Очень перспективным, по мнению специалистов, является вариант использования водяного газа для восстановления окислов железа при 800-9000С: 2Fe3O4 + CO + H2 → 6FeO + H2O + CO2 – 22 ккал с последующей обработкой FeO водяным паром при 600-7000С. После конденсации паров воды можно получить чистый Н2: 3FeO + Н2О → Fe3O4 + Н2 + 16 ккал. Экономичность процесса здесь возрастает из-за того, что последняя реакция экзотермична и позволяет некоторое количество выделяющегося тепла использовать для нагрева водяного газа до температуры, при которых в соответствии с последней реакцией имеет место восстановления оксидов железа.
Казалось бы, самым простым и чистым способом получения водорода должен быть электролизный способ, непосредственно расщепляющий молекулу воду на водород и кислород. Но этот процесс сам требует много электроэнергии и экономически пока еще остается невыгодным.
Термолиз (термораспад) воды также нерентабельный процесс, так как при температуре 20000С выход водорода составляет 1 %. Но вместо термолиза напрямую предложили термохимические циклы, где водород получают в несколько стадий.
Один из циклов Mark – 1: 2CuBr2 + 4H2O → 2Cu(OH)2 + 4HBr (7300C);
4HBr + Cu2O → 2CuBr2 + H2O + H2 (1000C);
2CuBr2 + 2Cu(OH)2 → 2CuO + 2CuBr2 + 2H2O (1000C);
2CuO → Cu2O + 1/2O2 (1000C).
Отрицательное воздействие водородной энергетики на окружающую среду следующее:
• при горении водорода на воздухе развиваются температуры, достаточные для окисления азота. Поэтому кроме воды среди продуктов горения есть некоторое количество оксидов азота NхОу;
• добыча водорода из его природных соединений в соответствии с законом сохранения энергии требует столько же энергии (в реальных условиях несколько больше), сколько мы получим при окислении водорода. Следовательно, необходимо затратить эквивалентное количество первичной энергии, которая не является экологически чистой. Значит, загрязнение из одного региона (где водорода потребляют) переносится в другой (где его получают);
• низкая плотность, взрывоопасность, высокая диффузионная подвижность требуют для работы с водородом новых материалов и технологий, которые вряд ли будут экологически чистыми;
• еще одна проблема – это аккумулирование водорода. Расход водорода, как и любого другого энергоносителя, будет неравномерным. Следовательно, нужно заранее проектировать устройства для его аккумулирования. На сегодня лучшими являются интерметаллические аккумуляторы (трехкомпонентные сплавы на основе редкоземельных элементов). Следовательно, нужно увеличение производства редкоземельных элементов, что не безопасно с точки зрения охраны окружающей среды.
Таким образом, использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии и энергосбережение, возможно, решат энергетические проблемы.
Немецкие ученые подсчитали мировой технический потенциал альтернативных источников энергии в год (млрд. тонн условного топлива):
биомасса – 5,6;
гидроэнергия – 2,8;
энергия ветра – 2,8;
геотермальная энергия – 1,9;
энергия приливов – 0,9;
энергия Солнца – 6,3;
всего – 20,3 млрд. тонн условного топлива.
Для сравнения – первичной энергии используется 9 млрд. тонн условного топлива.
Контрольные вопросы:
1. Проблемы энергетики и причины их возникновения.
2. Какова роль химии в решении энергетических проблем?
3. Классификация энергоресурсов.
4. Традиционные виды топлива, их характеристика.
5. Основные продукты переработки нефти.
6. Перспективы развития синтетического топлива.
7. Влияние энергетики на окружающую среду.
8. Что такое тепловыделяющие элементы, где их используют?
9. Проблемы ядерной энергетики.
10. Альтернативные источники энергии, их характеристика.
11. Какие существуют альтернативные источники энергии, в использовании которых преобладают химические процессы?
12. Какие способы получения водорода вам известны?
13. Что такое биогаз? Способы его получения.
ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ МАТЕРИАЛОВ
По составу материалы делят на:
• металлические материалы;
• материалы на основе высокомолекулярных соединений;
• неметаллические неорганические материалы;
• керамические материалы;
• композиты
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Металлические материалы, как правило, обладают высокой тепло- и электропроводностью, механической прочностью, вязкостью, упругостью и хорошей пластичностью в сочетании с технологичностью обработки (ковкость, свариваемость, обрабатываемость режущими инструментами, существенные изменения эксплуатационных свойств в результате термической и химико-термической обработки). Наиболее распространенными являются металлические сплавы на основе железа (сталь и чугун), алюминия, магния, меди (бронза, латунь), никеля и хрома. Практически все переходные металлы и лантаниды, а также многие непереходные металлы выступают в качестве компонентов сплавов. Если металлы и сплавы в ряде случаев и уступают свои позиции неметаллическим материалам, то это связано в первую очередь с коррозией металлов, т.е. с их химическим разрушением под действием окружающей среды. Коррозии подвергаются и любые неметаллические материалы (например, полимеры, керамика и стекла), но чаще всего говорят о коррозии металлов, так как она наносит максимальный вред из-за относительно высокой скорости этого процесса, значительной стоимости металлических конструкций и ограниченности природных ресурсов металлов. Например, каждая шестая домна в России работает, чтобы возместить прямые потери металлов от коррозии.
Среди металлических материалов особое положение занимают сплавы на основе железа. Сплавы железа с содержанием углерода до 2 % принято называть сталью, а свыше 2 % – чугуном. Используемые в настоящее время в промышленности стали обычно делят на углеродистые и легированные.Создание новых и интенсификация существующих промышленных процессов заставляет все больше использовать легированные стали, которые обладают повышенной коррозионной стойкостью. Доля средне- и высоколегированных сталей в настоящее время составляет 20 % от общего количества производимых промышленностью черных металлов. Для легирования используют такие элементы, как никель, хром, молибден, вольфрам, ванадий, кобальт, марганец, медь, титан, алюминий. Сплавы железа с хромом составляют основу нержавеющих сталей, среди которых различают хромистые (Fe-Сr), хромоникелевые (Fе-Ni-Сr) и хромоникельмарганцевые (Fе-Сr-Ni-Мn). В зависимости от микроструктуры материала стали подразделяют на перлитные, мартенситные, аустенитные, ферритные и карбидные.
Несмотря на открытие и массовое применение значительного числа новых неметаллических материалов, металлы по-прежнему играют огромную роль в промышленности и в технике. Так, за последние 20 лет мировое производство меди увеличилось примерно в 2,3 раза, железа – в 2,7, никеля – в 4, алюминия – в 4,7, титана – в 17 раз. Очевидно, что и в будущем объемы производства металлов по-прежнему будут расти. Если представить себе, что среднегодовое потребление стали во всем мире приблизится к уровню развитых стран (примерно 500 кг на душу населения), и допустить, что дальнейшего роста объемов потреблений в этих странах не будет, то и тогда на земном шаре будет производиться около 2,5 млрд. т стали ежегодно. Такие примеры можно привести и применительно к цветной металлургия, которая производит металлы, требующие значительно больших количеств руды, электроэнергии, топлива и воды на тонну выпускаемой продукции.
Одной из основных задач развития материаловедения в области металлов является улучшение их качества. С этой точки зрения важное значение приобрела порошковая металлургия, в основу которой положено производство металлических порошков и спеченных из них изделий. В современной порошковой металлургии можно выделить два основных направления:
1. создание материалов и изделий с такими характеристиками (состав, структура, свойства), которые в настоящее время невозможно достичь известными методам и плавки;
2. изготовление традиционных материалов и изделий при более выгодных технико-экономических показателях производства.
Обработкой металлических порошков удается достичь важных для практических целей свойств материалов. Например, корольки плавленого вольфрама, которые получают в инертной атмосфере в вольтовой дуге, хрупки из-за присутствия различных примесей, в том числе межкристаллитных оксидных пленок, образующихся при застывании металла. Прессованием порошков вольфрама и последующим спеканием изделий в атмосфере водорода изготавливают прочные металлические бруски, которые можно ковать, катать из них листы, штамповать при нагревах ниже температур рекристаллизации.
