Міністерство охорони навколишнього природного середовища україни український науково-дослідний інститут екологічних проблем (Укрндіеп)

Вид материала

Документы

Содержание 4.3 Паливні елементи для використання сірководню 4.4 Інші методи використання сірководню

Подобный материал:

• Міністерство охорони навколишнього природного середовища україни український науково-дослідний, 585.64kb.
• Міністерство охорони навколишнього природного середовища україни державне управління, 2953.07kb.
• Міністерство охорони навколишнього природного середовища України Державне управління, 6929.63kb.
• Міністерство охорони навколищнього природного середовища україни державне управління, 6100.26kb.
• Міністерство екології та природних ресурсів україни державне управління охорони навколишнього, 6497kb.
• Україна міністерство охорони навколишнього природного середовища україни, 156.84kb.
• Міністерство охорони навколишнього природного середовища України, 1698.24kb.
• Форма оголошення про проведення відкритих торгів, 20.04kb.
• Форма оголошення про проведення відкритих торгів, 18.34kb.
• Охорони навколишнього природного середовища україни Державне управління охорони навколишнього, 3996.75kb.

^

4.3 Паливні елементи для використання сірководню

Сучасні технології з використанням паливних елементів (ПЕ) особливо цікаві, тому що за їх допомогою перетворення потенційної внутрішньої хімічної енергії в електричну може бути проведено при невисоких температурах і невеликому тиску, краще за усе – при нормальних умовах. Процеси в ПЕ практично не супроводжуються втратами теплової енергії, відсутні шкідливі побічні процеси, а перетворення енергії проходить з високим значенням КПД.

В патенті [31] дано опис одного з варіантів паливного елементу, з використанням сірководню в якості основного палива. Процес генерації електричного струму організовано за допомогою електролітичного окислення розчину стиснутого сірководню (p ≥ 20 Bar) в рідкому електроліті (NaCl) при 280 K. Необхідний кисень подають крізь пори. Окислення H₃O⁺ та іонів HS^- в розчині проходить на поверхні електропровідного матеріалу з численними порами. Продукт реакції - вільна сірка - фільтрується у процесі безперервної циркуляції електроліту.

В статті Li Zhong, Ming Qi, Guolin Wei, Jingli Luo and K. Chuang «An Intermediate-temperature H₂S Fuel Cell with a Li₂SO₄-based Proton-conducting Membrane» [32] описано лабораторну модель середньотемпературного ПЕ, який працює на H₂S за схемою:

(метал-сульфідний анод) / Li₂SO₄+Al₂O₃ / (NiO-композитний катод)

Цей паливний елемент працює при 600-650°C та звичайному тиску, але його електрохімічна ефективність лімітована товщиною електропровідної мембрани. Мембрана вивчалася за допомогою електронного мікроскопу (SEM) та по спектрам імпедансу (EIS). Композитний анод містив частинки сульфіду Ag, катод переважно з оксиду нікелю. Максимальна зареєстрована потужність 70mW·cm⁻² сила струму 250 mA·cm⁻² при 650°C. Проблемою зостається тривалість роботи цього паливного елементу.

В американському патенті (Electrode catalyst for H₂S fuel cells (Електродний каталізатор для паливних елементів), US Patent 7014941) [33] розглядаються матеріали для катода ПЕ, що застосовують в процесі електрохімічного окислення H₂S до води і елементарної сірки. Запропонований ПЕ має іон-провідну мембрану, каталізатор містить кілька сульфідів MS_x, де M - Co, Ni, Fe, Mo, Cu, Cr, W та Mn, і x = 1.0-2.5. Винахід дозволяє окислювати H₂S електрохімічно. Деякі відомості з моделювання ПЕ на сірководні (використання твердих протон-провідних мембран для ПЕ на сірководні, ПЕ на суміші H₂S-вуглеводні) викладені у розробках з сучасної прикладної електрохімії [34 – 36].

Проект Bio Fuel Cells фірми GTI (2003) передбачає використання енергії океанів за допомогою протонообмінних мембран (Proton Exchange Membrane - PEM) для окислення сірководню до сульфат-іонів [37]. Форма ПЕ за описом винаходу призначена для формування багато-коміркових ПЕ, з недорогоцінними каталізаторами для аноду та малодопованими Pt- каталізатором для катоду. Матеріал мембрани – запатентований полімер нафіон (Nafion) або новий більш дешевий кополімер GTI. Нова розробка також включає графітовані композитні мембрани для PEMFC.

Паливні елементи з використанням сірководню в складі палива вивчалися також в роботах K. T. Chuang, A. R. Sanger, S. V. Slavov, J. C. Donini, зокрема в роботі [38] розглядається твердотільний паливний елемент H₂S–O₂ Анодним паливом слугує суміш H₂S–вуглеводні; запропонована електрохімічна система діяла 10 діб без втрати активності. Анодний каталізатор діяв завдяки наявність металів ( наприклад, Pd/C або Pt/C), сульфідів металів (MoS₂, CoS₂, WS₂) розміщених в матриці тефлонізованого вуглецю.

В разі, коли паливна суміш мала склад H₂S – метан – етан, вуглеводи не окислювалися. В присутності анодного каталізатора MoS₂–C активація також не виникала. Але застосуванням анодів, що містять каталізатор Pd/C знайдено, що активність паливного елементу зменшувалася. Стійка робота паливного елементу з енергетичним показником 250 μW/cm² була досягнута в умовах живлення сумішшю 3% H₂S/97% CH₄ при температурі 120–145°C та тиску 235–510 kPa. За цих умов в якості продукту була отримана сірка в рідкому стані.

Існує також діючий лабораторний зразок паливного елементу з використанням сірководню в якості палива, як окисника – кисню з повітря. Електролітом в цьому вітчизняному паливному елементі слугує морська вода, каталізатором - кластери металів [39].

^

4.4 Інші методи використання сірководню

Існує альтернатива безпосередньому використанню сірководню в якості сировини для хімічної промисловості і / або у вигляді палива для теплових електростанцій, паливних елементів та ін. приладів. Це можливість біотехнологічного використання сірководню в якості субстрату для одержання біомаси за допомогою спеціальних штамів мікроорганізмів.

Патент Украйни на винахід № 78444 (Поликарпов Г.Г., Лазоренко Г.Е., Терещенко Н.Н., 2005-2025 гг., [40]) «Использование глубинной морской воды из сероводородной зоны Черного моря в качестве среды культивирования морских водорослей» відноситься до марикультури і має ціллю культивування морських водоростей в лабораторних або промислових умовах. Технічна суть цього винаходу - використання глибинної води Чорного моря як безпосередньо, із природним вмістом сірководню, так і з частково окисленими сполуками, в якості середовища для культивування морських водоростей.

Виконані авторами вказаного винаходу дослідження біогенних властивостей водного середовища з відновлювальної зони Чорного моря продемонстрували, що глибинна вода не має згубної дії на деякі чорноморські планктонні водорості навіть у присутності досить високих вихідних концентрацій сірководню. Після повного окислення цієї токсичної речовини чорноморська глибинна вода може бути використана в якості поживного середовища для культивування одноклітинних планктонних і багатоклітинних бентосних водоростей в лабораторних або промислових умовах і в марікультурних хазяйствах.

В роботі T. Такасіма, T. Нісікі, Я. Конисі [41] («Анаеробне окислення розчиненого сірководню за допомогою звичайних культур фототрофних бактерій Prosthecochloris aestuarii») наведено відомості з анаеробного окислення розчиненого у воді H₂S до елементарної сірки. Умови дослідів: культивація фототрофної зеленої сіркобактерії Prosthecochloris aestuarii в рідкому водному середовищі при 23°C, pH 6.5±0.3.

Кількість клітин, що утворилися в культурі, була пропорційна кількості окисленого сірководню, та кількості світла.

Встановлені кінетичні параметри росту культури бактерій . В умовах освітленні білим світлом люмінесцентних ламп, рівень окислення субстрату за дії P. aestuarii мав максимум 2.02 × 10−14 моль-H₂S•год⁻¹•клітин⁻¹, за умови концентрації H₂S 2.1 mM та рівня освітлення 5000 lx. Теплове випромінювання збільшувало приріст біомаси на 35% та сприяло збільшенню кількості окисленого сірководню.

Наведені роботи демонструють потенційну перспективність біотехнологічного використання сірководню з метою отримання біомаси. Цей напрямок досліджень може бути використаний у подальшому для вирішення енергетичних потреб; слід також враховувати, що мікробна біомаса є потенційним джерелом корисних органічних речовин для харчової або фармацевтичної промисловості.