Топливный элемент на основе морского сероводорода

[Ruslan_Sharipov]

Известно, что черноморская вода в глубине содержит сероводород. По данным Википедии его концентрация менется от 0,19 мг/л на глубине 150 метров до 9,6 мг/л у дна моря. Известно, что сероводород участвует в следующих реакциях окисления:

 

H₂S + 1/2 О₂ → S + Н₂О + 208 кДж/моль;

H₂S + 3/2 О₂ → SO₂ + Н₂О + 520 кДж/моль;

H₂S + 1/2 SО₂ ↔ 3/2 S + Н₂О + 53 кДж/моль.

 

Источник: А. Н. Загоруйко, Производство серы и серной кислоты, лекция 06, институт катализа СО РАН. Особенно привлекательна вторая реакция. Она не даёт твёрдых отложений и имеет высокий энергетический выход. Можно ли на основе этой реакции сделать топливный элемент, работающий на черноморской воде? Как написать реакции на аноде и катоде этого элемента? Куда будет подаваться кислород и нужна ли в этом топливном элементе диафрагма?

 

Есть такая книга Ю. А. Чернегов, Повышение эффективности использования минерального сырья: грани проблемы, Москва, 2009. В ней на стр. 26 находим следующие слова. Представляют определённый интерес разработки Института биоорганической химии НАН Украины, которые открывают путь к получению электроэнергии и серы напрямую из сероводорода, без предварительного преобразования в водород. ... Привлекательной стороной разработки является то, что она позволяет получать электроэнергию непосроедственно из морской воды, содержащей сероводород, без выделения и очистки водорода. Важно и то, что при выработке электроэнергии таким способом в окружающую среду не выделяется углекислый газ, а вода без извлечённого из неё сероводорода возвращается обратно в море.

[Вадим Вергун]

Можно. Достаточно расположить один электрод в сероводородном слое, а второй у поверхности (где вода богата кислородом), между электродами можно будет зафиксировать потенциал порядка нескольких микровольт. 

[Ruslan_Sharipov]

10 часов назад, Вадим Вергун сказал:

Можно будет зафиксировать потенциал порядка нескольких микровольт. 

Такое техническое решение никуда не годится. Но остановимся пока на теории. Напишите, пожалуйста, реакции на аноде и катоде этого элемента, ну или давайте я напишу, а Вы проверьте.

 

Реакции на аноде

2 H₂S4 + 4 H₂O → 2 SO₂ + 12 H⁺ + 12 e⁻;

2 SO₂ + 2 H₂O → 2 H₂SO₃.

 

Реакции на катоде

3 O₂ + 12 H⁺ + 12 e⁻ → 6 H₂O.

 

Воду с сернистой кислотой обратно в море выливать нехорошо. Её можно пустить на производство серы по реакции H₂SO₃ + 2 H₂S → 3 S + 3 H₂O.

 

Изменено 18 Июля, 2019 в 07:13 пользователем Ruslan_Sharipov

[Вадим Вергун]

15 часов назад, Ruslan_Sharipov сказал:

Такое техническое решение никуда не годится. Но остановимся пока на теории. Напишите, пожалуйста, реакции на аноде и катоде этого элемента, ну или давайте я напишу, а Вы проверьте.

 

Реакции на аноде

2 H₂S4 + 4 H₂O → 2 SO₂ + 12 H⁺ + 12 e⁻;

2 SO₂ + 2 H₂O → 2 H₂SO₃.

 

Реакции на катоде

3 O₂ + 12 H⁺ + 12 e⁻ → 6 H₂O.

 

Воду с сернистой кислотой обратно в море выливать нехорошо. Её можно пустить на производство серы по реакции H₂SO₃ + 2 H₂S → 3 S + 3 H₂O.

 

Какое производство? Уважаемый Вы о чем вообще? Хотя сероводорода в воде достаточно чтобы создать специфическую анаэробную среду его концентрация мизерна (на глубинах около 150м менее 1мг/л), а значит  согласно уравнению Нерста разность потенциалов будет мизерной. Учитывая что естественная диффузия растворенных в-в делает градиент концентраций очень малым электроды прийдется разнести на значительной разности глубин (около 2км), а значит сопротивление элемента будет изменяться мегаомами, высокое сопротивление и низкое напряжение - не лучшие характеристики для источника тока. Годится он разве что для запитки плавающих в толще воды, куда не проникает свет для солнечных батарей, сверхсекретных мин Блистательной Порты океанографических станций.

Ситуацию можно несколько улучшить если изымать воду с глубины в 2км где концентрация может доходить аж до 10мг/л и гнать ее в топливный элемент с воздушным электродом. Вот тут уже можно получать некоторую мощность. 

Есть огромное НО! Подобное изъятие воды из придонных слоев неизбежно приведет к перемешиванию воды, насыщению приповерхностных слоев сероводородом, а глубинных кислородом. Это равносильно экологической катастрофе вся фауна и флора Черного, а возможно даже частично Средиземного моря вымрет в течении нескольких лет, очистить воду после использования не представляется возможным в связи с ее колоссальным количеством, так что ИМХО перспектив нет.

[Ruslan_Sharipov]

26 минут назад, Вадим Вергун сказал:

Ситуацию можно улучшить если изымать воду с глубины в 2 км где концентрация может доходить аж до 10мг/л и гнать ее в топливный элемент с воздушным электродом. Вот тут уже можно получать некоторую мощность.

Хорошо! Это вселяет оптимизм! Скажите, пожалуйста, какие катализаторы на аноде могут поддерживать реакцию окисления сероводорода до сернистой кислоты?

 

26 минут назад, Вадим Вергун сказал:

Но есть огромное НО! Подобное изъятие воды из придонных слоев неизбежно приведет к перемешиванию воды, насыщению приповерхностных слоев сероводородом, а глубинных кислородом. Это равносильно экологической катастрофе.

Это огромное НО легко обходится. Воду, извлечённую из глубин, после удаления из неё сероводорода возвращаем обратно на глубину. Перемешивания не происходит. Катастрофы тоже.

[yatcheh]

1 час назад, Ruslan_Sharipov сказал:

Хорошо! Это вселяет оптимизм!

 

Офигенный оптимизм! Откачать с двухкилометровой глубины тонну воды, содержащей 10 г сероводорода, окислить его, получить десять килоджоулей энергии, закачать эту тонну обратно - и радоваться изумительной эффективности процесса  

Выгоднее добычей золота из морской воды заниматься.

Изменено 18 Июля, 2019 в 19:34 пользователем yatcheh

[Вадим Вергун]

1 час назад, Ruslan_Sharipov сказал:

Хорошо! Это вселяет оптимизм! Скажите, пожалуйста, какие катализаторы на аноде могут поддерживать реакцию окисления сероводорода до сернистой кислоты?

 

Это огромное НО легко обходится. Воду, извлечённую из глубин, после удаления из неё сероводорода возвращаем обратно на глубину. Перемешивания не происходит. Катастрофы тоже.

Если закачивать и откачивать воду в одним месте локальная концентрация сероводорода в ней неминуемо уменьшится, кроме того чтобы этот процесс имел хоть какой-то смысл нужно прокачивать объемы воды сравнимые с расходом большой реки типа Днепра, завихрения и перемешивание слоев воды при этом невозможно.

Есть еще одно НО, на этот раз химического плана. Сколько-нибудь эффективный топливный элемент должен содержать на активной поверхности каталитическое покрытие из губчатой платины, но сероводород отравляет платиновый катализатор переводя его в неактивные соединения, прийдется часто обновлять активную массу катализатора, электричество будет золотым. От платины можно уйти, хотя бы в пользу никеля, но эффективность элемента радикально упадет, а никелевый катализатор хотя и стоит дешевле но все равно отравляется сероводородом. 

Окисление до серной кислоты в условиях топливного элемента реализовать невозможно, будет образовываться наиболее термодинамически стабильное в-во в данном случае это будет смесь серы и сернистого газа. Все жидкофазные процессы с образованием сернистого газа протекают через промежуточною стадию элементарной серы, у в условиях низких концентраций (и потенциалов) будет образовываться именно сера (за счет сдвига потенциалов из-за низкого ее произведения растворимости) , микропорошок серы быстро загадит электроды и процесс встанет. 

[Ruslan_Sharipov]

2 часа назад, yatcheh сказал:

Офигенный оптимизм! Откачать с двухкилометровой глубины тонну воды, содержащей 10 г, ...  закачать эту тонну обратно.

Пишут, что вода с сероводородом будет подниматься сама и даже фонтанировать, если однократно потратиться на заполнение трубы сероводородной водой. Действительно, при снижении давления часть сероводорода выделится в виде пузырьков газа. Водо-газовая смесь имеет существенно меньшую плотность и её столб в трубе оказывает меньшее давление, чем такой же  столб воды вне трубы. Этот же напор поднимающейся из глубин сероводородной воды можно пустить на закачку обратно отработанной воды.

 

2 часа назад, yatcheh сказал:

Выгоднее добычей золота из морской воды заниматься.

Этим можно заниматься попутно и одновременно. См. соседнюю тему Электрохимическое опреснение воды и добыча металлов.

[Ruslan_Sharipov]

1 час назад, Вадим Вергун сказал:

Есть еще одно НО, на этот раз химического плана.  В условиях низких концентраций (и потенциалов) будет образовываться именно сера, микропорошок серы быстро загадит электроды и процесс встанет. 

Ну это надо проверять на практике. Принцип "из двух зол выбираю то, которое мне больше нравится" может работать в дискуссии, но может нарушаться в жизни. К тому же наверняка есть способы сместить реакцию в сторону большего окисления серы за счёт добавок к материалу электродов.

[yatcheh]

10 часов назад, Ruslan_Sharipov сказал:

Пишут, что вода с сероводородом будет подниматься сама и даже фонтанировать, если однократно потратиться на заполнение трубы сероводородной водой. Действительно, при снижении давления часть сероводорода выделится в виде пузырьков газа. Водо-газовая смесь имеет существенно меньшую плотность и её столб в трубе оказывает меньшее давление, чем такой же  столб воды вне трубы. Этот же напор поднимающейся из глубин сероводородной воды можно пустить на закачку обратно отработанной воды.

 

 

О, да! Попрёт со страшной силой - будет фонтанировать, как ваш оптимизьм!

Голуба! 10 мг/л на глубине 2 км - это 6 (шесть) кубических сантиметров газа на 1000 (тысячу) граммов воды. Какой там напор, какой фонтан...

 

Для прокачки тонны воды по двухкилометровой трубе, даже расположенной горизонтально, никак не хватит 10 граммов сероводорода в качестве топлива. НИКАКОЕ использование этих 10-и граммов не оправдает перемещение тонны воды туда-сюда.

Изменено 19 Июля, 2019 в 07:41 пользователем yatcheh