 вольт до 0,9. Чтобы обеспечить непрерывную работу элементу, нужно отводить отработавшее топливо (сливать в стакан) и подливать новое (через резиновую трубку). Скорость подачи регулируется сжиманием трубки. Так выглядит в лабораторных условиях работа топливного элемента, мощность которого, понятна мала.

Видео: Топливный элемент или вечная батарейка дома

Чтобы мощность была большей, ученые давно занимаются этой проблемой. На активной стали разработки находятся метанольный и этанольный топливные элементы. Но, к сожалению, пока на практику их выхода нет.

Почему топливный элемент выбран в качестве альтернативного источника питания

Работающая модель игрушки-электромобиля на водородном топливном элементе

Альтернативным источником питания выбран топливный элемент, поскольку конечным продуктом сгорания водорода в нем является вода. Проблема касается только в нахождении недорогого и эффективного способа получения водорода. Колоссальные средства, вложенные в развитие генераторов водорода и топливных элементов, не могут не принести свои плоды, поэтому технологический прорыв и реальное их использование в повседневной жизни, только вопрос времени.

Уже сегодня монстры автомобилестроения: «Дженерал Моторс», «Хонда», «Драймлер Коайслер», » Баллард», демонстрируют автобусы и авто, которые работают на топливных элементах, мощность которых достигает 50кВт. Но, проблемы, связанные с их безопасностью, надежностью, стоимостью — еще не решены. Как говорилось уже, в отличие от традиционных источников питания – аккумуляторов и батарей, в этом случае окислитель и горючее подаются извне, а топливный элемент лишь является посредником в происходящей реакции по сжиганию топлива и превращению в электричество выделяющейся энергии. Протекает «сжигание» только в том случае, если элемент ток отдает в нагрузку, подобно дизельному электрогенератору, но без генератора и дизеля, а также без шума, дыма и перегрева. При этом, КПД намного выше, поскольку отсутствуют промежуточные механизмы.

Видео: Автомобиль на водородном топливном элементе

Большие надежды возлагаются на применение нанотехнологий и наноматериалов, которые помогут миниатюризировать топливные элементы, при этом увеличить их мощность. Появились сообщения, что созданы сверх-эффективные катализаторы, а также конструкции топливных элементов, не имеющих мембран. В них вместе с окислителем подается в элемент топливо (метан, например). Интересны решения, где в качестве окислителя используется кислород, растворенного в воде воздуха, а в качестве топлива – органические примеси, скапливающиеся в загрязненных водах. Это, так называемые, биотопливные элементы.

Топливные элементы, по прогнозам специалистов, на массовый рынок могут выйти уже в ближайшие годы

Устройство и принцип работы генератора водорода

Заводской генератор водорода представляет собой внушительный агрегат

Использовать водород в качестве топлива для обогрева загородного дома выгодно не только по причине высокой теплотворной способности, но и потому, что в процессе его сжигания не выделяется вредных веществ. Как все помнят из школьного курса химии, при окислении двух атомов водорода (химическая формула H2 – Hidrogenium) одним атомом кислорода, образуется молекула воды. При этом выделяется в три раза больше тепла, чем при сгорании природного газа. Можно сказать, что равных водороду среди других источников энергии нет, поскольку его запасы на Земле неисчерпаемы — мировой океан на 2/3 состоит из химического элемента H2, да и во всей Вселенной этот газ наряду с гелием является главным «строительным материалом». Вот только одна проблема — для получения чистого H2 надо расщепить воду на составляющие части, а сделать это непросто. Учёные долгие годы искали способ извлечения водорода и остановились на электролизе.

Схема работы лабораторного электролизёра

Этот способ получения летучего газа заключается в том, что в воду на небольшом расстоянии друг от друга помещаются две металлические пластины, подключённые к источнику высокого напряжения. При подаче питания высокий электрический потенциал буквально разрывает молекулу воды на составляющие, высвобождая два атома водорода (HH) и один — кислорода (O). Выделяющийся газ назвали в честь физика Ю. Брауна. Его формула — HHO, а теплотворная способность — 121 МДж/кг. Газ Брауна горит открытым пламенем и не образует никаких вредных веществ. Главное достоинство этого вещества в том, что для его использования подойдёт обычный котёл, работающий на пропане или метане. Заметим только, что водород в соединении с кислородом образует гремучую смесь, поэтому потребуются дополнительные меры предосторожности.

Схема установки для получения газа Брауна

Генератор, предназначенный для получения газа Брауна в больших количествах, содержит несколько ячеек, каждая из которых вмещает в себя множество пар пластин-электродов. Они установлены в герметичной ёмкости, которая оборудована выходным патрубком для газа, клеммами для подключения питания и горловиной для заливки воды. Кроме того, установка оборудуется защитным клапаном и водяным затвором. Благодаря им устраняется возможность распространения обратного пламени. Водород горит только на выходе из горелки, а не воспламеняется во все стороны. Многократное увеличение полезной площади установки позволяет извлекать горючее вещество в количествах, достаточных для различных целей, включая обогрев жилых помещений. Вот только делать это, используя традиционный электролизёр, будет нерентабельно. Проще говоря, если потраченное на добычу водорода электричество напрямую использовать для отопления дома, то это будет намного выгоднее, чем топить котёл водородом.

Водородная топливная ячейка Стенли Мейера

Выход из сложившейся ситуации нашёл американский учёный Стенли Мейер. Его установка использовала не мощный электрический потенциал, а токи определённой частоты. Изобретение великого физика состояло в том, что молекула воды раскачивалась в такт изменяющимся электрическим импульсам и входила в резонанс, который достигал силы, достаточной для её расщепления на составляющие атомы. Для такого воздействия требовались в десятки раз меньшие токи, чем при работе привычной электролизной машины.

Видео: Топливная ячейка Стенли Мейера

За своё изобретение, которое могло бы освободить человечество от кабалы нефтяных магнатов, Стенли Мейер был убит, а труды его многолетних изысканий пропали неизвестно куда. Тем не менее сохранились отдельные записи учёного, на основании которых изобретатели многих стран мира пытаются строить подобные установки. И надо сказать, небезуспешно.

Преимущества газа Брауна как источника энергии

• Вода, из которой получают HHO, является одним из наиболее распространённых веществ на нашей планете.
• При сгорании этого вида топлива образуется водяной пар, который можно обратно конденсировать в жидкость и повторно использовать в качестве сырья.
• В процессе сжигания гремучего газа не образуется никаких побочных продуктов, кроме воды. Можно сказать, что нет более экологичного вида топлива, чем газ Брауна.
• При эксплуатации водородной отопительной установки выделяется водяной пар в количестве, достаточном для поддержания влажности в помещении на комфортном уровне.

Вам также может быть интересен материал о том, как соорудить самостоятельно газовый генератор: https://aqua-rmnt.com/otoplenie/kotly/gazogenerator-na-drovakh-dlya-otopleniya-doma-svoimi-rukami.html

Область применения

Сегодня электролизёр — такое же привычное устройство, как и генератор ацетилена или плазменный резак. Изначально водородные генераторы использовались сварщиками, поскольку носить за собой установку весом всего несколько килограмм было намного проще, чем перемещать огромные кислородные и ацетиленовые баллоны. При этом высокая энергоёмкость агрегатов решающего значения не имела — всё определяло удобство и практичность. В последние годы применение газа Брауна вышло за рамки привычных понятий о водороде, как топливе для газосварочных аппаратов. В перспективе возможности технологии очень широки, поскольку использование HHO имеет массу достоинств.

• Сокращение расхода горючего на автотранспорте. Существующие автомобильные генераторы водорода позволяют использовать HHO как добавку к традиционному бензину, дизелю или газу. За счёт более полного сгорания топливной смеси можно добиться 20 – 25 % снижения потребления углеводородов.
• Экономия топлива на тепловых электростанциях, использующих газ, уголь или мазут.
• Снижение токсичности и повышение эффективности старых котельных.
• Многократное снижение стоимости отопления жилых домов за счёт полной или частичной замены традиционных видов топлива газом Брауна.
• Использование портативных установок получения HHO для бытовых нужд — приготовления пищи, получения тёплой воды и т. д.
• Разработка принципиально новых, мощных и экологичных силовых установок.

Генератор водорода, построенный с использованием «Технологии водяных топливных ячеек» С. Мейера (а именно так назывался его трактат) можно купить — их изготовлением занимается множество компаний в США, Китае, Болгарии и других странах. Мы же предлагаем изготовить водородный генератор самостоятельно.

Видео: Как правильно обустроить водородное отопление

Что необходимо для изготовления топливной ячейки дома

Приступая к изготовлению водородной топливной ячейки, надо обязательно изучить теорию процесса образования гремучего газа. Это даст понимание происходящего в генераторе, поможет при настройке и эксплуатации оборудования. Кроме того, придётся запастись необходимыми материалами, большинство из которых будет нетрудно найти в торговой сети. Что же касается чертежей и инструкций, то мы постараемся раскрыть эти вопросы в полном объёме.

Проектирование водородного генератора: схемы и чертежи

Самодельная установка для получения газа Брауна состоит из реактора с установленными электродами, ШИМ-генератора для их питания, водяного затвора и соединительных проводов и шлангов. В настоящее время существует несколько схем электролизёров, использующих в качестве электродов пластины или трубки. Кроме того, в Сети можно найти и установку так называемого сухого электролиза. В отличие от традиционной конструкции, в таком аппарате не пластины устанавливаются в ёмкость с водой, а жидкость подаётся в зазор между плоскими электродами. Отказ от традиционной схемы позволяет значительно уменьшить габариты топливной ячейки.

Электрическая схема ШИМ-регулятораСхема единичной пары электродов, используемых в топливной ячейке МейераСхема ячейки МейераЭлектрическая схема ШИМ-регулятораЧертёж топливной ячейкиЧертёж топливной ячейкиЭлектрическая схема ШИМ-регулятораЭлектрическая схема ШИМ-регулятора

В работе можно использовать чертежи и схемы рабочих электролизёров, которые можно адаптировать под собственные условия.

Выбор материалов для строительства генератора водорода

Для изготовления топливной ячейки практически никаких специфичных материалов не требуется. Единственное, с чем могут возникнуть сложности, так это электроды. Итак, что надо подготовить перед началом работы.

1. Если выбранная вами конструкция представляет собой генератор «мокрого» типа, то понадобится герметичная ёмкость для воды, которая одновременно будет служить и корпусом реактора. Можно взять любой подходящий контейнер, главное требование — достаточная прочность и газонепроницаемость. Разумеется, при использовании в качестве электродов металлических пластин лучше использовать прямоугольную конструкцию, к примеру, тщательно загерметизированный корпус от автомобильного аккумулятора старого образца (чёрного цвета). Если же для получения HHO будут применяться трубки, то подойдёт и вместительная ёмкость от бытового фильтра для очистки воды. Самым же лучшим вариантом будет изготовление корпуса генератора из нержавеющей стали, например, марки 304 SSL.

   Электродная сборка для водородного генератора «мокрого» типа

   При выборе «сухой» топливной ячейки понадобится лист оргстекла или другого прозрачного пластика толщиной до 10 мм и уплотнительные кольца из технического силикона.

2. Трубки или пластины из «нержавейки». Конечно, можно взять и обычный «чёрный» металл, однако в процессе работы электролизёра простое углеродистое железо быстро корродирует и электроды придётся часто менять. Применение же высокоуглеродистого металла, легированного хромом, даст генератору возможность работать длительное время. Умельцы, занимающиеся вопросом изготовления топливных ячеек, длительное время занимались подбором материала для электродов и остановились на нержавеющей стали марки 316 L. К слову, если в конструкции будут использоваться трубки из этого сплава, то их диаметр надо подобрать таким образом, чтобы при установке одной детали в другую между ними был зазор не более 1 мм. Для перфекционистов приводим точные размеры:
   — диаметр внешней трубки — 25.317 мм;
   — диаметр внутренней трубки зависит от толщины внешней. В любом случае он должен обеспечивать зазор между этими элементами равный 0.67 мм.

   От того, насколько точно будут подобраны параметры деталей водородного генератора, зависит его производительность

3. ШИМ-генератор. Правильно собранная электрическая схема позволит в нужных пределах регулировать частоту тока, а это напрямую связано с возникновением резонансных явлений. Другими словами, чтобы началось выделение водорода, надо будет подобрать параметры питающего напряжения, поэтому сборке ШИМ-генератора уделяют особое внимание. Если вы хорошо знакомы с паяльником и сможете отличить транзистор от диода, то электрическую часть можно изготовить самостоятельно. В противном случае можно обратиться к знакомому электронщику или заказать изготовление импульсного источника питания в мастерской по ремонту электронных устройств.

   Импульсный блок питания, предназначенный для подключения к топливной ячейке, можно купить в Сети. Их изготовлением занимаются небольшие частные компании в нашей стране и за рубежом.

4. Электрические провода для подключения. Достаточно будет проводников сечением 2 кв. мм.
5. Бабблер. Этим причудливым названием умельцы обозвали самый обычный водяной затвор. Для него можно использовать любую герметичную ёмкость. В идеале она должна быть оборудована плотно закрывающейся крышкой, которая при возгорании газа внутри будет мгновенно сорвана. Кроме того, рекомендуется между электролизёром и бабблером устанавливать отсекатель, который будет препятствовать возвращению HHO в ячейку.

   Конструкция бабблера

6. Шланги и фитинги. Для подключения генератора HHO понадобятся прозрачная пластиковая трубка, подводящий и отводящий фитинг и хомуты.
7. Гайки, болты и шпильки. Они понадобятся для крепления частей электролизёра между собой.
8. Катализатор реакции. Для того чтобы процесс образования HHO шёл интенсивнее, в реактор добавляют гидроксид калия KOH. Это вещество можно без проблем купить в Сети. На первое время будет достаточно не более 1 кг порошка.
9. Автомобильный силикон или другой герметик.

Заметим, что полированные трубки использовать не рекомендуется. Наоборот, специалисты рекомендуют обработать детали наждачной бумагой для получения матовой поверхности. В дальнейшем это будет способствовать увеличению производительности установки.

Инструменты, которые потребуются в процессе работы

Прежде чем приступить к постройке топливной ячейки, подготовьте такие инструменты:

• ножовку по металлу;
• дрель с набором свёрл;
• набор гаечных ключей;
• плоская и шлицевая отвёртки;
• угловая шлифмашина («болгарка») с установленным кругом для резки металла;
• мультиметр и расходомер;
• линейка;
• маркер.

Кроме того, если вы будете самостоятельно заниматься постройкой ШИМ-генератора, то для его наладки потребуется осциллограф и частотомер. В рамках данной статьи мы этот вопрос поднимать не будем, поскольку изготовление и настройка импульсного блока питания лучше всего рассматривается специалистами на профильных форумах.

Обратите внимание на статью, в которой приведены другие источники энергии, которую можно использовать для обустройства отопления дома: https://aqua-rmnt.com/otoplenie/alt_otoplenie/alternativnye-istochniki-energii.html

Инструкция: как сделать водородный генератор своими руками

Для изготовления топливной ячейки возьмём наиболее совершенную «сухую» схему электролизёра с использованием электродов в виде пластин из нержавеющей стали. Представленная ниже инструкция демонстрирует процесс создания водородного генератора от «А» до «Я», поэтому лучше придерживаться очерёдности действий.

Схема топливной ячейки «сухого» типа

1. Изготовление корпуса топливной ячейки. В качестве боковых стенок каркаса выступают пластины оргалита или оргстекла, нарезанные по размеру будущего генератора. Надо понимать, что размер аппарата напрямую влияет на его производительность, однако, и затраты на получение HHO будут выше. Для изготовления топливной ячейки оптимальными будут габариты устройства от 150х150 мм до 250х250 мм.
2. В каждой из пластин просверливают отверстие под входной (выходной) штуцер для воды. Кроме того, потребуется сверление в боковой стенке для выхода газа и четыре отверстия по углам для соединения элементов реактора между собой.

   Изготовление боковых стенок

3. Воспользовавшись угловой шлифовальной машиной, из листа нержавеющей стали марки 316L вырезают пластины электродов. Их размеры должны быть меньше габаритов боковых стенок на 10 – 20 мм. Кроме того, изготавливая каждую деталь, необходимо оставлять небольшую контактную площадку в одном из углов. Это понадобится для соединения отрицательных и положительных электродов в группы перед их подключением к питающему напряжению.
4. Для того чтобы получать достаточное количество HHO, нержавейку надо обработать мелкой наждачной бумагой с обеих сторон.
5. В каждой из пластин сверлят два отверстия: сверлом диаметром 6 — 7 мм — для подачи воды в пространство между электродами и толщиной 8 — 10 мм — для отвода газа Брауна. Точки сверлений рассчитывают с учётом мест установки соответствующих подводящих и выходного патрубков.

   Вот такой комплект деталей необходимо подготовить перед сборкой топливной ячейки

6. Начинают сборку генератора. Для этого в оргалитовые стенки устанавливают штуцеры подачи воды и отбора газа. Места их присоединений тщательно герметизируют при помощи автомобильного или сантехнического герметика.
7. После этого в одну из прозрачных корпусных деталей устанавливают шпильки, после чего начинают укладку электродов.

   Укладку электродов начинают с уплотняющего кольца

   Обратите внимание: плоскость пластинчатых электродов должна быть ровной, иначе элементы с разноимёнными зарядами будут касаться, вызывая короткое замыкание!

8. Пластины нержавеющей стали отделяют от боковых поверхностей реактора при помощи уплотнительных колец, которые можно сделать из силикона, паронита или другого материала. Важно только, чтобы его толщина не превышала 1 мм. Такие же детали используют в качестве дистанционных прокладок между пластинами. В процессе укладки следят, чтобы контактные площадки отрицательных и положительных электродов были сгруппированы в разных сторонах генератора.

   При сборке пластин важно правильно ориентировать выходные отверстия

9. После укладки последней пластины устанавливают уплотнительное кольцо, после чего генератор закрывают второй оргалитовой стенкой, а саму конструкцию скрепляют при помощи шайб и гаек. Выполняя эту работу, обязательно следят за равномерностью затяжки и отсутствием перекосов между пластинами.

   При финальной затяжке обязательно контролируют параллельность боковых стенок. Это позволит избежать перекосов

10. При помощи полиэтиленовых шлангов генератор подключают к ёмкости с водой и бабблеру.
11. Контактные площадки электродов соединяют между собой любым способом, после чего к ним подключают провода питания.

    Собрав несколько топливных ячеек и включив их параллельно, можно получить достаточное количество газа Брауна

12. На топливную ячейку подают напряжение от ШИМ-генератора, после чего производят настройку и регулировку аппарата по максимальному выходу газа HHO.

Для получения газа Брауна в количестве, достаточном для отопления или приготовления пищи, устанавливают несколько генераторов водорода, работающих параллельно.

Видео: Сборка устройства

Видео: Работа конструкции «сухого» типа

Отдельные моменты использования

Прежде всего, хотелось бы отметить, что традиционный метод сжигания природного газа или пропана в нашем случае не подойдёт, поскольку температура горения HHO превышает аналогичные показатели углеводородов в три с лишним раза. Как вы сами понимаете, такую температуру конструкционная сталь долго не выдержит. Сам Стенли Мейер рекомендовал использовать горелку необычной конструкции, схему которой мы приводим ниже.

Схема водородной горелки конструкции С. Мейера

Вся хитрость этого устройства заключается в том, что HHO (на схеме обозначено цифрой 72) проходит в камеру сжигания через вентиль 35. Горящая водородная смесь поднимается по каналу 63 и одновременно осуществляет процесс эжекции, увлекая за собой наружный воздух через регулируемые отверстия 13 и 70. Под колпаком 40 задерживается некоторое количество продуктов горения (водяного пара), которое по каналу 45 попадает в колонку горения и смешивается с горящим газом. Это позволяет снизить температуру горения в несколько раз.

Второй момент, на который хотелось бы обратить ваше внимание — жидкость, которую следует заливать в установку. Лучше всего использовать подготовленную воду, в которой не содержатся соли тяжёлых металлов. Идеальным вариантом является дистиллят, который можно приобрести в любом автомагазине или аптеке. Для успешной работы электролизёра в воду добавляют гидроксид калия KOH, из расчёта примерно одна столовая ложка порошка на ведро воды.

В процессе работы установки важно не перегревать генератор. При повышении температуры до 65 градусов Цельсия и более электроды аппарата будут загрязняться побочными продуктами реакции, из-за чего производительность электролизёра уменьшится. Если же это всё-таки произошло, то водородную ячейку придётся разобрать и удалить налёт при помощи наждачной бумаги.

И третье, на чём мы делаем особое ударение — безопасность. Помните о том, что смесь водорода и кислорода не случайно назвали гремучей. HHO представляет собой опасное химическое соединение, которое при небрежном обращении может привести к взрыву. Соблюдайте правила безопасности и будьте особенно аккуратны, экспериментируя с водородом. Только в этом случае «кирпичик», из которого состоит наша Вселенная, принесёт тепло и комфорт вашему дому.

Правила безопасности необходимо соблюдать не только при монтаже водородного генератора. При сборке и эксплуатации биореактора тоже нужно быть крайне осторожным, поскольку биогаз взрывоопасен. Подробнее об этом типе установке читайте в следующей статье: https://aqua-rmnt.com/otoplenie/alt_otoplenie/kak-poluchit-biogaz.html.

Надеемся, статья стала для вас источником вдохновения, и вы, засучив рукава, приступите к изготовлению водородной топливной ячейки. Разумеется, все наши выкладки не являются истиной в последней инстанции, однако, их вполне можно использовать для создания действующей модели водородного генератора. Если же вы хотите полностью перейти на этот вид отопления, то вопрос придётся изучить более детально. Возможно, именно ваша установка станет краеугольным камнем, благодаря которому закончится передел энергетических рынков, а дешёвое и экологичное тепло войдёт в каждый дом.

Биотопливные элементы своими руками

Сразу хочу предупредить, что этот топик не совсем по тематике Хабра, но в комментариях к посту про разработанный в MIT элемент идею вроде бы поддержали, так что ниже я опишу некоторые соображения о биотоливных элементах.
Работа, на основе которой написан данный топик, выполнялась мной в 11 классе, и заняла второе место на международной конференции INTEL ISEF.
Топливный элемент – химический источник тока, в котором химическая энергия восстановителя (топлива) и окислителя, непрерывно и раздельно подаваемых к электродам, непосредственно превращается в электрическую
энергию. Принципиальная схема топливного элемента (ТЭ) представлена ниже:

ТЭ состоит из анода, катода, ионного проводника, анодной и катодной камеры. На данный момент мощности биотопливных элементов недостаточно для использования в промэшленных масшатабах, но БТЭ с небольшой мощностью могут использоваться для медицинских целей как чувствительные датчики поскольку сила тока в них пропорциональна количеству перерабатываемого топлива.
К настоящему времени предложено большое число конструктивных разновидностей ТЭ. В каждом конкретном случае конструкция ТЭ зависит от назначения ТЭ, типа реагента и ионного проводника. В особую группу выделяют биотопливные элементы, в которых используются биологические катализаторы. Важной отличительной чертой биологических систем является их способность к селективному окислению различных топлив при низкой температуре.
В большинстве случаев в биоэлектрокатализе используют иммобилизованные ферменты, т.е. ферменты, выделенные из живых организмов и закрепленные на носителе, но сохранившие при этом каталитическую активность (частично или полностью), что позволяет использовать их повторно. Рассмотрим на примере биотопливный элемент, в котором ферментативная реакция сопряжена с электродной при использовании медиатора. Схема биотопливного элемента на основе глюкозооксидазы:

Биотопливный элемент состоит из двух инертных электродов из золота, платины или углерода, погруженных в буферный раствор. Электроды разделены ионообменной мембраной: анодное отделение продувается воздухом, катодное — азотом. Мембрана позволяет пространственно разделить реакции, протекающие в электродных отделениях элемента, и в тоже время обеспечивает обмен протонами между ними. Подходящие для биосенсоров мембраны разных типов выпускаются в Великобритании многими фирмами (ВДН, ВИРОКТ).
Введение глюкозы в биотопливный элемент, содержащий глюкозооксидазу и растворимый медиатор, при 20 °С приводит к возникновению потока электронов от фермента к аноду через медиатор. По внешней цепи электроны идут к катоду, где в идеальных условиях в присутствии протонов и кислорода образуется вода. Результирующий ток (в отсутствие насыщения) пропорционален добавке скоростьопределяющего компонента (глюкозы). Измеряя стационарные токи, можно быстро (5с) определить даже малые концентрации глюкозы — до 0,1 мМ. Как сенсор, описанный биотопливный элемент, имеет определенные ограничения, связанные с присутствием медиатора и определенными требованиями к кислородному катоду и мембране. Последняя должна удерживать фермент и в тоже время пропускать низкомолекулярные компоненты: газ, медиатор, субстрат. Ионообменные мембраны, как правило, удовлетворяют этим требованиям, хотя их диффузионные свойства зависят от рН буферного раствора. Диффузия компонентов через мембрану приводит к снижению эффективности переноса электрона вследствие побочных реакций.
На сегодняшний день имеются лабораторные модели топливных элементов с ферментными катализаторами, которые по своим характеристикам не отвечают требованиям их практического применения. Основные усилия в ближайшие несколько лет будут направлены на доработку биотопливных элементов и дальнейшее применение биотопливного элемента будет связано большей степенью с медициной, например: вживляемый биотопливный элемент, использующий кислород и глюкозу.
При использовании ферментов в электрокатализе главной проблемой, требующей решения, является проблема сопряжения ферментативной реакции с электрохимической, то есть обеспечение эффективного транспорта электронов с активного центра фермента на электрод, что может достигаться следующими путями:
1. Перенос электронов с активного центра фермента на электрод с помощью низкомолекулярного переносчика — медиатора (медиаторный биоэлектрокатализ).
2. Непосредственное, прямое окисление и восстановление активных центров фермента на электроде (прямой биоэлектрокатализ).
При этом медиаторное сопряжение ферментативной и электрохимической реакции в свою очередь можно осуществить четырьмя способами:
1) фермент и медиатор находятся в объеме раствора и медиатор диффундирует к поверхности электрода;
2) фермент находится на поверхности электрода, а медиатор в обьеме раствора;
3) фермент и медиатор иммобилизованы на поверхности электрода;
4) медиатор пришит к поверхности электрода, а фермент находится в растворе.
В данной работе катализатором катодной реакции восстановления кислорода служила лакказа, а катализатором анодной реакции окисления глюкозы — глюкозооксидаза (ГОД). Ферменты использовались в составе композитных материалов, создание которых является одним из наиболее важных этапов создания биотопливных элементов, одновременно выполняющих функцию аналитического датчика. Биокомпозитные материалы в данном случае должны обеспечивать селективность и чувствительность определения субстрата и в тоже время обладать высокой биоэлектрокаталитической активностью, приближающейся к ферментативной.
Лакказа представляет собой Cu-содержащую оксидоредуктазу, основной функцией которой в нативных условиях является окисление органических субстратов (фенолы и их производные) кислородом, который при этом восстанавливается до воды. Молекулярная масса фермента составляет 40000 г/моль.

К настоящему времени показано, что лакказа является наиболее активным электрокатализатором восстановления кислорода. В ее присутствии на электроде в атмосфере кислорода устанавливается потенциал близкий к равновесному кислородному потенциалу, и восстановление кислорода протекает непосредственно до воды.
В качестве катализатора катодной реакции (восстановления кислорода) использовали композитный материал на основе лакказы, ацетиленовой сажи АД-100 и нафиона. Особенностью композита является структура, обеспечивающая ориентацию молекулы фермента по отношению к электронпроводящей матрице, необходимую для прямого переноса электрона. Удельная биоэлектрокаталитическая активность лакказы в композите приближается к наблюдаемой в ферментативном катализе. Способ сопряжения ферментативной и электрохимической реакции в случае лакказы, т.е. способ переноса электрона от субстрата через активный центр фермента лакказы на электрод, – прямой биэлектрокатализ.
Глюкозокооксидаза (ГОД) – фермент класса оксидоредуктаз, имеет две субъединицы, каждая из которых имеет свой активный центр – (флавинадениндинуклеотид) ФАД. ГОД является ферментом, селективным по отношению к донору электронов – глюкозе, а в качестве акцепторов электронов может использовать многие субстраты. Молекулярная масса фермента составляет 180000 г/моль.

В работе использовали композитный материал на основе ГОД и ферроцена (Фц) для анодного окисления глюкозы по медиаторному механизму. Композитный материал включает ГОД, высокодисперсный коллоидный графит (ВКГ), Фц и нафион, что позволило получить электронопроводящую матрицу с высокоразвитой поверхностью, обеспечить эффективный транспорт реагентов в зону реакции и стабильные характеристики композитного материала. Способ сопряжения ферментативной и электрохимической реакций, т.е. обеспечение эффективного транспорта электронов от активного центра ГОД на электрод – медиаторный, при этом фермент и медиатор были иммобилизованы на поверхности электрода. В качестве медиатора — акцептора электронов – использовали ферроцен. При окислении органического субстрата – глюкозы, ферроцен восстанавливается, а затем окисляется на электроде.
Если кому-то интересно, я могу подробно описать процесс получения покрытия электородов, но за этим лучше пишите в личку. А в топике я просто опишу полученную структуру.

1. АД-100.
2. лакказа.
3. гидрофобная пористая подложка.
4. нафион.

После того, как электорды получены мы перешли непосредственно к экспериментальной части. Вот так выглядела наша рабочая ячейка:

1. электрод сравнения Ag/AgCl;
2. рабочий электрод;
3. вспомогательный электрод — Рt.
В опыте с глюкозооксидазой — продувка аргоном, с лакказой — кислородом.
Восстановление кислорода на саже в отсутствии лакказы происходит при потенциалах ниже нуля и происходит в две стадии: через промежуточное образование перекиси водорода. На рисунке представлена поляризационная кривая электровосстановления кислорода лакказой иммобилизованной на АД-100, полученная в атмосфере кислорода в растворе с рН 4,5. В этих условиях устанавливается стационарный потенциал близкий к равновесному кислородному потенциалу (0,76 В). При потенциалах катоднее 0,76 В на ферментном электрода наблюдается каталитическое восстановление кислорода, которое протекает по механизму прямого биоэлектрокатализа непосредственно до воды. В области потенциалов катоднее 0,55 В на кривой наблюдается плато, которое соответствует предельному кинетическому току восстановления кислорода. Величина предельного тока составила около 630 мкА/см2.

Электрохимическое поведение композитного материала, на основе ГОД нафиона, ферроцена и ВКГ, исследовали методом циклической вольтамперометрии (ЦВА). Состояние композитного материала в отсутствии глюкозы в фосфатно-буферном растворе контролировали по кривым заряжения. На кривой заряжения при потенциале (–0,40) В наблюдаются максимумы относящиеся редокс-превращениям активного центра ГОД – (ФАД), а при 0,20-0,25 В максимумы окисления и восстановления ферроцена.

Из полученных результатов следует, что на основе катода с лакказой, в качестве катализатора кислородной реакции, и анода на основе глюкозооксидазы для окисления глюкозы, существует принципиальная возможность создания биотопливного элемента. Правда на этом пути есть множество препятствий, например пики активности ферментов наблюдаются при разном pH. Это привело к необходимости добавлять в БТЭ ионообменную мембрану.Мембрана позволяет пространственно разделить реакции, протекающие в электродных отделениях элемента, и в тоже время обеспечивает обмен протонами между ними. В анодное отделение поступает воздух.
Введение глюкозы в биотопливный элемент, содержащий глюкозооксидазу и медиатор, приводит к возникновению потока электронов от фермента к аноду через медиатор. По внешней цепи электроны идут к катоду, где в идеальных условиях в присутствии протонов и кислорода образуется вода. Результирующий ток (в отсутствие насыщения) пропорционален добавке скоростьопределяющего компонента — глюкозы. Измеряя стационарные токи, можно быстро (5с) определить даже малые концентрации глюкозы — до 0,1 мМ.
К сожалению довести идею этого БТЭ до практического внедрения мне не удалось, т.к. сразу после 11 класса я пошёл учиться на программиста, чем усердно занимаюсь и сегодня. Спасибо всем, кто осилил.

Способ изготовления полимерной ионообменной мембраны радиационно-химическим методом

Изобретение относится к способу изготовления полимерной ионообменной мембраны, которую применяют для разделения вещества с помощью электрохимических процессов, таких как электродиализ, электролиз, для получения электричества в гальванических батареях, в частности, для топливного элемента. Способ заключается в том, что полимерную матрицу, которая находится в растворе одного или нескольких мономеров из группы непредельных циклических углеводородов, облучают ионами с энергией, достаточной для прохождения ионов насквозь через материал полимерной матрицы. Плотность тока ионов выбирают такой, чтобы при облучении температура раствора не достигла температуры его кипения. Затем полимерную матрицу, находящуюся в растворе мономера, помещают в ультразвуковую ванну, заполненную жидкостью, и подвергают воздействию ультразвука. При необходимости при воздействии ультразвука проводят процесс сульфирования или фосфатирования привитых мономеров. В обоих случаях ультразвук имеет частоту в диапазоне от 2·104 до 106 Гц и интенсивность звукового излучения не менее 0,2 Вт/см2. Изобретение позволяет увеличить ионнообменную емкость мембраны, а также сократить время ее получения. 2 пр.

Изобретение относится к технологии получения функциональной полимерной ионообменной мембраны, которую применяют для разделения вещества с помощью электрохимических процессов, таких как электродиализ, электролиз, для получения электричества в гальванических батареях, в частности, для топливного элемента, в котором используется водород или метанол в качестве топлива.

Топливный элемент на основе полимерного электролита представляет собой устройство, содержащую полимерную ионообменную (протонпроводящую) мембрану, находящуюся в контакте с парой газодиффузионных электродов, содержащих слой катализатора и токоприемники, находящиеся по обеим сторонам топливной ячейки. Топливо (водород или метанол) поступает к аноду через газодиффузионный слой, взаимодействуя с катализатором, превращается в свободные протоны и электроны. Протоны проходят через мембрану к катоду, где взаимодействуют с кислородом, поступающим через катодный газодиффузионный слой, и превращаются в воду. Электроны проходят через внешнюю нагрузку и участвуют в реакции окисления водорода и на катоде. Функция мембраны — обеспечение долговременного и стабильного переноса протонов и предотвращение транспорта водорода или метанола от анода к катоду.

Мембрана должна обладать высокой ионообменной емкостью, протонной проводимостью, быть эффективным барьером для предотвращения смешивания топлива (водорода или метанола) с кислородом, химической стабильностью по отношению к воздействию гидроксильных радикалов, которые являются основной причиной выхода из строя ионообменных мембран, способностью удерживать воду и таким образом обеспечивать низкое электрическое сопротивление, термическую устойчивость при рабочих температурах, а также механической прочностью и низкой стоимостью.

Исходя из требования обеспечения высокой химический стойкости по отношению к окислителю, в качестве основы ионообменной мембраны используют фторидные полимеры, которые содержат функциональную ионообменную группу, связанную с полимерной цепью субстрата основы мембраны, например сульфированный стирол, ненасыщенную карбоновую кислоту, ортофосфорную кислоту, фосфоновую кислоту или их производные.

Первая полимерная протонопроводящая мембрана, стабильная по многим параметрам, была запатентована фирмой Du Font на основе сополимера тетрафторэтилена и перфторированного сульфосодержащего мономера . Мембрана получила коммерческое название «Nafion».

Мембраны типа «Nafion» имеют хорошую химическую стабильность и длительный срок службы, однако они имеют относительно небольшую ионообменную емкость: около 1 мг-экв./г, и недостаточную способность удерживать воду при температурах выше 80°С, что приводит к высыханию мембраны, вызывает снижение протонной проводимости. Введение дополнительных сульфокислотных групп в мембрану позволяет увеличить ионообменную емкость мембраны, однако это вызывает дополнительное набухание мембраны и в отсутствие поперечных связей между полимерными цепями приводит к снижению ее механической прочности вплоть до разрушения мембраны. Поэтому для обеспечения приемлемой механической прочности фторполимерные мембраны, полученные методом сополимеризации, имеют ионообменную емкость около 1 мг-экв./г.

Следует отметить, что фторполимерные электролитные мембраны типа «Nation», полученные методом сополимеризации, имеют высокую стоимость, что препятствует их широкому практическому использованию, в частности, в автомобилях.

Таким образом, существует потребность в разработке высокоэффективных, стабильных электролитных мембран с низкой стоимостью, которые могли бы заменить протонопроводящие мембраны типа «Nafion» для топливных элементов.

Помимо сополимеризации для синтеза полимерных электролитных мембран используют известный с 50-х годов прошлого века метод радиационной прививки, заключающийся в прививке функциональных групп к полимерным цепям органического субстрата, путем облучения указанного субстрата определенной дозой ионизирующего излучения для создания химически активных центров в полимере и затем приведения облученного субстрата в контакт с раствором мономера, имеющего в своем составе ионообменные группы или мономера, в котором такие группы могут быть получены на последующих стадиях .

Фирма RAI RESEARCH CORPORATION (США) в 1980 г. запатентовала изобретение «Процесс прививки гамма-излучением для приготовления разделительных мембран для электрохимических ячеек», в котором радиационная прививка мономера к полимерной основе производится с помощью гамма-излучения. В последующем прием радиационной прививки стали широко использовать для приготовления ионообменных мембран. Например, известен процесс приготовления мембраны с привитым сополимером, который включает экспозицию полимерной основы определенной дозой ионизирующего излучения и затем приведение облученной пленки в контакт с эмульсией, содержащей мономер флюооростирола.

Облучение ионизирующим излучением фторуглеродного полимера приводит к образованию активных центров со свободными радикалами, способными вступать в реакцию с таким ненасыщенным мономером, как стирол. Электролитическое сопротивление ионообменной мембраны зависит от количества привитого и затем сульфированного стирола таким образом, что оно уменьшается при увеличении процента прививки.

Известен способ прививки с помощью гамма-излучения для приготовления сепарационных мембран для электрохимических процессов , в котором на первой стадии создают раствор, содержащий прививаемый этиленовый ненасыщенный гидрофильный мономер, воду и замедлитель полимеризации, затем в этот раствор помещают материал полимерной основы и проводят облучение указанной пленки, находящейся в растворе, гамма-излучением, под действием которого происходит прививка мономера к пленке основы.

Недостаток указанного способа — в использовании гамма-излучения, которое создает гомогенно распределенные в объеме свободные радикалы. При этом для получения высокой степени прививки, определяющей ионообменную емкость и протонную проводимость, необходимы большие дозы гамма-излучения, которые одновременно приводят и к деструкции материала, вызывая снижение его прочности.

В 2004 г. Японский исследовательский институт атомной энергии (JAERI) получил патент на изобретение «Метод формирования наноструктурной, контролируемой полимерной ионообменной мембраны» , в котором полимерную пленку облучают тяжелыми ионами для получения большого числа наноразмерных сквозных отверстий, затем ее облучают ионизирующим излучением и проводят прививку функционального мономера как к поверхности пленки, так и в область сквозных отверстий, и затем к привитым мономерам присоединяют сульфокислотные группы. Такой процесс, по мнению авторов, приводит к улучшению стойкости мембраны, к воздействию окислителя и метанола, улучшению стабильности размеров, обеспечению заданной протонной проводимости и ионообменной емкости в широком диапазоне.

Известно также изобретение «Функциональная мембрана и электролитная мембрана для топливной ячейки и метод для их производства» . В этом изобретении производство функциональной мембраны включает следующие шаги: стадию облучения полимерной пленки, которая содержит неорганические непроводящие частицы, ионами высокой энергии с флюенсом от 10 до 1014 см-2, стадию прививочной полимеризации, при которой облученную пленку приводят в контакт с раствором одного или несколько мономеров, содержащих полезные функциональные группы, в результате чего эти мономеры прививают к субстрату мембраны.

Известна протон-проводящая мембрана для топливных элементов и метод приготовления такой мембраны». Протон-проводящая мембрана состоит из полимерной матрицы, содержащей цилиндрические зоны, пересекающие толщину матрицы, при этом указанные зоны включают привитый полимер, выбранный из:

— полимеров, которые включают основную цепь, в которой, по крайней мере, часть атомов углерода связана как с группой -COOR, так и с группой -SO3R или группой -РО3К2, где R — атом водорода, галогена, алкильная группа или катионный противоион;

— полимерных цепей, которые включают основную цепь, включающую прикрепленные к ней фенильные группы, у которых, по крайней мере, один атом водорода замещен группой -SO3R3 или группой — РО3К2, где R — атом водорода, атом галогена, алкильную группу или катионный противоион.

— смеси этих полимеров.

При этом полимерная матрица выбрана среди фторполимеров или выполнена из поливинилендифторида. Полимер включает основную цепь, в которой, по крайней мере, часть атомов углерода связана как с группой -COOR, так и с группой -SO3P или группой -PO3R2, где R — атом водорода, атом галогена, алкильную группу или катионный противоион. Привитые полимеры получены в результате полимеризации акриловых мономеров, включают, по крайней мере, группу -COOR, а также полученные в результате прививки полимеры, подвергнутые стадии сульфирования или фосфатирования для того, чтобы ввести группы -SO3R или PO3R2 в, по крайней мере, часть атомов несущих группу -COOR, где R — атом водорода, атом галогена, алкильную группу или катионный противоион. Привитый полимер включает основную цепь, которая содержит фенильные группы, часть из которых включает, по крайней мере, один атом водорода, замененный группой -SO3K или -PO3R2, где R — атом водорода, атом галогена, алкильную группу или катионный противоион, и является результатом полимеризации стирола, который затем подвергнут стадии сульфирования или фосфатирования, для того чтобы, по крайней мере, один атом фенильной группы был связан с группой -SO3R или PO3R2.

Известный способ приготовления мембраны , выбранный за прототип, включает следующие стадии:

— стадию облучения полимерной матрицы, так чтобы создать облученные зоны цилиндрической формы, пересекающие толщину матрицы;

— стадию проявления латентных треков, созданных на этапе облучения, при необходимости;

— стадию прививки этиленового мономера в облученные зоны, содержащие свободные радикалы, при помощи чего получают основную цепь прививки, и стадию сульфирования или фосфатирования упомянутых основных цепей.

Способ-прототип имеет ряд недостатков:

— процесс создания химически активных радикалов в веществе полимерной основы путем облучения ионизирующим излучением и процесс прививки выполняют последовательно, что вызывает частичную рекомбинацию (гашение) активных центров, созданных в материале основы ионизирующим излучением, что снижает степень прививки при одной той же дозе ионизирующего излучения и для достижения заданной степени прививки требует увеличения дозы ионизирующего излучения;

— при проведении прививки мономеров к субстрату путем приведения облученной пленки в контакт с раствором прививаемого мономера необходимо дать время, чтобы раствор мономера продиффундировал в материал полимера на всю его толщину и смог прореагировать со свободными радикалами, созданными излучением. Это время довольно значительно и измеряется от нескольких часов до нескольких суток, особенно в случае прививки в пленках большой толщины. В случае недостаточного времени контакта проникновение мономера в пленку происходит не на всю толщину от поверхностей с обеих сторон мембраны, оставляя обедненную полосу в центре мембраны, вызывая снижение протонной проводимости мембраны. В результате для обеспечения прививки мономера увеличивают общее время проведения стадии прививочной полимеризации, что снижает общую производительность процесса получения мембраны и увеличивает ее стоимость.

Задачей изобретения является создание способа изготовления полимерной ионообменной мембраны, позволяющего увеличить степень прививки мономера для заданной дозы облучения полимерной матрицы и уменьшить время, необходимое для проведения процесса прививки мономера и его сульфирования, в случае необходимости его проведения.

Технический результат, получаемый в результате применения предлагаемого способа, заключается в увеличении ионообменной емкости мембраны при данной дозе облучения и уменьшении времени процесса получения мембраны.

Технический результат достигается тем, что способ изготовления полимерной ионообменной мембраны радиационно-химическим методом характеризуется тем, что полимерную матрицу, которая находится в растворе одного или нескольких мономеров из группы непредельных циклических углеводородов, облучают ионами с энергией, достаточной для прохождения ионов насквозь через материал полимерной матрицы, при этом плотность тока ионов выбирают такой, чтобы при облучении температура раствора не достигла температуры его кипения, затем полимерную матрицу, находящуюся в растворе мономера, помещают в ультразвуковую ванну, заполненную жидкостью, и подвергают воздействию ультразвука, в случае необходимости проводят процесс сульфирования или фосфатирования привитых мономеров также при воздействии ультразвука, причем в обоих случаях ультразвук имеет частоту в диапазоне от 2·104 до 106 Гц и интенсивность звукового излучения не менее 0,2 Вт/см2.

Сущность способа изготовления полимерной ионообменной мембраны методом радиационно-химической обработки согласно предлагаемому изобретению заключается в том, что, как и в известных аналогах и прототипе, полимерную матрицу подвергают облучению ионами высокой энергии и приводят в контакт с раствором одного или нескольких мономеров, из группы непредельных циклических углеводородов.

Отличие предлагаемого способа заключается в том, что полимерную матрицу перед облучением помещают в плоский контейнер, содержащий раствор прививаемого мономера, при этом одна из стенок контейнера выполнена из тонкой фольги. Облучение пленки ионами производят через фольгу контейнера, при этом энергия иона выбирается такой, чтобы ион прошел через фольгу, слой раствора, находящийся между фольгой и пленкой, и через пленку насквозь.

При облучении за счет выделения энергии пучка ионов происходит нагрев раствора и пленки. Для предотвращения закипания раствора плотность тока ионов ограничивают величиной, которую определяют из теплового расчета таким образом, чтобы температура контейнера, образца и раствора к концу облучения не превышала температуры кипения раствора мономера. В процессе облучения пленки одновременно с образованием активных центров в полимере идет и процесс прививки к ним мономера, что увеличивает степень прививки по сравнению с процессом прививки, выполняемым после окончания облучения. Процесс прививки продолжают после окончания облучения путем помещения контейнера в ванну с жидкостью, в которой на образец полимера воздействуют ультразвуком. Ультразвук способствует увеличению диффузии мономера в материал полимерной пленки и его прививки к цепям полимера в местах, созданных излучением химически активных центров (радикалов). Частоту ультразвукового воздействия можно изменять в широких пределах от 20 кГц до 1 МГц и выше. Эффект будет проявляться при любой частоте и интенсивности, увеличиваясь с ростом интенсивности ультразвука. Верхний предел интенсивности ультразвука необходимо выбрать так, чтобы в процессе воздействия не произошло разрушения пленки в результате разрыва пленки или кавитации. То есть интенсивность ультразвука должна быть ниже предела прочности полимера или порога образования кавитации в жидкости.

После прививки мономера, если он не имеет гидрофильных ионообменных групп и требуется их создание, проводят сульфирование или фосфатирование привитых мономеров путем помещения пленки в соответствующую кислоту, при этом пленку, также как и при прививке, подвергают воздействию ультразвука.

В результате применения предложенного способа достигается повышение ионообменной емкости ионообменной мембраны для данной дозы (флюенса) ионов, упавших на пленку, и уменьшается время прививки мономера и создания гидрофильных функциональных групп.

Пример 1. Пленка из поливинилиденфторида (PVDF) толщиной 30 мм и диаметром 75 мм помещена в углубление контейнера, выполненного из алюминиевого диска (размеры углубления — диаметр — 80 мм, глубина — 0,3 мм). В углубление был налит раствор, состоящий из стирола (50% вес.) и толуола (50% вес), предварительно очищенный от кислорода путем пробулькивания через него аргона. Пленка, погруженная в раствор, была покрыта фольгой из алюминия толщиной 10 мкм. Алюминиевая фольга была герметично прижата с помощью кольца к контейнеру таким образом, чтобы под фольгой не было воздуха. Контейнер помешен под пучок ионов гелия с энергией 27 МэВ. Этой энергии иона гелия достаточно, чтобы ион прошел через алюминиевую фольгу и всю толщину полимерной пленки в растворе (пробег иона гелия с энергией 27 МэВ в углеводородном полимере (CH2) более 0,5 мм). Плотность тока ионов в процессе облучения была 50 нА/см2, время облучения 180 с (общий флюенс потока ионов — 5,6·1013 см-2). Затем контейнер с образцом облученной пленки поместили в ультразвуковую ванну типа УЗВ-1,3 (ЗАО «ПКФ-Сапфир, Россия), заполненную водой, объемом 1 л и подвергли действию ультразвука с частотой 35 кГц и мощностью излучателя 50 Вт (средняя интенсивность звукового излучения 0,2 Вт/см2) при температуре 60°C на 2 часа, затем образец пленки извлекли из контейнера и поместили в серную кислоту (объемная концентрация — 78%) в кварцевом бюксе, который поместили в ультразвуковую ванну типа УЗВ-1,3 (ЗАО «ПКФ-Сапфир, Россия), заполненную 1 л воды при температуре 70°C, и подвергли действию ультразвука в течение 8 часов. Получены следующие параметры мембраны: ионообменная емкость — (4,8±1,5) мг-экв./г. Общее время радиационно-химической обработки пленки около 10 часов.

Пример 2 (сравнительный). Пленку из PVDF, толщиной 30 мм, размерами 30×40 мм помещали в контейнер, с окном из алюминиевой фольги толщиной 10 мкм, снабженный штуцерами для вакуумирования и заполнения жидкостью. Контейнер вакуумировали и через алюминиевое окно облучали ионами гелия с энергией 27 МэВ с плотностью тока -около 20 нА/см2, время облучения — 440 с (флюенс ионов — 5,5·1013 см-2). Затем в контейнер с облученной пленкой заливали раствор, состоящий из стирола (50% вес.) и толуола (50% вес), предварительно очищенный от кислорода путем пробулькивания через него аргона. Контейнер помещали в термостат при температуре 50°C, выдерживали в течение 16 часов для обеспечения прививки стирола к полимеру. Затем пленку помещали в серную кислоту (объемная концентрация — 78%) при температуре 90°C и выдерживали в течение 40 часов. Получены следующие параметры мембраны: ионообменная емкость — (1,2±0,4) мг-экв/г. Общее время радиационно-химической обработки пленки около 56 часов.

Таким образом, применение предлагаемого способа приводит к увеличению количества ионообменных функциональных групп и, следовательно, к увеличению ионообменной емкости, а также к существенному уменьшению времени прививки и сульфирования мембраны.

Способ изготовления полимерной ионообменной мембраны радиационно-химическим методом, характеризующийся тем, что полимерную матрицу, которая находится в растворе одного или нескольких мономеров из группы непредельных циклических углеводородов, облучают ионами с энергией, достаточной для прохождения ионов насквозь через материал полимерной матрицы, при этом плотность тока ионов выбирают такой, чтобы при облучении температура раствора не достигла температуры его кипения, затем полимерную матрицу, находящуюся в растворе мономера, помещают в ультразвуковую ванну, заполненную жидкостью, и подвергают воздействию ультразвука, в случае необходимости проводят процесс сульфирования или фосфатирования привитых мономеров также при воздействии ультразвука, причем в обоих случаях ультразвук имеет частоту в диапазоне от 2·104 до 106 Гц и интенсивность звукового излучения не менее 0,2 Вт/см2.