Новые технологии разложения воды в США и России | Архив С.О.К. | 2017
Американские исследователи из Университета Хьюстона обнаружили катализатор, который активно ускоряет реакцию разложения воды на водород и кислород и, в отличие от аналогов, состоит из легкодоступных и недорогих материалов. Для его производства не используются драгоценные металлы, и работает он намного эффективнее, чем известные катализаторы. Такой материал позволил бы решить одну из основных проблем использования воды для производства водорода как одного из наиболее перспективных источников «чистой» энергии.
«Водород — это самый “чистый” энергоноситель, которым мы располагаем на Земле, — говорит Пол Чу (Paul Chu), профессор, заведующий кафедры физики Университета Хьюстона, директор-основатель и руководитель исследовательских работ Техасского центра исследований сверхпроводимости Университета Хьюстона (Texas Center for Superconductivity at UH, TcSUH). — Вода могла бы быть бесконечным источником водорода, если бы мы научились эффективно разрывать прочную химическую связь водорода с кислородом в воде с помощью электрического тока и соответствующего катализатора
Новый катализатор был получен исследовательской группой Пола Чу при Университете Хьюстона, в которую также входят профессор физики Жифенг Рен (Zhifeng Ren) и доцент Шуо Чен (Shuo Chen), ведущие исследователи TcSUH, научные сотрудники Хайчин Чжоу (Haiqing Zhou) и Фанг Юй (Fang Yu), а также аспиранты Джинджинг Сан (Jingying Sun) и Ран Хей (Ran He).
Катализатор, состоящий из метафосфата железа, в кристаллическом виде выращенного на электропроводящей никелевой подложке, имеющей губчатую структуру, намного более эффективен и дёшев, чем любые аналоги.
«Наш материал позволяет отлично сэкономить, и он намного более эффективен, превосходя имеющиеся катализаторы
Реакция разложения воды на водород и кислород теоретически очень проста, но на практике она представляет из себя сложный процесс, требующий двух отдельных химических взаимодействий — реакции выделения водорода и реакции выделения кислорода, каждая из которых протекает на отдельном электроде. И, хотя эффективные водородные катализаторы доступны, отсутствие недорогого и действенного кислородного катализатора создаёт учёным значительные трудности в области водородной энергетики.
Водород имеет ряд значительных преимуществ. «Водород, полученный посредством разложения воды электрохимическим процессом “водного электролиза”, считается наиболее экологически безопасным энергоносителем, способным заменить ископаемое топливо и удовлетворить растущий спрос всего человечества на электроэнергию, поскольку вода является одновременно и единственным сырьём, и “продуктом сгорания” — ведь экологичная “водородная энергия” получается путём преобразования этого химического элемента обратно в воду
В настоящее время водород получают тремя основными промышленными способами: паровой обработкой угля в специальных газогенераторах, газопаровой конверсией природного газа и электролизом воды, особенно если нужен сверхчистый водород.
При первом способе над раскалённым добела коксом (углём, нагреваемым без доступа кислорода) пропускают водяной пар, при этом из-за высокой температуры атомы водорода в воде замещаются на атомы углерода — образуется смесь угарного газа (CO) и водорода (H
Все эти методы сложны, крайне энергозатратны и связаны с выработкой вредного угарного газа, а также сажи, то есть имеют существенный «углеродный след», несмотря на то, что исходное сырьё в данных процессах сгорает относительно «чисто».
Исследовательница Шуо Чен отмечает, что известные на сегодняшний день катализаторы, ускоряющие реакцию выделения кислорода при электролизе воды, используют благородные металлы — иридий, платину или рутений. Но эти материалы дороги и недоступны.
«В своём исследовании мы обнаружили дешёвый, высокоэффективный и стабильный катализатор, основанный на широко распространённых химических элементах, который поразительным образом превосходит все благородные металлы
Отметим, что разложение воды на составные элементы может осуществляться и с помощью фотокатализа, который использует силу солнца. Однако прямое воздействие солнца на воду слишком неэффективно, так как вода поглощает лишь небольшую часть спектра солнечного излучения. Шуо Чен поясняет, что в идеале солнечные батареи будут использоваться для выработки электроэнергии, которая вместе с соответствующим катализатором позволит легко и эффективно разлагать воду для получения такого нужного человечеству химического элемента, как водород.
Отечественная технология получения водорода
Рассказывает И. В. Мещерин, к.т.н., доцент кафедры газохимии РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, председатель Комитета по технологическому проектированию в НОПРИЗ, президент Национальной палаты инженеров:
— Известно, что производство водорода в основном осуществляется крупнотоннажными системами с единичной объёмной производительностью в диапазоне 10–100 тыс. Нм³/ч [1]. От 1 до 5 % получаемого водорода находит применение в малотоннажных, наукоёмких отраслях промышленности: электронной, электротехнической, стекольной, фармацевтической, пищевой; выплавке металлов и сплавов высокой чистоты; синтезе химически высокоактивных веществ и других отраслях. Водород является ценным химическим реагентом, и его получение и концентрирование из топливных, остаточных, сбросных газов позволяет значительно повысить экономическую эффективность производства. Водород почти не встречается в природе в чистом виде, но потребление данного газа во всём мире неуклонно растёт. Для производства водорода необходимо специальное оборудование, отличительной чертой которого является компактность и надёжность.
Децентрализованное (то есть малотоннажное) производство водорода требует создания высокоэффективных технологий с уровнем единичной объёмной производительности в диапазоне от 10 до 1000 Нм³/ч [2].
Данный аспект в сегодняшней ситуации может иметь существенное влияние на экономическую эффективность производств, в которых используется водород. В условиях экономического кризиса поиск технологий получения водорода с меньшими затратами является актуальной задачей. В настоящий момент внутрироссийские регулируемые цены на природный газ продолжают оставаться одними из самых низких в мире, даже с учётом более чем двукратного падения цен на природный газ на европейском рынке. Одним из альтернативных решений могут быть технологии получения водорода из природного газа.
Изучение конкретной проблематики производилось сотрудниками кафедры газохимии РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина в условиях завода по производству кварцевого стекла — ООО «Технокварц» в городе Гусь-Хрустальный.
Компания ООО «Технокварц» производит водород для производственных нужд с помощью блока электролизёров БЭУ-250, состоящий из шести электролизёров СЭУ-40. Этой производительности достаточно для обеспечения существующего объёма потребления водорода в технологии наплава кварцевого стекла. Целью работы являлся поиск экономически более эффективного метода получения водорода на базе ресурсов завода.
Промышленное производство кварцевого стекла связано с развитием экстремальных процессов со специфическими условиями, главным образом в космической и электронной технике, производстве чистых, особо чистых веществ, редких металлов, высокотемпературных неорганических соединений и т.п.
В результате анализа существующих методов получения водорода был выбран, как наиболее целесообразный, метод паровой конверсии природного газа. При помощи д.т.н., профессора М. Х. Сосны был произведён технологический расчёт блока конверсии для установки получения водорода. Входными данными послужили составы входящих потоков, их объёмы, температуры, давления, доля водяного пара, а также длина реактора, его диаметр и толщина стенки (расчёт реактора в 2016 году выполняла Мария Давыдова, технолог газохимии и магистрантка РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина). В результате обработки полученных данных получен материальный баланс процесса (табл. 1), конверсия метана составила 92,6 %. Был также проработан вопрос изготовления реактора из кварцевого стекла.
Ниже приводится эскиз гипотетического мини-, микрореактора проточного типа из кварцевого стекла в горизонтальном исполнении для проведения химических процессов. Основой реактора служит модуль, представленный на рис. 1. Зоны 1 и 2 служат для подачи исходных компонентов, реакционная зона 3 предназначена для размещения катализаторов, нагрева рабочей смеси до температуры реакции, воздействия ВЧ-, ВУФи СВЧизлучения или иного технологического воздействия. Конфигурация зоны 3 может формироваться по требованиям ведения химических реакций. Зона 4 организована как циклон для разделения и закалки продуктов реакции, в том числе и как газовая центрифуга. Единичные модули в расчётном количестве собираются в батарею, как показано на рис. 2. По усмотрению разработчиков промышленные модули могут быть спроектированы и в вертикальном исполнении цилиндрической или иной формы.
Экономическая эффективность достигается за счёт того, что используется относительно недорогой природный газ, по сравнению с дорогой электроэнергией, себестоимость оборудования из кварцевого стекла на 25–40 % меньше, чем из металла.
Возможность развития конкретной технологии и отладки её внутри предприятия открывает новый метод получения водорода для малотоннажных производств. Кроме того, появление нового перспективного ассортимента товарной продукции существенно усовершенствует технологии обработки кварцевого стекла, дополнительно будет способствовать улучшению экономических показателей кварцевого производства.
Поскольку паровая конверсия природного газа в комплексе с аппаратурным оформлением процесса является составной частью синтеза материалов по реакциям Фишера-Тропша, перед ООО «ТехноКварц» возникает перспектива нового направления — изготовление высокоэффективных минии микроканальных кварцевых реакторов для других сегментов отрасли газохимии.
Вода, разложение термическое — Справочник химика 21
Объяснение. Когда спираль не накалена, разложение паров воды не наблюдается. По мере усиления нагревания спирали реакция сдвигается в сторону разложения молекул воды. Разложение молекул воды происходит в непосредственной близости от раскаленной поверхности платиновой спирали. За счет процессов диффузии, а также за счет движения вверх молекул пара, продукты термической диссоциации выносятся из зоны реакции в газоизмерительную трубку. Здесь в пневматической ванне пары воды конденсируются, а газообразные кислород и водород поступают в измерительную бюретку. Опыт наглядно показывает зависимость скорости термической диссоциации воды от температуры. Чем выше температура поверхности платины, играющей в данном процессе роль катализатора, тем больше образуется в единицу времени гремучего газа. Следователь- [c.104]Физический смысл гН можно уяснить из следующего. Вода подвергается термическому разложению на водород и кислород [c.71]
Гидрирование в эмульсиях, например восстаиовление ароматических динитросоединений в водной эмульсии. При этом улучшаются условия отвода реакционного тепла, облегчается выделение растворимого в воде диамина, предотвращается разложение термически нестабильных динитросоединений. [c.516]
Удаление внешней влаги, называемое сушкой, протекает даже и при комнатной температуре. С повышением температуры этот процесс становится еще интенсивнее и практически заканчивается при 105—110°С. В температурном интервале 100—200 «С из угля выделяются окклюдированные газы и начинаются процессы собственно термической деструкции в наиболее термически нестойких твердых топливах — торфах и некоторых молодых бурых углях. Основным продуктом этого процесса является вода, которая называется пирогенетической водой или водой разложения. Довольно трудно установить, когда заканчивается выделение гигроскопической влаги и начинается образование пирогенетической воды. В большинстве случаев это невозможно и поэтому нельзя с уверенностью определить начало термической деструкции. [c.243]
Для выражения степени окисленности можно использовать а) степень окисленности, вычисляемую на основе элементарного состава б) теплоту сгорания в) выход газа и воды при термическом разложении. [c.15]
Желто-коричневый, плавится без разложения, термически устойчивый. Плохо растворяется в холодной воде. Кристаллогидратов не образует. Не реагирует с разбавленными кислотами. Разлагается кипящей водой, царской водкой , щелочами, гидратом аммиака. Проявляет слабые окислительно-восстановительные свойства. Получение см. 88 , 887 . [c.447]
Белый, плавится без разложения. Термически устойчивый. Безводный порошкообразный К28 пирофорен в сухом воздухе. Хорошо растворяется в воде (сильный гидролиз по аниону). Реакционноспособный во влажном состоянии окисляется кислородом воздуха, присоединяет серу. Разлагается кислотами. Типичный восстановитель. Получение см. 43 , 63 [c.37]
Разложение воды. Процесс термического разложения воды можно описать следующими реакциями [c.330]
Белый, плавится без разложения, термически устойчивый. Хорошо растворяется в воде (гидролиз по аниону), создает сильнощелочную среду, переводит в раствор цинк и алюминий. Частично разлагается концентрированной серной кислотой. Вступает в реакции обмена. Получение см. 28, 29 330, 332. [c.174]
В обычном состоянии этот неметалл с формулой Э2 — бесцветный газ, не имеющий запаха и вкуса, негорючий и малорастворимый в воде, не поддерживающий горение и вообще химически весьма инертный. Только с литием он уже при комнатной температуре образует соединение ЫдЭ, а при нагревании реагирует с магнием, окисляя его до Получить Эд в лаборатории можно из его соединения ЭНд (действуя бромной водой) или термическим разложением соли состава (ЭН )(Э02). Что такое [c.232]
Красно-фиолетовый, плавится и кипит без разложения, термически устойчивый. Не растворяется в холодной воде, не реагирует с разбавленными кислотами. Разлагается кипящей водой. Восстанавливается кальцием, окисляется кислородом. Получение см. 688. [c.345]
Белый, плавится без разложения, термически устойчивый. Хорошо растворяется в холодной воде (гидролиз по аниону). Реагирует с горячей водой, кислотами. Вступает в реакции обмена. Образует изополисоединения. Получение см. 332, 342″, 344 [c.179]
Не всегда при добавлении воды разложение сопровождается образованием тетрагалогенида кремния разложение водой может наступить раньше, чем начнется термическое разложение вещества, при этом некоторые вещества переходят в полимерные соединения кремния, которые при термическом разложении образуют Si . Карбид кремния образуется также при сожжении соединений, содержащих у одного атома кремния три атома галогена или атомы галогена и водорода. Такие соединения сжигаются при добавлении к навеске небольшого количества хромированного асбеста, асбеста и воды. [c.53]
Устойчивость к воздействию высоких температур — одно из характерных свойств амфиболовых асбестов. В настоящее время вопрос о поведении амфиболов при нагревании изучен достаточно широко. Термоаналитические исследования как природных, так и искусственных амфиболов химического состава, проведенные в различных газовых средах и в вакууме, в статических и динамических условиях [28], позволили выявить влияние этих параметров на процесс выделения воды, последовательность термических превращений, их механизм и изучить продукты разложения, С привлечением современных методов исследования рассмотрены многие другие вопросы, касающиеся окисления железа, явлений упорядочения и структурных превращений при нагревании. [c.137]
Запах сточных вод населенных мест, представляющий собой смесь запаха фекалий с запахами разложения жиров, белков, мыла и т. д., является довольно характерным. Он зависит от разложения хозяйственно-бытовых стоков и от того, какие в воде преобладают процессы — окислительные или восстановительные. Подобный запах могут иметь также некоторые сточные воды предприятий пищевой промышленности. Сточные воды от термической переработки угля имеют запах фенолов, смолы, сероводорода сточные воды химической промышленности имеют характерные запахи, зависящие от вида производства, например запах органических соединений сероуглерода, сложных и простых эфиров, спиртов, органических кислот, азотсодержащих соединений, меркаптанов, ацетилена и т. д. [c.38]
Нельзя считать, что пероксид водорода в данном процессе является лишь поставщиком кислорода в воде. Разложение пероксида водорода с образованием кислорода в воде протекает лишь при температуре выше 70 °С. Есть основание полагать,, что пероксид водорода образует с соединениями железа комплекс, термически разлагающийся с формированием на поверхности стали защитных пленок магнетита. В результате содержание соединений железа в воде, характеризующее интенсивность коррозии стали, после введения пероксида водорода уменьшается в 4,5—7 раз по сравнению с необработанной водой и достигает 20—30 мкг/л. [c.124]
Угли более высокой степени обуглероживания, имея меньшее содержание кислорода, чем менее обуглероженные, образуют меньше воды при термическом разложении и, отсюда, меньше пара, защищающего аммиак от разложения до элементарного [c.128]
Способы получения. Наибольшее промышленное значение из алкинов имеет ацетилен, получаемый в технике разложением карбида кальция водой или термической деструкцией углеводородов. [c.49]
Котуинит. Белый, плавится и кипит без разложения, термически устойчивый. Плохо растворяется в воде, еще меньше — в разбавленных хлороводородной и азотной кислотах. Кристаллогидратов ие образуег. Разлагается водяным паром, концентрированными кислотами, щелочами, гидратом аммиака. Окис ляется хлором, восстанавливается водородом. Вступает в реакции обмена и комплексообразования. Получение см. 258, 259. 262. 263. [c.134]
Начало и продолжительность реакций дегидратации зависят от парциального давления паров воды. Разложение карбонатов определяется парциальным давлением СОг и Ог в печи, обусловливающим окислительные реакции. В термоанализе веществ, склонных в процессе нагревания окисляться, необходимо соблюдать однородную степень окисления. При исследовании карбонатных пород пространство печи обычно заполняется инертным газом, препятствующим реакции окисления, которая способствует возникновению достаточно длительного и сильного экзотермического эффекта, накладывающегося на другие термические реакции в образце. Требуемая среда в пространстве печи создается за счет нагнетания в нее соответствующего газа. [c.21]
При дальнейшем движении парогазовой смеси ввер1Х соприкасающееся с ней топливо подвергается термическому разложению, в условиях отсутствия кислорода, т. е. топлива подвер-гаетоя сухой, перегонке с образованием газа, паров омолы н воды разложения. [c.302]
Указанные величины получены при относительной влажности щепы перед шахтой 8—11%. Расчетные кривые (см. рис. 22) свидетельствуют о возможности дальнейшего повышения калорийности газа путем углубления сушки и предварительного термического разложения в сушилке. График показывает, что при полном удалении влаги теплотворная способность газа может возрасти примерно до 3000 ккал1нм . При предварительном термическом разложении и удалении части воды разложения и СО2 калорийность газа может быть даже несколько повышена. [c.79]
Белый, плавится без разложения. Термически устойчивый. Безводный порошкообразный RbjS пирофорен в сухом воздухе. Хорошо растворяется в воде [c.44]
Снижение температуры разложения дитиофосфатов металлов отмечается в присутствии органических кислот, хлорированного парафина, пятисернистого фосфора, нефтяного сульфоната кальция [32]. Слеиновая кислота, так же как и вода, ускоряет термическое разложение дитиофосфатов, в то время как сверхщелочной сульфонат магния способствует реакциям окисления [зз]. [c.47]
М-р Хаукес приводит результаты, полученные в тех случаях, когда предполагалось наличие кислорода. Как указывается в его статье, если присутствует кислород или вода, наступает термическое разложение. В дальнейшем мы обнаружили, что при нагревании эластомера Е301 до 350° в течение 200 час конечная потеря неподвижной фазы составляет около 20%, дополнительно к потере в 50% при нагревании до 300°. Однако колонка после этого остается пригодной для последующей работы. [c.282]
Это уравнение получают из уравнений (2) и (7) следующим образом. Предположим, что при р1асчетах исходят из чистой вбды. Пусть ее количество до диссоциации будет 2а моля. После нагревания до той температуры, при которой измеряется диссоциация, количество недиссоциированной водй, если подверглось диссоциации 2а а молей, будет, очевидно, 2а(1—а). Так как из каждых двух разложенных термически олекул Н2О получаются 2 молекулы Н2 и 1 молекула О2, то количество присутствующего в равновесном состоянии водорода будет 2а-а, а количество кислорода — а-а. Таким образом, общее количество молекул или молей будет теперь [c.75]
Опыт 44. Разложение водяного пара
Опыт 44. Разложение водяного пара [c.103]Натрий и калий действуют на воду цри обыкновенной температуре, а некоторые из более тяжелых металлов — только при повышении температуры и уже не столь быстро и резко. Так, магний и кальций выделяют из воды водород только при кипении воды, а цинк и железо — только при накаливании до краснокалильного жара, целый же ряд тяжелых металлов, как медь, свинец, ртуть, серебро, золото и платина, вовсе не разлагают воды ни при какой температуре, не заступают в ней место водорода. Из этого ясно, что водород можно получить разложением водяного пара посредством металлического железа (или цинка), при возвышенной температуре. Опыт производится таким образом в фарфоровую трубку кладут куски железа (напр., стружки, гвозди), подвергают все действию сильного жара и пропускают водяной пар, который, приходя в прикосновение с железом, отдает ему кислород, чрез что водород его делается свободным и выходит из другого конца трубки вместе с неразложившимся водяным паром. Способ этот, исторически имеющий большое значение, практически мало удобен, требуя возвышенной температуры. Притом реакция эта, как обратимая (накаленная масса железа разлагает струю паров воды, образуя окалину и водород, а масса железной окалины, накаленная в струе водорода, образует железо и водяные пары), может служить для получения водорода только потому, что образующийся водород удаляется по своей упругости [98]. Если же кислородные соединения, т.-е. окислы, получающиеся из железа или цинка, будут иметь возможность переходить в раствор, то прибавляется сродство, действующее при растворении, и реакция может становиться необратимою, идущею сравнительно гораздо легче [99]. Так как окислы железа и цинка, сами по себе нерастворимые в воде, способны соединяться (имеют сродство) с кислотными окислами (как далее подробнее рассмотрим) и дают с кислотами или гидратами, обладающими кислотными свойствами, вещества солеобразные и растворимые, то, при действии таких кислотных гидратов или их водных растворов, т.-е. кислот, железо и циик способны выделять водород с большою легкостью, при обыкно- [c.93]
Вода разлагается также действием жара на свои составные части. При температуре плавления серебра (950°), в его присутствии, вода разлагается, и при этом кислород поглощается расплавленным серебром, растворяясь в нем, пока оно жидко. Но лишь только серебро застывает, кислород выделяется. Однако, такой опыт не совершенно доказателен можно думать, что разложение воды при этом произошло не от действия жара, а от влияния серебра на воду, — что серебро разлагает воду, отнимая от нее кислород. Если пропустить водяной пар чрез накаленную трубку, внутри которой температура достигает 1000°, то при этом часть воды разложится на свои составные части, получится гремучий газ, но, проходя в более холодные части прибора, этот гремучий газ вновь дает воду полученные водород и кислород соединяются между собою при более низкой температуре [93]. Повидимому, задача — показать разлагаемость воды высокою температурою — невыполнима. Такою считалась она, пока в 50-х годах Генрих Сенг-Клер Девилль не ввел в науку понятия о диссоциации, как о перемене химического состояния, подобно[го] испарению, если разложение уподобить кипению, и пока он не сделал в описываемом далее опыте очевидною разлагаемость воды от действия жара. Для того, чтобы ясно показать диссодиацню воды или ее разлагаемость жаром, близким к тому, при котором она образуется, необходимо было отделить водород от кислорода [c.90]
Грове захетил в 1847 г., что платиновая проволока, сплавленная в пламени гремучего газа, т.-е. принявшая температуру, происходящую при образовании воды, дает на своем конце сплавленную каплю, которая, падая в воду, развивает гремучий газ, т.-е. разлагает воду. Выходит так при температуре образования воды—вода уже разлагается. Это составляло в то время научный парадокс, который разрешим только при развитии понятий о диссоциации, введенных в науку Генрихом Сент-Клер Девиллем в 1857 г. Понятия эти составляют важную эпоху научной химии и их развитие одну из задач современной химии. Сущность дела в том, что при высоких температурах вода существует, но и разлагается, подобно тому, как летучая жидкость при некоторой температуре существует как жидкость и как пар. Как он насыщает пространство, достигая наибольшей упругости, так продукты диссоциации имеют свою наибольшую упругость, и раз она достигнута, разложение кончается, как прекращается испарение. Если удалить пар (его парциальное давление убавить) — испарение опять начнется, точно так, если удалить продукты диссоциации — прекратившееся разложение опять станет продолжаться. Эти простые понятия о диссоциации дают беспредельно разнообразные следствия, касающиеся механизма химических реакций, а потому нам придется возвращаться к ним неоднократно. Прибавим еще, что о разложении воды при накаливании. Грове судил также по тому, что пропуская водяной пар чрез трубку с проволокой, сильно накаленной гальваническим тЪком, получал гремучий газ, а пропуская чрез сплавлгнную окись свинца, получал, с одной стороны, сурик (= окиси свинца кислород), а с другой, в то же время металлический свинец, образовавшийся от действия водорода., [c.412]
Поглощение водяного пара с образованием водяной оболочки происходит очень медленно. Но если поверхность стекла, освобожденную от газов нагреванием в высоком вакууме, вновь на определенное время оставить на воздухе, то опять при электролизе произойдет выделение газа . При электролизе сопротивление стекла, не содержащего газов, примерно в 2,5 раза больше, чем стекла, не освобожденного от них. Во время электролиза разложение воды начинается во внешних адсорбционных слоях постепенно этот процесс замедляется, так как вода диффундирует из более глубоких слоев до тех пор, пока не будет достигнуто стационарное состояние (фиг. 891). Если стекло перед электроли- [c.882]
Ход анализа в присутствии олова. Если олово присутствует в заметных количествах, оно в обоих методах разложения переходит в нерастворимую метаоловянную кислоту, которая может окклюдировать свинец, в результате чего будут иметь место потери свинца. Большую часть выпавшей метаоловянной кислоты можно перевести в раствор и удалить в виде летучего бромида олова (IV) следующим образом . К золе, а при разрушении кислотами — к остатку, полученному после выпаривания (см. выше), добавляют 15 мл или более концентрированной бромистоводородной кислоты и нагревают на кипящей водяной бане. Если при озолении применялись нитраты, то выделяется бром и тогда раствор кипятят до полного удаления брома. При этом нитраты должны быть полностью восстановлены. После растворения золы или солей проверяют, нет ли в растворе осадка метаоловянной кислоты. При наличии остатка добавляют 50—100 мг мелко гранулированного чистого олова (содержащего, например, 0,0035% свинца) и осторожно кипятят до его растворения. После этой обработки раствор должен стать совершенно прозрачным. Затем добавляют 10 мл и более 60%-ной хлорной кислоты и несколько миллилитров смеси бромистоводородной кислоты и брома (смесь составляют из 100 мл перегнанной 40%-ной НВг и 15 мл жидкого Вгз). Упаривают до появления паров хлорной кислоты, добавляют время от времени небольшими порциями смесь бромистоводородной кислоты и брома (общим объемом 15 мл). После полного удаления олова и брома в виде летучего соединения раствор охлаждают и растворяют содержимое стакана в возможно меньшем объеме горячей воды. Далее определение продолжают так, как описано выше. Количество свинца, введенное с металлическим оловом, смесью бромистоводородной кислоты и брома, с хлорной кислотой, нужно определить, для чего проводят холостой опыт. [c.520]
По-видимому, Клапрот мало интересовался теоретическими проблемами химии. Во всяком случае, примыкая до 1792 г, к лагерю сторонников теории флогистона, он не был ни явным приверженцем, ни догматиком этой теории. В 1786 г. он повторил опыт Лавуазье с разложением водяных паров нри пропускании их через раскаленный ружейный ствол. Полученный таким путем водород он трактовал в духе времени как воспламеняющийся воздух , или флогистон с примесью водяных паров. Вскоре новые открытия Лавуазье и его сторонников заставили Клапрота пересмотреть свои представления. К.ланрот довольно. легко расстался с флогистическими взглядами и перешел в лагерь сторонников кис.лородной, антифлогистической химии в один день . [c.401]
Опыт производится следующим образом поместив трубку А с пробой пороха или нитроклетчатки в баню, нагретую до 120° (135°), держат открытыми краны С к Е в течение 30 мин, чтобы давление воздуха в приборе сравнялось с атмосферным. Затем краны закрывают и отмечают время начала опыта. Выделяющиеся газообразные продукты распада испытуемого вещества изменяют положение уровня парафина в В. Поднимая ртуть в манометре, производят время от времени (через 5— 15 мин) уравнивание положения уровней парафина и отсчитывают давление в приборе. Нанося полученные результаты на оси координат, получают кривую (давление в функции времени), характеризующую поведение бездымного пороха или нитроклетчатки при нагревании. Goujon несколько видоизменил прибор Т а 11 а n i и увеличил его размеры (рис. 38). Для лучшей герметизации он стягивает пришлифованные части прибора проволочной пружиной. Открывание крана С производится снаружи поворотом рукоятки F. В ванне находятся одновременно два прибора. Нагревание производится кипящим глицерином, причем температура определяется термометрами Т, Т в двух пунктах. Ртуть в манометре поднимается автоматически и т. п. Goujon между прочим отмечает, что в условиях Т а 1 i а n i вода, находящаяся в нитроклетчатке (влажность), не успевает удалиться в течение 30 мин, когда остаются открытыми краны прибора присутствие же водяных паров сказывается заметным образом на ходе разложения нитроклетчатки при нагревании. Чтобы вполне высушить нитроклетчатку, трубку А с навеской достаточно держать 2 часа при 100° и затем быстро присоединить к остальной части прибора. [c.710]
При эксплуатации печей в процессе термического реактивирования к росту потерь угля ведут превышение оптимальной температуры, продолжительное пребывание активного угля в реакторе, большой избыток кислорода или водяного пара, присутствие неорганических катализаторов разложения, неполная выгрузка угля на выходе из реактора. Эти параметры следует постоянно контролировать, и, тем не менее, опыт показывает, что при термическом реактивировании даже строжайшее соблюдение режима процесса не исключает потерь угля в печи, которые составляют около половины общих потерь. Абсолютное значение потерь активного угля на цикл существенно зависит от типа и объема очиигаемой среды и может составлять от одного или нескольких процентов до 15—20%. [c.184]
Опыт был повторен. Из хлороформенного раствора после удаления хлороформа и перегонки остатка с водяным паром получены кристаллы с т. пл. 69—70° (0.4 г) смешанная проба с заведомым бифенилом депрессии температуры плавления не дала. Для доказательства того, что выделенный бифенил не является продуктом разложения дифенилхлорстибина, а представляет продукт первичного происхождения, препарат заведомого дифенилхлорстибина подвергался перегонке с водяным паром, при этом, бифенил не обнаружен. [c.1312]
Море синее зажгли, или Еще о научных сенсациях Сообщение о том, что американский инженер «зажег» воду, одни назвали открытием века, другие
Занимаясь поиском лекарства от рака, Джон Канзиус решил попробовать опреснять воду. Опресняя воду, он обнаружил, что под действием радиоволн из соленой воды выделяется водород, который можно сжигать, получая температуру более 1600 градусов Цельсия. После того как Канзиус продемонстрировал миру свой аппарат, мнения разделились: одни считают, что ловкий мистификатор пытается продать вечный двигатель, другие — что наконец-то найдено альтернативное топливо.
История
В 2002 году житель острова Санибель (Sanibel), штат Флорида, Джон Канзиус (John Kanzius), бывший инженер телекоммуникационных сетей из города Эри (Erie), штат Пенсильвания, узнал, что он болен лейкемией. Пройдя несколько курсов химиотерапии, пенсионер решил найти иной способ лечения рака, чтобы в будущем избавить и других, и себя от подобных страданий.В 2003 году Канзиусу пришла в голову мысль бороться с болезнью при помощи радиоволн. По замыслу изобретателя, в опухоль вводятся наночастицы металла (например, золота), затем пациента облучают радиоволнами, которые нагревают металл. От высокой температуры раковые клетки погибают. Канзиус подал заявку, и даже не одну, на патент. В связи с чудо-аппаратом имя Канзиуса появилось в прессе уже зимой 2007 года.
Когда изобретатель демонстрировал свой аппарат медикам в одном из исследовательских центров США, кто-то заметил на дне пробирки осадок и предложил Канзиусу попробовать использовать радиоволны для опреснения воды.
Канзиус последовал совету, и от случайной искры вода, находящаяся под воздействием радиоволн, вспыхнула. Очень скоро инженер научился достигать температуры, достаточной, чтобы расплавить пробирку. Весной 2007 года Канзиус снова появился в СМИ, уже как открыватель альтернативного горючего (обратим внимание, что знаменитого человека все считают своим: пенсильванские СМИ подчеркивают, что он «из Эри», а флоридские гордятся тем, что он «с острова Санибель»).
За лето Канзиус продемонстрировал свой аппарат СМИ, энергетическим компаниям, ученым и прочим любопытствующим. Наконец, осенью последовало авторитетное подтверждение: профессор Растум Рой (Rustum Roy), специалист по науке о материалах, сотрудник ряда университетов, воспроизвел эксперимент в университете штата Пенсильвания и заявил, что все правда: вода горит.
Аппарат Канзиуса в действии Кадр WBPF TV.
Lenta.ru
Горит, конечно, не вода, это лишь броский заголовок для привлечения внимания (в российских СМИ, благодаря Корнею Ивановичу Чуковскому, еще более популярный, чем в западных: мол, теперь каждая лисичка может взять спички, микроволновку — и туши потом моря и океаны). Горит водород, который выделяется из воды под действием радиоволн: в этом и состоит «соль» открытия (кстати, соль совершенно необходима: в пресной воде «эффект Канзиуса» не наблюдается).
По словам Канзиуса и Роя, поджигая выделяющийся водород (а он выделяется все время, пока вода находится в радиополе), можно достичь температуры выше 1600 градусов Цельсия. Температура пламени и его окраска зависит от концентрации соли и других веществ, растворенных в воде.
10 сентября Рой, назвавший изобретение «самым значительным открытием в науке о воде за последние сто лет», должен был встретиться с представителями министерств обороны и энергетики США, чтобы обсудить перспективы аппарата Канзиуса.
О Канзиусе и его изобретении можно почитать в Википедии и других подобных проектах, есть фотографии и видеозаписи.
Недоверие
Канзиус поражает воображение журналиста Кадр телеканала 3.
Lenta.ru
Насколько активно расхвалили Канзиуса СМИ, настолько же яростно его и его сторонников раскритиковали завсегдатаи блогов и форумов по всему миру. Одни считают, что изобретатель — жулик, другие — что явление-то наблюдается, но объяснение совершенно неверное, третьи — что все правда, но никаких перспектив у этого изобретения нет.
Полная мистификация все же представляется маловероятной. Демонстрацию эксперимента наблюдали ученые, коммерсанты, журналисты. Трудно допустить, чтобы все эти люди оказались настолько некомпетентны и недобросовестны. Кроме того, Канзиус, судя по всему, не пытается извлечь из аппарата особую выгоду, хотя и отмечает, что не против продать его какой-нибудь крупной компании, чтобы потратить вырученные деньги на продолжение поисков средства от рака (медицинская ценность этих поисков — отдельный вопрос, который мы здесь не затрагиваем). Тем не менее, во всей истории действительно есть места, которые вызывают сомнение.
Ошибочная интерпретация более правдоподобна. Согласно популярной в Сети версии, под воздействием радиоволн между ионами Na+ и Cl— возникает дуговой разряд, который по виду напоминает пламя, хотя на самом деле является иным видом плазмы.
С другой стороны, логично считать, что Рой все же смог отличить горение водорода от дугового разряда и Канзиус говорит правду. Эта версия тоже натыкается на определенные противоречия.
Ковалентная связь между кислородом и водородом в молекуле воды очень прочна, и для того, чтобы ее разорвать, нужна немалая энергия. Классическим примером расщепления молекулы воды является электролиз, достаточно энергозатратный процесс. Канзиус, однако, подчеркивает, что в данном случае имеет место не электролиз, а совершенно иное явление. Какой именно частоты радиоволны используются в аппарате, не сообщается, однако сомнительно, чтобы их энергии было достаточно для разрушения связи. Часть молекул воды в растворе находится, конечно, в диссоциированном виде (несколько упрощая, в виде ионов H+ и OH—), но и это не помогает понять, откуда берется газообразный молекулярный водород.
Высокая температура горения достаточно правдоподобна: в чистом кислороде водород может сгорать и при 2800 градусах Цельсия. Смешиваясь с кислородом в определенной пропорции, водород дает гремучий газ, который не горит, а взрывается, однако можно предположить, что при тех концентрациях газов, которые возникают в аппарате Канзиуса, гремучего газа не образуется.
Но допустим, что все же аппарат работает: либо изобретатель не сообщает существенных деталей, либо он действительно создал что-то принципиально новое, либо где-то в скептических рассуждениях ошибка. Что же получается тогда?
Вечный двигатель
Канзиус не утверждает, что его аппарат энергетически выгоден, более того, говорит, что он пока потребляет больше энергии, чем производит. Однако Канзиус хочет проверить, может ли аппарат произвести достаточно энергии, чтобы привести в действие, например, автомобиль, а Рой говорит, что будущее аппарата зависит от его эффективности, то есть от соотношения энергии, получаемой при сгорании водорода, и энергии, затрачиваемой генератором радиоволн.Может ли такой аппарат в принципе оказаться энергетически выгоден? Для того чтобы его запустить, необходимо разорвать связь водород-кислород, затратить энергию. Впоследствии водород сгорает, то есть вступает в реакцию с кислородом и опять же дает воду. В итоге образуется та же самая связь, при ее образовании энергия, конечно, выделяется, но она никак не может быть больше энергии, затраченной на разрыв связи.
А если бы все же могла, то получился бы вечный двигатель. Мы затратили энергию, разложили воду, сожгли водород, окупили затраты с лихвой, получили опять ту же воду, вернулись в начальное состояние. Можем повторять процесс до бесконечности.
Можно предположить, что на самом деле вода не является в аппарате Канзиуса возобновляемым топливом, то есть тратится необратимо (как дрова в костре, уголь в ТЭС, ядерное топливо в АЭС), а на выходе получается не вода, а что-то другое. Тогда закон сохранения энергии не нарушается, но легче не становится. Приходится допускать различные изыски: что при сгорании образуется не вода, а перекись водорода, что кислород не выделяется в виде газа (а на горение идет только кислород из воздуха), а вступает в реакцию с солью, образуя, например, хлораты ClO3—, и т.п. Все эти предположения фантастичны, а главное, все равно не объясняют, откуда берется лишняя энергия.
Еще одним возможным источником энергии является сама растворенная соль. Растворение хлорида натрия — эндотермический процесс, проходящий с поглощением энергии, соответственно, при обратном процессе энергия будет высвобождаться. Однако количество этой энергии ничтожно: около четырех килоджоулей на моль (примерно 50 килоджоулей на килограмм соли, что почти в тысячу раз меньше удельной теплоты сгорания бензина).
По нашим данным, никто из сторонников проекта прямо и не утверждал, что энергия на выходе может превзойти энергию на входе, речь шла (см. выше) лишь об их соотношении. Однако тогда непонятно, какую выгоду может принести такой аппарат топливной индустрии.
Может быть, у него найдутся другие применения: добыча водорода (водород используется не только как экологическое топливо) или опреснение воды. Если окажется, что аппарат позволяет удешевить эти процессы, он будет вполне востребован.
Лента.ру и альтернативное топливо
Возвращаясь к статье «Классика научных сенсаций», заметим, что в данном случае нам встретилась сенсация первого типа (долгожданный ответ на известный вопрос), инженерно-технический подтип: попытка изобрести нечто очень нужное и трудно достижимое наконец увенчалась успехом.Заметку о Канзиусе Лента.ру не снабдила никакими комментариями, что вызвало живейший читательский отклик. Так, читатель А. любезно указал нам на то, что мы сообщаем об изобретении вечного двигателя, и убедительно аргументировал свою точку зрения, анонимный читатель посетовал, что такая заметка на Ленте — это «позор», а читатель Е. спросил, как нам не стыдно публиковать такие статьи без критических пояснений. Нам стыдно. Мы исправились.
Александр Бердичевский
Процесс получения водорода термическим разложением воды
1. Процесс получения водорода из воды, включающий:
(а) нагревание воды до температуры ее диссоциации для получения реакционной смеси диссоциированной воды, содержащей газообразный кислород и газообразный водород;
(б) формирование в реакционной смеси вихря, который подвергает эту реакционную смесь действию центробежных сил, направленных вдоль продольной оси внутреннего пространства вихревого трубчатого реактора так, что во внутреннем пространстве указанного реактора осуществляется радиальная стратификация газообразного водорода и газообразного кислорода; и
(в) предпочтительное извлечение из этой реакционной смеси газообразного водорода на удаленных участках вдоль продольной оси внутреннего пространства вихревого трубчатого реактора.
2. Процесс получения водорода из воды, включающий:
(а) нагревание воды до температуры ее диссоциации для получения реакционной смеси диссоциированной воды, содержащей газообразный кислород и газообразный водород;
(б) формирование в реакционной смеси вихря, который подвергает эту реакционную смесь действию центробежных сил, направленных вдоль продольной оси внутреннего пространства вихревого трубчатого реактора так, что во внутреннем пространстве указанного реактора осуществляется радиальная стратификация газообразного водорода и газообразного кислорода; и
(в) предпочтительное извлечение из этой реакционной смеси газообразного кислорода с периферийных зон этого вихревого потока вдоль участков, удаленных от периферии вихревого трубчатого реактора.
3. Процесс по п.2, включающий, кроме того, предпочтительное извлечение газообразного водорода с периферийных зон этого вихревого потока вдоль участков, удаленных от периферии вихревого трубчатого реактора.
4. Процесс по пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что воду до температуры диссоциации нагревают с помощью солнечного излучения, сфокусированного на вихревом трубчатом реакторе.
5. Процесс по пп.1, 2, 3 или 4, отличающийся тем, что температура диссоциации воды составляет от приблизительно 1800 до приблизительно 3000шС.
6. Процесс по пп.1, 2, 3, 4 или 5, отличающийся тем, что указанную реакционную смесь приводят в контакт с катализатором, катализирующим диссоциацию воды на водород и кислород.
7. Процесс по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что предпочтительно, чтобы стадия экстракции включала применение вакуума для экстракции конкретного газа.
8. Вихревой трубчатый реактор, имеющий:
(а) вытянутую стенку с двумя торцевыми поверхностями, при этом указанные стенка и торцевые поверхности вместе определяют внутреннее пространство, имеющее продольную ось, и они адаптированы к реализации вихревого процесса;
(б) впускное отверстие на первой торцевой поверхности для тангенциального ввода газа во внутреннее пространство, чтобы этот газ начал периферийное движение по внутреннему пространству вдоль продольной оси при образовании вихревого потока;
(в) трубку отвода водорода, расположенную концентрически во внутреннем пространстве вдоль продольной оси; причем эта трубка проницаема для газообразного водорода на участках, размещенных обособленно вдоль оси.
9. Вихревой трубчатый реактор, имеющий:
(а) трубчатую стену с двумя торцевыми поверхностями, при этом указанные стенка и торцевые поверхности вместе определяют внутреннее пространство, имеющее продольную ось, и они адаптированы к реализации вихревого процесса;
(б) впускное отверстие на первой торцевой поверхности для тангенциального ввода газа во внутреннее пространство, чтобы этот газ начал периферийное движение по внутреннему пространству вдоль продольной оси при образовании вихревого потока;
(в) трубку для отвода кислорода, расположенную концентрически во внутреннем пространстве вдоль продольной оси; причем эта трубка проницаема для газообразного кислорода на участках, размещенных обособленно вдоль оси.
10. Вихревой трубчатый реактор по п.9 содержащий, кроме того, трубку отвода водорода, концентрично расположенную во внутреннем пространстве вдоль продольной оси, причем эта трубка проницаема для газообразного кислорода на участках, размещенных обособленно вдоль оси.
11. Вихревой трубчатый реактор по любому из пп.8, 9 или 10, отличающийся тем, что указанный реактор содержит жаростойкий материал, способный выдержать температуру диссоциации воды.
12. Вихревой трубчатый реактор по п.11, отличающийся тем, что температура диссоциации воды составляет от приблизительно 1800 до приблизительно 3000шС.
13. Вихревой трубчатый реактор по любому из пп.8-12, содержащий, кроме того, катализатор, размещенный так, чтобы иметь контакт с вихрем, и приспособленный, чтобы катализировать диссоциацию воды на водород и кислород.
14. Вихревой трубчатый реактор по любому из пп.8-13, содержащий, кроме того, вакуумный насос, имеющий подвижную связь с выводящей трубой, для того, чтобы создать в выводящей трубе давление, более низкое, чем во внутреннем пространстве указанного вихревого трубчатого реактора.
15. Вихревой трубчатый реактор по любому из пп.8-14, имеющий, кроме того, средства фокусирования на вихревом трубчатом реакторе сфокусированной солнечной энергии.
1 Область настоящего изобретения Настоящее изобретение относится к способам и оборудованию для получения водорода термическим разложением воды. Предпосылки настоящего изобретения В течение длительного времени водород рассматривается как идеальный горючий источник энергии. Главным продуктом сгорания водорода в воздухе является вода, хотя при некоторых условиях можно получить и следы оксидов азота. При сгорании водорода не образуется двуокиси углерода, главного парникового газа, появление которого вызывает беспокойство в связи с ухудшающимся состоянием окружающей среды, в особенности на территории городов. Последние достижения в технологии топливных элементов и высокая эффективность топливных элементов в целом помогают создать условия, благоприятные для более широко распространения и использования водородного топлива. В настоящее время получение водорода проводят главным образом реформингом углеводородов (таких как метан) и в меньшей степени — электролизом воды. Обычно эти процессы предусматривают использование источников энергии, вызывающих загрязнение окружающей среды. Например, сжигание углеводородов на тепловых электростанциях представляет собой часть производственной цепочки получения водорода при некоторых электролитических процессах. Поэтому существует давно ощущаемая потребность в эффективных (прямых или косвенных) способах преобразования воды в водород. Существует ряд термических процессов получения водорода из воды, допускающих использование солнечной энергии. Один такой процесс представляет собой непосредственное разложение воды в солнечных печах при очень высоких температурах, обычно в диапазоне 2200-2500 С. Многие из этих процессов не очень эффективны, они дают только 10-15% активного водорода. В многочисленных ссылках раскрыты способы получения водорода термической диссоциацией воды с использованием солнечной энергии, путем селективной экстракции водорода или кислорода сквозь пористый материал типа металлического никеля (см. патенты США: 5,397,559; 4,233,127; 4,053,576; 5,306,411; а также «Possibilities of SeparatingWater Thermaolysis Products in Solar Furnaces»,Shakhbazov et al. 1977, Gelioteknika, Vol. 13, No. 6, pp. 71-72, UDC 621.472). Потенциально возможное существенное ограничение для промышленного применения таких диффузионных способов состоит в том, что скорость разделения газов в значительной степени зависит от доступной для диффузии площади поверхности. Для крупномасштабного производства водорода могут понадобиться очень большие поверхности диффузии или очень большая площадь мембран. 2 Поэтому может быть необходим нагрев значительных диффузионных площадей до очень высоких температур, чтобы, в целях предотвращения рекомбинации водорода и кислорода, отделение искомой молекулы могло осуществиться прежде, чем охлаждения этих газов. Нагрев таких больших площадей может вызвать значительные производственные проблемы из-за потерь лучистой энергии и связанной с этим неэффективностью. В патентах США 4,030,890 и 4,071,608(принадлежащих Diggs) отделение водорода от кислорода предлагается осуществлять при использовании центробежных сил. Diggs описывает камеру для разделения водорода и кислорода,в которой имеется выпускное отверстие для кислорода и выпускное отверстие для водорода. Выпускное отверстие для кислорода расположено по окружности в периферийных стенах камеры у ее основания, у того торца камеры,куда вводят водяной пар. Выпускное отверстие для водорода в устройстве Diggs расположено аксиально у верхнего торца камеры, противоположного тому торцу, с которого вводят водяной пар. Такое устройство выпускных отверстий для водорода и кислорода в устройстве Diggs обусловлено особым пространственным распределением газообразного кислорода и газообразного водорода в вихревом потоке реакционной камеры. Однако поведение нагретых газов в вихревой трубе многосложно. В процессе, иногда называемом эффектом Ранка, газовый поток в вихревой трубе может быть разделен на два выпускаемых потока, один из которых горячее,а другой холоднее, чем подаваемый газ (см. патент США 1,952,281). В таком процессе, как учит теория, градиенты давления и состава возникают в вихревой трубе как аксиально, так и радиально, в результате чего ядро этого вихря содержит охлажденный газ, который перемещается в направлении, противоположном направлению потока нагретого газа по периферии этого вихря. Такой эффект может быть использован для отделения паров воды от потока газа; это раскрыто в патентах США 4,343,772 и 5,843,801. Напротив, патент США 3,922,871 раскрывает другие параметры потока, которые,как предполагают, создают обратную стратификацию температур газа внутри вихря, при которой более горячий газ находится в ядре вихря. Хотя эта ссылка не передает всей специфики разделения газа, она иллюстрирует то непостоянство, которое может быть присуще вихреобразному потоку газа. Существует потребность в альтернативных способах и устройствах для получения водорода при термической диссоциации воды, в особенности способов и устройств, которые могут быть адаптированы к использованию солнечной энергии. 3 Краткое изложение настоящего изобретения Согласно одному своему аспекту, настоящее изобретение обеспечивает процесс получения водорода из воды, включающий нагревание воды до температуры ее диссоциации, для образования реакционной смеси диссоциированной воды, которая содержит газообразный кислород и газообразный водород. В указанной реакционной смеси возникает вихрь, который создает в этой смеси центробежные усилия, направленные вдоль продольной оси внутреннего пространства вихревого трубчатого реактора, так,что во внутреннем пространстве этого реактора осуществляется радиальная стратификация газообразного водорода и газообразного кислорода. Газообразный водород предпочтительно извлекается из этой реакционной смеси на удаленных участках вдоль продольной оси внутреннего пространства вихревого трубчатого реактора. Или же, указанный процесс может включать предпочтительное извлечение газообразного кислорода с периферийных зон этого вихревого потока вдоль отдельных участков по периферии вихревого трубчатого реактора. Воду можно нагреть до температуры диссоциации,используя солнечное излучение, сфокусированное на вихревом трубчатом реакторе, а температура диссоциации воды может быть от примерно 1800 С до примерно 3000 С. Реакционную смесь можно привести в контакт с катализатором, катализирующем диссоциацию воды на водород и кислород. При экстрагировании предпочтительно извлекаемых газообразных кислорода или водорода может быть применен вакуум. Согласно другому аспекту, настоящее изобретение обеспечивает вихревой трубчатый реактор, имеющий вытянутую стенку с двумя торцевыми поверхностями, при этом указанная стенка и торцевые поверхности вместе определяют внутреннее пространство, имеющее продольную ось, и они адаптированы к реализации вихревого процесса. Первая торцевая поверхность имеет впускное отверстие для тангенциального ввода газа во внутреннее пространство,чтобы этот газ начал периферийное движение по внутреннему пространству вдоль продольной оси с образованием вихревого потока. Труба для отвода водорода может быть расположена концентрически во внутреннем пространстве вдоль продольной оси; причем эта труба проницаема для газообразного водорода на отдельных участках вдоль оси. Или же, труба для отвода кислорода может быть расположена концентрически во внутреннем пространстве, смежном с цилиндрической стенкой, причем эта труба для отвода кислорода проницаема для газообразного кислорода на отдельных участках вдоль оси. Реактор может быть изготовлен из жаростойкого материала, способного выдержать температуру диссоциации воды. 4 Хотя в соответствии с настоящим изобретением для разложения воды на водород и кислород используют солнечную энергию, можно применять и другие источники тепла. Установка, захватывающая лучистую энергию, может также применяться в солнечных процессах дистилляции, а нагреваемые солнцем системы испарителя, используемые для выработки пара, для нагрева и для применения в турбинах (особенно в электрических турбинах), работающих на солнечной энергии. Удаляя один из продуктов диссоциации из вихревого реактора, равновесие реакции диссоциации можно сдвинуть в сторону ее завершения. Стратификация кислорода и водорода в вихревой трубе также может сдвинуть равновесие этой реакции диссоциации в сторону ее завершения. Для содействия быстрому достижению равновесия предпочтительно, чтобы рабочие температуры в последнем реакторе поддерживались на уровне, близком к температуре первого реактора. Если время пребывания вещества в последнем реакторе недостаточно или при снижении температуры в нем остатки вещества из переходной зоны, находящиеся в последнем реакторе, можно отделить у отверстия выпуска тяжелых фракций и направить на повторное использование. В хорошо изолированной системе кислород, выпускаемый из последнего реактора, можно, прежде чем произойдет его теплообмен с поступающей водой, направить на одну или более дополнительных стадий стратификации. При необходимости то же самое можно осуществить с водородом. Используя систему зеркал, контролируемых компьютером, можно подать солнечную энергию в цех, где происходят химические процессы; обычно для частичного разложения воды на водород и кислород требуется температура,близкая к 2500 С. Вода, поступающая в процесс по настоящему изобретению, преимущественно очищена с помощью известных методик фильтрации; предпочтительно, если это происходит перед тем как вода направляется к первому теплообменнику. Подогретая вода из первого теплообменника может быть потом передана по трубопроводу в комбинированное устройство, объединяющее теплообменник и солнечную дистилляционную установку, в которой эту воду дополнительно очищают дистилляцией. Потом указанную дистиллированную воду можно охладить в первом теплообменнике за счет передачи ее тепловой энергии подаваемой воде. Вода может быть еще очищена на третьем этапе с помощью, например, обратного осмоса. После этого очищенную воду можно направить в систему, захватывающую лучистую энергию, в которой поглощается основная часть энергии, которая иначе была бы потеряна в результате теплового излучения. Потом из этой установки вторичного захвата нагретую воду закачивают в 5 третий специально разработанный теплообменник, в котором за счет тепла с заключительной стадии солнечного реактора вода нагревается до состояния перегретого пара. Этот пар продолжает двигаться через первую ступень солнечного реактора под давлением приблизительно 10 атм. Трубопровод присоединен к отверстию внутри реактора, что позволяет создавать давление. Это повышенное давление позволяет улучшить теплопередачу, и за счет него вода предохраняется от разложения. Водород можно вывести с участка около зоны стабилизации вихревого потока, используя внутреннюю трубу вывода, имеющую меньший внутренний диаметр. Осуществлению этого этапа может содействовать использование относительного вакуума, не настолько глубокого, чтобы динамика газов в промежуточной и периферийной зонах была нарушена. Чтобы провести разделение газа в горячекатанной вихревой трубке можно использовать внутренний тюбинг. В одном воплощении диаметр внутреннего тюбинга может составлять приблизительно 20-30% от диаметра вихревой трубки. Было найдено, что фактически единственная точка вывода находится внизу на 25% расстояния тюбинга от точки тангенциального впуска. Указанный тюбинг может быть пористым или перфорированным и может быть увеличен в длину, что способствует выведению водорода из вихревой трубки. В соответствии с настоящим изобретением можно ускорить, или катализировать реакции,отличные от диссоциации воды. Например,можно сделать так, чтобы подобным образом разложить на составные части аммиак; может быть рассмотрен и реформинг метана. Если соответствующее распределение масс применить к реагентам и к продуктам реакции, то возможно применение других систем. Могут быть использованы другие источники тепла, такие как сбросовая теплота тепловых электростанций. Несмотря на то, что эта теплота ниже требуемой для диссоциации воды,она обеспечит стадию предварительного нагрева. На последующих стадиях нагрева может быть использовано электричество. Среди отобранных для испытаний — ископаемое топливо и атомные электростанции. Геотермальный источник тепла представляет собой другой тип источника, не загрязняющего окружающую среду. Геотермальный источник тепла можно тоже использовать для предварительного нагрева в процессе, где вторичный нагрев осуществляют геотермальным, электрическим, солнечным или другим источником. Поэтому согласно одному своему аспекту настоящее изобретение обеспечивает способ передачи сфокусированной солнечной энергии(или энергии другого источника тепла) потоку водяного пара, в котором реактор первой ступени обеспечивает такую траекторию потока, 002240 6 вдоль которой указанный поток пара подвергается изменениям по направлению, при этом этот пар, ударяясь в стенки камеры, создает турбулентность, что способствует более эффективной передаче энергии. Этот процесс может облегчить, используя разнообразные формы реакторов, включая реакторы со спиральным, коническим, или зигзагообразным направлением движения, или делая в реакторе выступы, вызывающие турбулентность, или другими средствами, с помощью которых определенные изменения движения прижимают поток пара к стенкам реактора под увеличенным давлением, или при котором за счет увеличения турбулентности усиливается передача тепловой энергии от стенок реактора. В некоторых воплощениях, с целью обеспечения более эффективной передачи энергии с помощью ребер, выступающих из стенок каналов, по которым проходит пар, можно достичь увеличения площади поверхности внутри потока пара. Можно сделать отверстие,ограничивающее выпускной поток реактора первой ступени так, что за счет ограничения отверстия давление пара увеличивается, увеличивая таким образом плотность водяного пара и эффективность передачи энергии водяному пару. Увеличенное давление пара может также способствовать предотвращению диссоциации водяного пара, увеличивая таким образом теплопроводность. Согласно другому аспекту настоящее изобретение обеспечивает способ диссоциации воды в реакторе второй ступени, в котором водяной пар частично диссоциирует, а потом тепловая энергия поглощается. Для ограничения потока пара вход в реактор второй ступени может иметь суживающее отверстие. Для создания частичного разрежения в реакторе второй ступени, приводящего к частичной диссоциации потока пара, вакуум можно получить с выхода реактора второй ступени. Частичное разрежение может вызывать эндотермическое расширение в потоке пара, во время которого, чтобы вызвать дальнейшую диссоциацию, может быть добавлена дополнительная солнечная или тепловая энергия. Направление движения газа в реакторе второй ступени может быть изменено так, как это описано выше для реактора первой ступени,с тем, чтобы облегчить передачу тепловой энергии этому газу. Чтобы способствовать диссоциации потока пара, реактор второй ступени может быть снабжен катализатором. Согласно другому аспекту настоящим изобретением обеспечиваются способы, в которых водяной пар при температурах диссоциации подвергается такому воздействию центробежных сил при высоких скоростях завихрения в вихревом трубчатом реакторе третьей ступени(фиг. 25), что внутри этого реактора (область 36) происходит стратификация реакционной смеси; это предпочтительно приводит к дальнейшему разложению водяного пара на водород 7 и кислород под действием реагирующих масс. Выборочно газообразный водород или газообразный кислород, или оба эти газа, можно удалить из зоны стратификации во внутреннем пространстве вихревого реактора, предпочтительно вдоль участка осевого направления указанной зоны стратификации; при этом равновесие реакции диссоциации смещается в сторону дальнейшего разложения водяного пара. В альтернативных воплощениях для того, чтобы облегчить разложение водяного пара на водород и кислород, могут быть использованы вакуумные насосы (49 и 52 на фиг. 2) для создания частичного регулируемого вакуума в отверстии реактора 36 для сброса кислорода 39 (фиг. 2) и водорода 38 (фиг. 2). Чтобы оптимизировать улавливание водорода, можно также отрегулировать перепад давления в поперечном направлении трубы для сбора водорода, изменяя скорости вихревого потока (регулируя такие параметры,как количество впрыскивателей и скорость впрыскивания газа), и регулируя вакуум в трубе. Чтобы вызвать дальнейшую и непрерывную диссоциацию водяного пара, в реактор третьей ступени можно непрерывно подавать сфокусированную солнечную или тепловую энергию. Для того чтобы облегчить диссоциацию потока пара, можно снабдить реактор второй ступени катализатором, и это может быть катализатор на керамической подложке. Для измерения количества водяного пара, выходящего через отверстие сброса водорода и сброса кислорода, можно применять автоматизированный контроль. Полученную информацию можно использовать,чтобы автоматически отрегулировать баланс частичного вакуума выпускного отверстия сброса водорода и сброса кислорода в реакторе,минимизировать любой выявленный дисбаланс; или по-другому оптимизировать эти величины в целях облегчения разложения водяного пара на водород и кислород. В некоторых воплощениях можно сбалансировать вакуум на каждой из технологических линий сброса водорода и кислорода реактора третьей ступени, чтобы сохранить контролируемую зону стратификации. Аналогично, можно отрегулировать суммарное частичное давление в реакторе третьей ступени,чтобы поддержать предпочтительные условия диссоциации и стратификации. В различных аспектах настоящее изобретение обеспечивает приспособления, способствующие эффективной передаче энергии. По одному аспекту, для того, чтобы облегчить поглощение тепловой энергии из сфокусированного солнечного света, настоящим изобретением обеспечивается профилированная мишень 37(фиг. 2). Эта мишень может иметь вогнутую форму, при этом предпочтительно, чтобы она была приспособлена к захвату дополнительных тепловой и лучистой энергий. Согласно другому аспекту, потери лучистой энергии можно уменьшить, используя устройство повторного 8 захвата лучистой энергии. В этом устройстве лучистый затвор (16 и 20 на фиг. 4) позволяет сфокусированной солнечной энергии проникнуть в зону реактора через окно (фиг. 5), профилированные призмы или профилированные отражатели d58 (фиг. 7 А и фиг. 7 Б). Рассеивание отраженного света и лучистой энергии по всем направлениям от реактора можно перенаправить внутрь зоны реактора, если оптимизировать полное внутреннее отражение и угловое отражение от окна, профилированных призм или профилированных отражателей. Энергия, поглощенная лучистым затвором (от окон, профилированных призм, профилированных отражателей или т.п.) может использоваться для нагрева поступающей в реактор воды. Эти устройства можно сохранять охлажденными с помощью воды, проходящей через каналы (16 на фиг. 4, и 63 на фиг. 5 и 5 А), а нагретая вода может использоваться для предварительного нагрева входящих в реактор потоков. В целях минимизации внешних потерь энергии размер лучистого затвора может быть ограничен, для того, чтобы (насколько это возможно) могла проникнуть только сфокусированная солнечная энергия. Область вокруг реактора (исключая лучистый затвор), может быть приспособлена для обратного отражения на реактор энергии источника света (18, 22 и 23 на фиг. 4). Отражатель энергии (16 и 17 на фиг. 4) можно охлаждать потоком воды, а энергия, поглощенная водным потоком, может использоваться для подогрева воды, питающей реактор. Снаружи узел отражателя (21 на фиг. 4) вокруг самого реактора (исключая лучистой затвор) может быть сделан из отражающего вещества, а вся поглощенная энергия может использоваться для подогрева воды, питающей реактор. Давление охлаждающей воды внутри проточных каналов (16 на фиг. 4) устройства повторного захвата лучистой энергии можно отрегулировать таким образом,чтобы скомпенсировать переменный поток воды через эту систему. Реактор может быть приспособлен к тому, чтобы сфокусированная солнечная энергия, попадающая в поддерживающие стойки устройство повторного захвата энергии,могла быть отражена на реактор. Горячие сбросы из реактора газообразного водорода и кислорода можно использовать в высокотемпературном теплообменнике, в котором поступающая вода входит по направлению, противоположном направлению потока. Газовый поток в теплообменнике можно сделать таким, чтобы (как это обсуждалось выше) для более эффективной передачи энергии эти газы ударялись о стенки указанного теплообменника. Теплообменник может быть сделан из керамических материалов, структурная целостность которых поддерживается за счет непрерывности структуры,являющейся самостоятельной, в ней протяженные теплообменные термопроводящие потоки расположены один над другим послойно с тер 9 моизоляционными материалами, которые изолируют указанные термопроводящие потоки,чем и обеспечивается структурная целостность. Используя теплопроводный материал, по длине термопроводящих потоков, можно установить термические прерыватели высокотемпературного теплообменника для создания тепловых потоков через указанный изоляционный материал(фиг. 11). В комбинированном теплообменникедистилляторе (8 на фиг. 2) может быть использован имеющий более низкую температуру сброс газов из высокотемпературного теплообменника, в котором происходит теплообмен между горячими выходящими газами и поступающей водой, приводящий к перегонке (дистилляции) поступающей воды. Сфокусированная на теплообменнике-дистилляторе солнечная энергия может использоваться для нагрева поступающей воды, если энергия горячих выходящего потока сбросовых газов недоступна. Низкотемпературный теплообменник может быть сделан из металлов типа нержавеющей стали. Энергию можно вернуть за счет конденсации пара в теплообменнике-дистилляторе и использовать ее для нагрева (6 на фиг. 2) поступающей воды. Пар можно охладить до температуры, близкой к температуре окружающей поступающей воды, и потом, отфильтровав его с помощью системы обратного осмоса, его можно использовать для охлаждения другой установки типа устройства повторного захвата энергии. Поступающая вода может быть подогрета (например, методом встречного потока), чтобы сконденсировать горячий пар из теплообменника-дистиллятора и предварительно нагреть воду,которая поступает в теплообменникдистиллятор. Указанный теплообменник может быть неотъемлемой частью комбинированной установки теплообменник-дистиллятор, и его можно использовать при превращении воды в пар, чтобы рекуперировать теплоту плавления. Водяной пар может сконденсироваться из потоков водорода и кислорода воздуха в результате диссоциации, отделения и охлаждения (50 и 53 на фиг. 2). Пары воздуха можно охладить для конденсации водяного пара, а сконденсированную воду можно направить обратно в процесс,что способствует сведению к минимуму того количества воды, которое необходимо очистить для всей системы в целом (за счет уменьшения необходимого количества вновь подаваемой воды). Один аспект настоящего изобретения обеспечивает способ регенерирования энергии от отражающей поверхности, при котором для охлаждения этой поверхности используется вода, уже, в свою очередь, применявшаяся, чтобы нагреть входящие в реактор потоки. Краткое описание рисунков Фиг. 1 представляет схематическое изображение предпочтительного воплощения настоящего изобретения для его использования 10 как процесс получения водорода с помощью солнечной энергии. Фиг. 2 графически представляет поперечное сечение предпочтительного воплощения настоящего изобретения, которое непосредственно следует из процесса, изображенного на фиг. 1. Фиг. 3 представляет внешний вид солнечной водородной колонны, на котором показано,куда падающее солнечное излучение бомбардирует колонну. Фиг. 4 показывает вид сбоку и общее размещение стойки и конструкцию окна одностороннего пропускания в установке захвата лучистой энергии солнечного генератора водорода. На фиг. 5 показан вид сверху детали окна одностороннего пропускания и конструкция стойки установки захвата лучистой энергии. На фиг. 6 показан вид сбоку детали окна одностороннего пропускания и конструкция стойки установки захвата лучистой энергии. На фиг. 7 показан вид сверху на солнечную водородную колонну с удаленным куполом. В центре видны: центральный опорный элемент, ядро реактора и солнечная мишень. Окружающая этот реактор установка представляет собой одно из воплощений окна с односторонним пропусканием и конструкция стойки на основе плоских стеклянных изделий. На фиг. 7 А и 7 Б показаны профилированные призмы, или профилированные отражателиd58. Фиг. 8 представляет ту же проекцию, что и на фиг. 7, но показано другое воплощение стеклянных структур, для которых не нужны стойки, а конусообразные стеклянные воронки одностороннего пропускания образуют структурные мембраны и окна захвата лучистой энергии. На фиг. 9 изображен спиралеобразный канал, который представляет собой путь движения воды и ее продуктов внутри теплообменника на фиг. 10. На фиг. 10 представлено предпочтительное воплощение конструкции высокотемпературного теплообменника, который имеет спиралеобразный канал, подающий воду в питающий центральный поток теплообменника, и меньшие спирали, которые в противотоке подают вниз продукты водорода и кислорода. Показан также тепловой прерыватель, предотвращающий тепловое короткое замыкание. Фиг. 10 А, 10 Б, 10 В, 10 Г представляет другие воплощения каналов передачи жидкости,имеющие большую площадь поверхности, чтобы создать лучшие характеристики процесса теплопередачи. На фиг. 11 показана деталь другого воплощения теплообменника. Изображено сечение спирали на фиг. 10, на котором вдоль траектории спирали наглядно видны тепловые прерыватели. 11 На фиг. 12 линиями представлены направления движения в теплообменнике на фиг. 10. Волнистыми линиями представлены спирали,показанные на фиг. 10, их геометрическая ось представляет собой линию, по которой воду подают вверх, а четыре линии с каждой из сторон представляют собой те линии, по которым водород и кислород подают вниз. Фиг. 13 представляет другое воплощение теплообменника на фиг. 10, в котором двойная спираль, выводящая водород и кислород, и спираль вокруг спирали водной подачи образуют единую спираль. Фиг. 14 представляет другое воплощение теплообменника на фиг. 10, в котором имеется тройная спираль, и эта тройная спираль и спирали вокруг самого теплообменника образуют единую спираль. На фиг. 15 показан вид сверху другого воплощения теплообменника на фиг. 10, в котором каналы теплопередачи (в противоположность спиральным) находятся в одном плоском слое. На фиг. 16 показан вид сбоку фиг. 15. Каждый плоский слой связан с другим слоем, отделенным с помощью прослойки теплового прерывателя, что предотвращает тепловое короткое замыкание. Фиг. 17 представляет спиральный путь движения внутри солнечного реактора первой ступени, изображенного на фиг. 18, где показан вид в разрезе солнечного реактора первой ступени. Фиг. 19 представляет спиральный путь движения внутри солнечного реактора второй ступени, изображенного на фиг. 20. На фиг. 20 показан вид в разрезе солнечного реактора второй ступени. Фиг. 21 представляет графическое изображение снаружи вихревой трубки реактора третьей ступени. Фиг. 22 представляет поперечный вид сбоку вихревой трубки внутри солнечного реактора третьей ступени с трубопроводами подачи. Фиг. 23 показывает деталь форсунки впрыскивателя вихревой трубки внутри солнечного реактора третьей ступени. Фиг. 24 представляет детализованную проекцию другого воплощения вихревой трубки внутри реактора третьей ступени, на которой изображены более одного впрыскивателя и трубопроводы подачи. Фиг. 25 представляет предпочтительное воплощение детализованной конструкции солнечного реактора третьей ступени, содержащего вихревую трубку. Фиг. 25 А представляет другое воплощение солнечного реактора третьей ступени с дополнительной трубой для отвода кислорода. Фиг. 26 представляет вид в разрезе многочисленных узлов вихревых трубок внутри солнечного реактора третьей ступени, которые 12 смонтированы на крышке солнечного реактора второй ступени. Фиг. 27 представляет другое воплощение солнечного реактора третьей ступени и его положение относительно спирали солнечного реактора второй ступени. Фиг. 28 представляет общий вид сбоку другого воплощения солнечного реактора третьей ступени, показанного на фиг. 27. Фиг. 29 представляет вид сверху солнечного реактора третьей ступени, показанного на фиг. 28 Фиг. 30 представляет другое воплощение солнечного реактора третьей ступени. Фиг. 31 представляет вид сбоку типичной солнечной водородной станции, которую географически следует расположить в широтах,близких к экватору, где солнце стоит высоко в небе. Фиг. 32 представляет вид сверху фиг. 31. Фиг. 33 представляет вид сбоку типичной солнечной водородной станции, которую географически следует расположить в широтах,далеких от экватора, где угол солнца над горизонтом мал. Фиг. 34 представляет вид сверху фиг. 33 Фиг. 35 демонстрирует солнечную станцию водорода небольшого масштаба, в которой используется специально профилированная отражающая кювета и которая непосредственно следует за солнцем. Краткое описание настоящего изобретения Приведенное ниже описание касается проиллюстрированных, приведенных в примерах и предпочтительных воплощений настоящего изобретения. Как станет ясно, многие нераскрытые частности настоящего изобретения не являются необходимыми для практического воплощения настоящего изобретения во всех его воплощениях, а многие конкретные из числа описанных воплощений имеют эквиваленты,замена на которые возможна для достижения целей настоящего изобретения. Если какой-либо элемент настоящего изобретения специально не выделен как существенный для настоящего изобретения, то он не необходим для всех воплощений, и настоящее раскрытие изобретения рассматривает весь диапазон эквивалентов этой части настоящего изобретения и осуществляет его. Обратимся к фиг. 1 и 2 в проиллюстрированных воплощениях. Подающий воду питающий насос 1 по трубопроводу подачи 2 подает воду в водяной фильтр 3. Водяной фильтр 3 удаляет определенные вещества, частично очищая воду. Затем эта частично очищенная вода подается по трубопроводу 4, объединяется с оборотной водой из трубопровода 55 и подается по трубопроводу 5 в теплообменник 6 со встречными или пересекающимися потоками. Теплообменник 6 нагревает поступающую воду за счет тепла, переданного из другой части про 13 цесса. Затем нагретая вода из указанного теплообменника 6 подается по трубопроводу 7 к комбинированной установке солнечный теплообменник-дистиллятор 8. Солнечный теплообменник-дистиллятор 8 в начале процесса использует солнечную энергию для дистилляции воды; однако, по мере прохождения этого процесса горячие сбросовые газы из трубопроводов 44 и 43 по каналам теплообменников 45 и 46 методом взаимной теплопередачи потока передают тепло в секцию дистилляции 9 внутри теплообменника 8. Поэтому, как только в процессе согласно настоящему изобретению достигнута рабочая температура, солнечная энергия может не требоваться для процесса дистилляции. Из комбинированной установки солнечный теплообменник-дистиллятор 8 дистиллированная вода может быть по трубопроводу 10 подана обратно в теплообменник 6, где теплота процесса дистилляции рекуперируется и используется для предварительного нагрева поступающего из трубы 5 потока воды. Таким образом, энергию, используемую для дистилляции, можно рекуперировать для улучшения эффективности процесса в целом. Из теплообменника 6 по трубопроводу 11 дистиллированная вода поступает на заключительную стадию очистки воды 12. Заключительная стадию очистки воды 12 может представлять собой обратный осмос или другой высокоэффективный метод очистки. Обратный осмос — это процесс низкой энергетической емкости, но обычно из-за закупорки фильтрационных мембран он требует периодического обслуживания. Вода из солнечного теплообменника-дистиллятора 8 до процесса ее дистилляции не будет, однако, лишена большинства загрязняющих примесей минерального происхождения, что уменьшит необходимость применения процесса обратного осмоса или другого способа высокоэффективной очистки 12. Воду, выходящую из системы заключительной очистки 12 нагнетают под давлением достаточным, чтобы поднять ее в верхнюю часть солнечной колонны водорода 56. Эту очищенную сжатую воду из системы очистки и сжатия воды 12 по трубопроводу 13 подают к регулятору давления 14. Несмотря на то, что очищенная вода представляет собой предпочтительное сырье для диссоциации, для всех воплощений это не требуется. Полученную под регулируемым давлением воду высокой степени очистки можно по трубопроводу 15 подать в систему восстановления лучистой энергии 16-25, 58-67. Регулятор давления 14 ограничивает давление до безопасных уровней, поэтому в системе восстановления лучистой энергии 16-25, 58-67 не происходит повреждений из-за избыточного давления. Указанная система восстановления лучистой энергии адаптирована к повторному захвату энергии, которая могла быть потеряна из-за излу 002240 14 чаемого тепла в зонах реактора 32, 33, 34 и 26, и в теплообменнике 29. Регулируемая давлением вода высокой степени очистки, подаваемая по трубопроводу 15 может подниматься вверх между внешним опорным элементом окна 17 и внутренним опорным элементом окна 18. Эти опорные элементы могут быть сделаны из микрополированной нержавеющей стали или другого теплопроводящего материала с высокой отражательной способностью. За счет отражательной способности внешний опорный элемент окна 17 должен отразить сфокусированную солнечную энергию 57, которая может попасть на эту поверхность. За счет отражательной способности внутренний опорный элемент окна 18 может быть приспособлен, чтобы лучистую энергию,полученную внутри этой структуры, отразить обратно в указанную структуру. Тепло, поглощенное в результате теплопроводности, можно передать водному потоку 16 между описанными устройствами 17 и 18. Эту нагретую воду можно дополнительно ввести в процесс предварительного нагрева. В описываемом проиллюстрированном воплощении эта вода потом поднимается вверх в устройстве рекуперации лучистой энергии 1625, 58-67 между внешним окном одностороннего пропускания 19 и внутренним окном одностороннего пропускания 20. Эти окна могут быть сделаны из кварцевого стекла. Окна 19 и 20 могут представлять собой окна одностороннего пропускания, что позволяет сфокусированной солнечной энергии 57 попасть в устройство захвата лучистой энергии 16-25, 58-67 и препятствует обратной утечке лучистой энергии из этого устройства. Энергия, поглощенная окнами 19 и 20, может быть потрачена на охлаждение водного потока 16, поднимающегося вверх между этими окнами. Энергию, поглощенную водным потоком 16, можно дополнительно ввести в процесс для увеличения его эффективности. Вода может продолжать свой подъем в этой структуре к ее куполу, который, как показано на рисунках, состоит из внешнего кожуха 21 и внутреннего кожуха 22. Эти купола могут быть сделаны из микрополированной нержавеющей стали или другого теплопроводящего материалом с высокой отражательной способностью. За счет отражательной способности внешний купол 21 должен отразить сфокусированную солнечную энергию 57, который может попасть на эту поверхность. За счет отражательной способности внутренний купол 22 должен лучистую энергию, полученную внутри этой структуры,отразить обратно в указанную структуру. Теплоту, поглощенную за счет теплопроводности,можно передать водному потоку 16 между структурами 21 и 22. Нагретую воду можно дополнительно ввести в процесс предварительного нагрева. Внешний купол 21 и внутренний купол 22 могут быть разделены прокладками или 15 иными конструктивными способами, которые,скрепляя купола вместе, обеспечивают постоянный зазор между ними. Куполообразная форма не является необходимой, могут быть реализованы и другие формы. В конечном счете воду можно вывести ниже от центра 25 полой опорной структуры 23. В некоторых воплощениях, поверхность опорной структуры 24 может быть сделана из микрополированной нержавеющей стали или другого теплопроводящего не имеющего оксидной пленки материала с высокой отражательной способностью. Лучистая энергия от различных узлов ядра реактора и других узлов устройства захвата энергии 16-25, 58-67 отражается обратно в устройства захвата энергии 16-25, 58-67. Вся поглощенная энергия может быть опять введена дополнительно в процесс предварительного нагрева. Лучистая энергия, поглощенная устройством захвата лучистой энергии 16-25, 58-67, может использоваться для нагревания воды, охлаждающей устройства захвата лучистой энергии 16-25, 58-67. Нагретую воду можно по трубопроводу 26 подать в нагнетающий насос 27. Нагнетающий насос 27 можно использовать, чтобы поднять давление воды приблизительно до десяти атмосфер. Возможно другое давление. Эту подаваемую под высоким давлением воду можно по трубопроводу 28 направить в высокотемпературный теплообменник 29. Высокотемпературный теплообменник 29 может быть использован для перегрева воды. Вода, проходящая по каналу 30 теплообменника 29, нагревается путем теплопередачи за счет тепла, переданного от перегретых сбросовых газов из смежных каналов 41 и 42. Потом этот перегретый пар (в некоторых воплощениях все еще под давлением приблизительно в 10 атм) можно подать непосредственно на реактор первой ступени 32. В некоторых воплощениях высокое давление может использоваться для того, чтобы поднять равновесную температуру термического разложения воды и предохранить этот пар от диссоциации на водород и кислород. Это может быть возможно за счет усиления теплового поглощение солнечной энергии, бомбардирующей реактор первой ступени 32. Сфокусированная солнечная энергия 57, бомбардирующая мишень реактора 37, может быть термическим образом передана в реактор первой ступени 32, так же,как в реактор второй ступени 34 и реактор третьей ступени 36 соответственно. Мишени реактора 37 придана такая форма, которая обеспечивает лучшую абсорбцию солнечной энергии 57 и минимизирует потери, связанные с отражением. В приведенном иллюстрированном воплощении верхняя часть, или выходное отверстие реактора первой ступени 32, соединено с соплом 33. Сопло 33 можно использовать, чтобы ограничить поток газа, при этом допускается 16 создание в реакторе первой ступени 32 повышенного давления. В некоторых воплощениях повышенное давление может увеличить тот объем, который проходит через реакторы 32, 34,и 36, и может увеличить количество продуктов реакции, проходящее через систему в целом. В некоторых случаях, когда доступны более высокие уровнями солнечной радиации 57, чтобы увеличить давления и, следовательно, увеличить скорость получения водорода из этой системы,можно использовать насос 27. Продукт, выходящий из сопла 33, поступает непосредственно в реактор второй ступени 34. По эту сторону сопла может быть реализован мгновенный перепад давления, особенно, если частичное разрежение создается насосами 49 и 52 балансировки процесса (который ниже описан более подробно со ссылкой на другие аспекты этого процесса). Пониженное давление может вызвать эндотермическое расширение перегретого пара,при этом облегчается поглощение дополнительной тепловой энергии для диссоциации указанного пара. Пониженное давление может также снизить равновесную температуру диссоциации. Внутрь проточного канала 35 реактора второй ступени 34 можно поместить подходящий катализатор. В некоторых воплощениях канал 35 реактора второй ступени 34 имеет длину, достаточную, чтобы разложение воды проходило до достижения равновесия. Как показано на рисунке, выходной продукт из реактора второй ступени 34 поступает в реактор(ы) третьей ступени 36. Параллельно можно использовать один или более реакторов третьей ступени 36. Реактор третьей ступени 36 представляет собой вихревой трубчатый реактор, в котором реакционная смесь (содержащая обычно Н, Н 2, О, О 2, гидроксил и Н 2 О) вращается в вихревом потоке, находясь при этом под действием центробежных сил. Во внутреннем пространстве вихревого трубчатого реактора имеет место радиальная стратификация газообразного водорода и газообразного кислорода. О 2 обычно мигрирует к внешней стороне вихревого потока в реакторе третьей ступени 36, откуда и возможно его извлечение, в то время как более легкие элементы Н и Н 2 обычно мигрируют к центру по направлению оси вихря. Удаление водорода из области по направлению оси вихря или удаление кислорода с периферии вихря дополнительно сдвигает равновесие реакции диссоциации. Для уменьшения температуры, необходимой для расщепления воды, в реакторе 36 можно также использовать катализатор. Структура катализатора может повторять спиральный поток указанных газов в реакторе третьей ступени 36, таким образом, чтобы он был приспособлен не создавать помехи спиральным потоком газов. Обычно вихревой трубчатый реактор 36 бывает удлиненным и цилиндрическим, но он может иметь многочисленные устройства,облегчающие диссоциацию, типа конических 17 или сужающихся устройств. Чтобы облегчать образование вихря, трубчатая стенка указанного реактора должна быть симметричной относительно продольной оси реактора. Сброс водорода можно осуществлять через отверстие 38, в то время как сброс кислорода проводят через отверстие 39 системы высокотемпературного трубопровода 40, который является частью всей структуры реактора, включающей 32, 33, 34, 36 и 37. Горячий водород и кислород можно подавать в верхнюю часть высокотемпературного теплообменника 29. Как показано на рисунке, водород подают по каналу 42, а кислород — по каналу 41 высокотемпературного теплообменника 29. Тепловую энергию(используя теплопроводность) и тепловое излучение из каналов сбросового газа 42 и 41 передают на впускающий пар канал 30. Выпускаемое тепло используется для получения перегретого пара, подаваемого на реактор первой ступени 32. Охлажденные водород и кислород можно из высокотемпературного теплообменника 29 по соединительным трубопроводам 43 и 44 соответственно подать в комбинированный солнечный теплообменник-дистиллятор 8, куда водород поступает по каналу 46, а кислород — по каналу 45. Из этих каналов тепло передают в канал 9, где оно используется для нагрева поступающей воды до температуры дистилляции. После высокотемпературного теплообменника 29 все еще остается достаточно тепла, чтобы провести дистилляцию воды в комбинированном солнечном теплообменнике — дистилляторе 8. Потом охлажденный водород можно удалить из комбинированного солнечного теплообменника-дистиллятора 8 и по трубе 47 подать его на вакуумный водородный насос 49. Выходящий из вакуумного водородного насоса 49 продукт можно подать на водяной скруббер 50, где из газообразного водорода удаляют воду. Должно быть понятно, что выходящий водород не может представлять собой 100%-й водород и что, аналогично, кислород не может быть 100% чистым. Любая кислородно-водородная смесь из реактора третьей ступени, выходящая из высокотемпературной трубы 38, может подвергнуться рекомбинации с образованием воды, по мере того,как снижается температура в высокотемпературном теплообменнике 29. После того как с помощью водяного скруббера 50 удаляют воду,остававшийся водород можно направить в хранилище водорода 51. Вода, удаляемая из водяного скруббера 50, может рециркулировать по трубопроводу 55. Охлажденный кислород аналогичным образом удаляют из комбинированного солнечного теплообменника-дистиллятора 8 и по трубопроводу 48 подают на вакуумный кислородный насос 52. Выходящий с вакуумного кислородного насоса 52 продукт может быть подан на водяной скруббер 53, где воду можно отделить от газообразного кислорода. После 18 того как с помощью водяного скруббера 53 удалят воду, оставшийся при этом кислород можно потом направить в хранилище кислорода 54. Вода, удаляемая из водяного скруббера 53, может рециркулировать по трубопроводу 55. Вакуумные насосы 49 и 52 могут быть использованы, чтобы создать вакуум для солнечных реакторов 34 и 36 второй и третьей ступени соответственно. Эти насосы могут поддерживать сбалансированный вакуум, для того чтобы оптимально функционировал реактор третьей ступени 36. Слишком высокий вакуум на вакуумном водородном насосе 49 по сравнению с вакуумным кислородным насосом 52 в некоторых воплощениях приводит к тому, что избыточный кислород попадает в линию выхода водорода. Подобным образом слишком высокий вакуум на вакуумном кислородном насосе 52 по сравнению с вакуумным водородным насосом 49 может в некоторых воплощениях вызывать попадание избыточного водорода в линию выхода кислорода. Указанные вакуумные насосы могут работать при автоматизированном или компьютерном управлении по алгоритмам и справочным таблицам для переменных режимов эксплуатации. На фиг. 3 показан внешний вид солнечной колонны водорода. Верхняя часть конструкции колонны 56 может быть сконструирована с применением известных методов. На верхней части колонны изображено устройство захвата лучистой энергии 16-25, 58-67. Видны внешний купол 21, охлаждаемые водой стойки 58, внешнее зеркальное окно однонаправленного пропускания 19, и внешние опорные элементы окна 17. Сфокусированная солнечная энергия 57 поступает сквозь зеркальное окно однонаправленного пропускания 19. Сфокусированная солнечная энергия 57 отражается от управляемых компьютером зеркал 81, 82, или 83, что показано на фиг. 31, фиг. 32, фиг. 33, фиг. 34 и фиг. 35. Часть этой сфокусированной солнечной энергии 57 используется на комбинированном солнечном теплообменнике-дистилляторе 8 во время запуска процесса в начале дня. После запуска всю сфокусированную солнечную энергию 57 можно сфокусировать в направлении мишени реактора 37 (на фиг. 2) внутри устройства захвата лучистой энергии 16-25, 58-67. Фиг. 4 представляет упрощенный вид сбоку и общее размещение стоек и окна однонаправленного пропускания для системы захвата лучистой энергии 16-25, 58-67 солнечного генератора водорода. Очищенная вода 16 проходит между внутренними и внешними конструкциями 18 и 17 соответственно. Конструкции 18 и 17 могут быть изготовлены из микрополированной нержавеющей стали или другого хорошо отражающего и не тускнеющего материала. Высокая отражательная способность может предотвратить расплавление материала в случае неверно направленной сфокусированной солнечной 19 энергии 57 и при высокой температуре лучистой энергий внутри этих конструкций. Очищенная вода 16, протекающая внутри их, также может поглощать энергию за счет теплопроводности. Очищенная вода поступает вверх между зеркальными окнами однонаправленного пропускания 19 и 20. Сфокусированная солнечная энергия 57 может проходить в систему захвата лучистой энергии 16-25, 58-67 снаружи, при этом лучистая энергия внутри этой структуры отражается обратно в эту структуру. Материалом, используемым для окон 19 и 20, может быть кварцевое стекло. Очищенная вода 16 проходит также наверх между внешними и внутренними окнами 19 и 20 соответственно. Эта вода сохраняет стекло прохладным за счет поглощения энергии путем теплопроводности и теплового излучения. На фиг. 4 показана также конструкция стоек, включающая внутреннюю стойку 59, внешнюю стойку 58, и центральную стойку 60 (которые детализированы на фиг. 5 и фиг. 6). Эти стойки составляют часть устройства захвата лучистой энергии 16-25, 58-67 и предназначены для поддержки и осуществления силовой связи между стеклянными окнами одностороннего пропускания 19 и 20. На фиг. 5 показан вид сверху детали окна с односторонним пропусканием и конструкция стойки установки захвата лучистой энергии. Плоские кварцевые зеркальные стекла одностороннего пропускания 19 и 20 соединены с уплотнителями из силиконового каучука 61. Эти уплотнители могут быть сделаны из любого материала, который может создать влагонепроницаемый уплотнитель, выдерживать температуру горячей воды, и обеспечить некоторую гибкость, так, чтобы могли происходить незначительные движения, вызванные тепловым расширением и сжатием. Центральная стойка 60 представляет собой фиксирующую стойку, которая фиксирует обособленно внешнее стекло 19 и внутреннее стекло 20. Стойка 60 сохраняется прохладной, так как с обеих ее сторон находится вода. Внешняя стойка 58 имеет такую форму,чтобы падающая сфокусированная солнечная энергия отражалась в устройство захвата лучистой энергии 16-25, 58-67 и на мишень 37. Эти стойки имеют удлиненную и заостренную форму, так, чтобы падающая сфокусированная солнечная энергия 57 отражалась под небольшим углом отражения и благодаря этому проникала в устройство захвата лучистой энергии 16-25, 5867. Укороченная стойка с меньшим углом привела бы к тому, что сфокусированная солнечная энергия 57 отражалась вдали от устройства захвата лучистой энергии 16-25, 58-67. Указанная стойка может быть сделана из микрополированной нержавеющей стали или другого теплопроводящего материалом с высокой отражательной способностью. Хромирование стойки должно придать ей высокую отражательную способ 002240 20 ность. Внутренний канал охлаждения 63 внутри указанной стойки 58 делает возможность прохождение по нему воды, чтобы сохранять стойку прохладной. За счет тепловой конвекции вода перемещается от основания этой стойки к ее вершине. В некоторых воплощениях чем горячее становится стойка, тем большее количество воды проходит через нее. Внутренний канал охлаждения 63 внутри стойки 58 может иметь любую форму и может даже соответствовать общим внешним очертаниям этой стойки. Это соответствие общим очертаниям может обеспечить лучшее охлаждение указанной стойки. Внутренняя стойка 59 имеет такую форму,что лучистая энергия отражается от мишени 37 обратно на эту мишень 37 внутри устройства захвата лучистой энергии 16-25, 58-67. Указанная стойка может быть сделана из микрополированной нержавеющей стали или другого теплопроводящего материалом с высокой отражательной способностью. Хромирование стойки должно придать ей высокую отражательную способность. Внутренний канал охлаждения 66 внутри указанной стойки 59 делает возможность прохождение по нему воды, чтобы сохранять стойку прохладной. За счет тепловой конвекции вода перемещается от основания этой стойки к ее вершине. Чем горячее становится стойка, тем большее количество воды проходит через нее. Внутренний канал охлаждения 66 внутри стойки 59 может иметь любую форму и может даже соответствовать общим внешним очертаниям этой стойки. Это соответствие общим очертаниям может обеспечить лучшее охлаждение указанной стойке. На фиг. 6 показан вид сбоку детали окна с односторонним пропусканием и конструкция стойки установки захвата лучистой энергии. Плоские кварцевые зеркальные стекла одностороннего пропускания 19 и 20 находятся между внешней стойкой 58, центральной стойкой 60 и внутренней стойкой 59. Центральная стойка 60 представляет собой фиксирующую стойку, которая фиксирует обособленно внешнее стекло 19 и внутреннее стекло 20. Стойка 60 сохраняется прохладной, так как с обеих ее сторон находится вода. Канал охлаждения воды 63 можно видеть на внешней стойке 58. Вода за счет тепловой конвекции выводится через отверстие 62, потом за счет тепловой конвекции поднимается вверх по каналу 63 внутри стойки 58 и, наконец, выходит в отверстие 64. Аналогично, охлаждающая вода подходит к внутренней стойке 59 через отверстие 65. Потом вода за счет тепловой конвекции поднимается вверх по каналу 66 внутри стойки 59 и, наконец, выходит через отверстие 67. На фиг. 7 показан вид сверху на солнечную водородную колонну с удаленным куполом. В центре видны центральный опорный элемент 23, зона ядра реактора 40 и солнечная 21 мишень 37. Окружающая этот реактор установка представляет собой одно из воплощений окна с односторонним пропусканием и конструкции стойки на основе плоских стеклянных изделий. Внешние зеркала кварцевого стекла одностороннего пропускания 19 окружают устройство захвата лучистой энергии 16-25, 58-67 по внешнему периметру. Видны также внутренние зеркала кварцевого стекла одностороннего пропускания 20. Видны внешние стойки 58, внутренние стойки 59 и центральные стойки 60. Количество этих стоек может меняться в зависимости от конструкции и размера устройства захвата лучистой энергии 16-25, 58-67. Сфокусированная солнечная энергия 57 поступает со всех сторон, чтобы равномерно по всем сторонам нагреть ядро мишени реактора 37. На фиг. 8 представлена та же проекция,что и на фиг. 7, но он показывает другое воплощение стеклянных устройств, для которых не требуется стоек, а конусообразные стеклянные воронки одностороннего отражения 19 и 20 образуют структурные мембраны и окна захвата лучистой энергии. Такое воплощение менее сложно за счет того, что не требуются уникальной конструкции стойки, изображенной на фиг. 7. Внешняя конусообразная воронка кварцевого стекла одностороннего пропускания 19 допускает проникновение сфокусированной солнечной энергии 57. Потом сфокусированная солнечная энергия 57 проходит через поток охлаждающей воды 16, а затем — через внутреннюю воронку кварцевого стекла пропускания. Водный поток 16, находящийся между внешней воронкой 19 и внутренней воронкой 20, сохраняет внешнюю воронку 19 и внутреннюю воронку 20 охлажденными. Вся энергия, поглощенная внешней воронкой 19, или внутренней воронкой 20, или водным потоком 16, дополнительно вводится в процесс в форме подогрева воды для последующей обработки нисходящего потока. На фиг. 9 изображен спиралеобразный канал 30, который представляет собой путь движения воды и ее продуктов внутри теплообменника на фиг. 10. Указанная спираль в основном имеет форму пружины. На фиг. 9 показана прямоугольная или квадратная спираль; однако,возможна любая форма поперечного сечения(такая, как круговая, эллиптическая или иная). На фиг. 10 представлено воплощение высокотемпературного теплообменника 29,имеющего спиралеобразный подающий воду канал 30, поднимающийся вверх по многочисленным спиралеобразным устройствам теплообменника 29. Такая спираль может в небольшом пространственном объеме создать большую область теплопередачи. Эта спираль может также создать центробежную силу, заставляющую воду и пар прижаться к внешним стенкам подающей спирали 30. Усилие, прижимающее воду и пар к внутренней части подающей спи 002240 22 рали 30 может увеличить передачу тепла от теплопроводящего материала 68, из которого состоит материал спирали. Меньшего размера выводящие спирали 41 и 42 подают кислородные и водородные продукты вниз по этим спиралям в направлении спирального канала 30, противоположном подаваемым воде и пару. Эти выводящие спирали 41 и 42 прилегают друг к другу и фактически параллельны подающей спирали 30. Четыре выводящие кислород спирали 41 и четыре выводящие водород спирали 42 показаны на фиг. 10; указанные спирали параллельны друг другу. Количество выводящих спиралей не является критическим; однако, большое их количество было бы предпочтительно, чтобы они эффективно действовали в качестве каналов теплопередачи для большего объема сбросовых газов — кислорода в выводящей спирали 41 и водорода в выводящей спирали 42. Обычно большое количество выводящих спиралей 41 и 42 должно обеспечить лучшую теплопередачу. Внутренние поверхности подающей спирали 30 и выводящих спиралей 41 и 42 необязательно должны иметь квадратную, круглую или прямоугольную формы. Поперечные сечения подающей спирали 30 и выводящих спиралей 41 и 42 могут быть такими, что площадь поверхности существенно увеличивается, что показано на фиг. 10 А, 10 Б, 10 В и 10 Г. Благодаря этой увеличенной площади поверхности более эффективно осуществляется передача тепла к теплопроводящему материалу 68. Материал 68 может (в альтернативных воплощениях) представлять собой любой подходящий теплопроводящий материал, который может выдерживать высокие температуры, требуемые в теплообменнике 29. Типичные материалы могут включать теплопроводящие керамические материалы типа оксида циркония и многие другие (в патентах, упомянутых выше,содержится раскрытие подходящих материалов,и на них имеется ссылка). Материал 69, приведенный на фиг. 10 представляет собой термостойкий материал, который способен выдержать высокие температуры, необходимые для высокотемпературного теплообменника 29. Типичный изоляционный материал может включать оксиды алюминия или любого другого, подходящего для такого применения материала. Термостойкий материал 69 предотвращает тепловые короткие замыкания соседних витков теплопроводного материала 68 в спиралеобразной структуре. Материал 69 создает теплоизолирующий барьер, предотвращающий тепловые короткие замыкания в материале спирали 68. По одному из воплощений методом изготовления высокотемпературного теплообменника 29 может быть процесс прецизионного литья. Внутренние полые формы для литья высокотемпературного теплообменника 29 могут быть сделаны из воска, пригодного к обработке резанием. Материалы для изготовления высокотем 23 пературного теплообменника 29 заливают вокруг этих восковых форм. Керамический материал может быть в виде порошка, который смешивают с жидким связующим компонентом для получения шликера. Этот материал выкладывают слоями, чтобы получить чередующиеся слои проводящего материала 68 и изоляционного материала 69. В некоторых воплощениях воск,пригодный к обработке резанием, может не выдержать свой собственный вес по всей длине спирали, тогда его можно получить поэтапно. Однако в некоторых воплощениях может быть необходимо быстро собрать устройство 29, так,чтобы керамика еще не высохла. Это может потребоваться, если материалы 68 и 69 при последующем спекании должны сплавиться между собой. После того, как конструкция собрана целиком (что необязательно включает только высокотемпературный теплообменник 29, но может также включать другие части реактора),керамическому материалу следует дать время для отверждения. После отверждения полученную конструкцию следует нагреть для выплавления внутренних восковых форм. Конструкция в целом должна быть такой, чтобы воск вытекал, не образуя углублений воскового слоя в любой ее части. Когда воск выплавлен, то следует спекать конструкцию целиком. В альтернативном методе получения могут использоваться светоотверждаемые жидкие полимеры, трехмерная модель полной структуры которых сконструирована с помощью компьютера. Можно использовать компьютерную программу к срезу трехмерной модели, слой за слоем с помощью лазера проследить строение этого слоя внутри полимера. Излучение лазера должно вызвать затвердевание этого слоя полимера. Слой, находящийся над слоем отвержденного полимера,должен воссоздать форму всех внутренних полых структур внутри цельной керамической конструкции. Затем следует залить керамику в соответствующие слои вокруг отвержденной полимерной конструкции. После отверждения керамики из этой конструкции будет выплавляться полимер, а оставшаяся керамика должна подвергнуться спеканию. Другой метод изготовления может состоять в механической обработке твердых блоков керамического материала. На фиг. 10 А, 10 Б, 10 В и 10 Г показаны возможные формы внутренней структуры спиралей 30, 41 и 42 на фиг. 10. Эти формы могут представлять собой вариант эффективного увеличения площади поверхности внутренних структур и, следовательно, увеличения передачи тепла к жидкостям, протекающим по этим структурам и от них. Выступы зубообразной формы могут быть шире у стенок канала тока жидкости (такого, как спиралевидный канал 30 на фиг. 10 Б) и становится уже по направлению к центру канала. Более широкое основание обеспечивает большую теплопроводность материала способом, аналогичным тому, которым были разрабо 002240 24 таны теплопоглотители для охлаждения электронного оборудования. Эти выступы сами могут иметь на своей поверхности выступающие части, что еще увеличивает их площадь поверхности (это детализировано на фиг. 10 Г). В альтернативных воплощениях спиралей 30, 41 и 42 высокотемпературного теплообменника на фиг. 10 могут быть использованы различные формы конструкции спиралей. Эти формы могут также быть использованы в спирали 31 солнечного реактора первой ступени на фиг. 18, и в спирали 35 солнечного реактора второй ступени на фиг. 20. На фиг. 11 показана деталь другого воплощения высокотемпературного теплообменника 29 на фиг. 10, показано сечение спирали на фиг. 10, на котором наглядно видны тепловые прерыватели вдоль траектории спирали. Эти тепловые прерыватели содержат термоизоляционные материалы 70, ими может и материал 69 на фиг. 10. На фиг. 12 линиями представлены траектории теплообменника 29 на фиг. 10. Волнистыми линиями представлены спирали, показанные в высокотемпературном теплообменнике 29, их геометрическая ось является каналом подачи воды вверх, а четыре линии с каждой из сторон представляют собой канал водорода 41 и канал кислорода, по которым осуществляется их подача вниз. Указанная конструкция параллельна конструкции спирали. Такое представление направления движения линией, параллельной спирали, сделано для ссылки при обсуждении других воплощений (фиг. 13 и фиг. 14). Фиг. 13 представляет собой другое воплощение высокотемпературного теплообменника на фиг. 10, в котором двойная спираль содержит канал вывода водорода 42 и канал вывода кислорода 41, и она окружает спираль подачи воды 30, образуют целостную спираль. В этом воплощении объем выводимых газообразных водорода и кислорода больше, чем объем подаваемой воды и пара, причем отсутствуют параллельные каналы, как это было на фиг. 12. Фиг. 14 представляет собой другое воплощение высокотемпературного теплообменника на фиг. 10, в котором присутствует тройная спираль. Эта тройная спираль, спирали вокруг самого теплообменника образуют целостную спираль. Другой вариант должен иметь несоставную компоновку тройных спиралей, параллельных друг другу, что по устройству аналогично солнечному реактору третьей ступени 36 на фиг. 26. Эти спирали меньшего размера должны вызвать большие центробежные усилия. Спирали меньшего размера можно также использовать в других воплощениях высокотемпературного теплообменника 29 на фиг. 10,солнечного реактора первой ступени 32 на фиг. 18 и солнечного реактора второй ступени 34 на фиг. 20. Могут быть возможны другие воплощения. 25 Фиг. 15 представляет вид сверху другого воплощения высокотемпературного теплообменника 29 на фиг. 10, в котором каналы теплопередачи (в противоположность спиральным) находятся в одном плоском слое. В этом воплощении высокотемпературного теплообменника теплопроводящий материал 68 образует диск, в котором каналы жидкости обработаны механически. Тепловой прерыватель 70, который может включать теплоизоляционный материал или иметь воздушный зазор, предотвращает тепловое короткое замыкание внутри диска высокотемпературного теплообменника. Канал 30,подводящий воду и пар, находится между каналом 41, выводящим кислород, и каналом 42,выводящим водород. Вода и пар в канале 30 движутся в направлении, противоположном движению кислорода и водорода в каналах 41 и 42. Многочисленные высокотемпературные диски теплообменника соединены последовательно, что показано на виде сбоку на фиг. 16. Фиг. 16 представляет собой боковую проекцию фиг. 15, который является другим воплощением высокотемпературного теплообменника 29 на фиг. 10. В канале 30, 41 и 42 каждый теплообменный слой, состоящий из теплопроводящего материала 68, связан с другим слоем с помощью одного и того же высокотемпературного материала. Каждый слой отделен слоем теплового прерывателя из теплоизоляционного материала 69, что предотвращает тепловое короткое замыкание. Фиг. 17 представляет спиральный канал 31 внутри солнечного реактора первой ступени,изображенного на фиг. 18, где показан вид в разрезе солнечного реактора первой ступени. Этот спиральный канал аналогичен спиральному каналу 30 высокотемпературного теплообменника 29 на фиг. 10. Разновидности указанного спирального канала 31 могут иметь тот самый вид, который показан на фиг. 10 А, 10 Б, 10 В и 10 Д. Фиг. 18 представляет вид в разрезе солнечного реактора первой ступени 32. Все устройство может быть сделано из одного и того же теплопроводного материала. Перегретый пар из высокотемпературного теплообменника 29 на фиг. 10 поступает в основание солнечного реактора первой ступени 32. Этот пар поднимается вверх по спиралеобразному каналу 31. Центробежная сила спиралеобразного движения пара вызывает его сжатие внешними стенками канала 31, и поэтому увеличивает эффективность теплопередачи теплопроводного материала, из которого сделан указанный реактор первой ступени. Это может быть тот же самый материал, что и как теплопроводный материал 68 высокотемпературного теплообменника 29 на фиг. 10. Пар также находится под давлением, что в дальнейшем увеличит эффективность его теплопередачи. Это давление поддерживается с помощью сопла 33 на фиг. 1 и фиг. 2 и нагнетающего на 002240 26 соса 27 на фиг. 1 и фиг. 2. Каналы выхода высокотемпературного газа 38 и 39 на фиг. 18 предназначены для вывода газообразных водорода и кислорода соответственно. Фиг. 19 представляет собой спиралеобразный путь движения 35 внутри солнечного реактора второй ступени, показанного на фиг. 20. Этот спиралеобразный канал подобен спиралеобразному каналу 31 на фиг. 18, и спиралеобразному каналу 30 высокотемпературного теплообменника 29 на фиг. 10. Разновидности указанного спирального канала 35 могут иметь тот самый вид, который показан на фиг. 10 А, 10 Б,10 В и 10 Д. В другом воплощении реактора второй ступени 34 спиральный канал 35 также может содержать катализатор, размещенный внутри канала тока пара 35. Этот катализатор может оказывать воздействие, вызывающее диссоциацию пара при более низких температурах. Возможно применение сплавов платины,металлов платиновой группы или других каталитических сплавов. Фиг. 20 представляет вид в разрезе солнечного реактора второй ступени. Спиральный канал 35 можно заметить сверху около внешнего торца теплопроводного материала реактора. Поскольку сфокусированная солнечная энергия 57 на фиг. 2 бомбардирует внешний торец ядер 32, 34 и 36 реактора на фиг. 2, желательно наличие спирали около внешнего торца; их можно видеть в реакторе первой ступени на фиг. 18 и реакторе второй ступени на фиг. 20. Перегретый пар из солнечного реактора первой ступени 32 на фиг. 18 поступает в основание солнечного реактора второй ступени 34,пройдя через сопло 33 на фиг. 1 и фиг. 2. Этот пар поднимается по спирали канала 35 солнечного реактора второй ступени. Центробежная сила спиралеобразного движения пара вызывает его сжатие внешними стенками канала 35 и поэтому увеличивает эффективность теплопередачи теплопроводного материала, из которого сделан указанный реактор второй ступени (такой, как тот же материал, что и теплопроводный материал 68 высокотемпературного теплообменника 29 на фиг. 10). Пар также может быть под частичным разрежением, которое может снизить равновесные температуры. Это частичное разрежение можно поддерживать с помощью сопла 33 на фиг. 1 и фиг. 2, и вакуумных насосов 49 и 52 на фиг. 1 и фиг. 2. Введение катализатора внутрь канала 35 солнечного реактора второй ступени 34 на фиг. 20 может еще снизить равновесную температуру. Каналы выхода высокотемпературного газа 38 и 39 на фиг. 18 предназначены для вывода газообразных водорода и кислорода соответственно. На фиг. 21 показано изображение снаружи вихревой трубки 71 солнечного реактора третьей ступени 36. На указанном виде обозначены также вихревая насадка осевого вращения 72 и затвор перепуска кислорода 76. Фиг. 22, 23 и 24 27 представляют собой поперечный вид этой вихревой трубки. Фиг. 22 представляет собой поперечный вид вихревой трубки 71 внутри солнечного реактора третьей ступени 36 и трубопровода подачи 74. Равновесная смесь частично диссоциированного пара из канала 35 солнечного реактора второй ступени 35 на фиг. 2 поступает в указанный трубопровод 74. Этот трубопровод направляет равновесную смесь, в основном содержащую пар (но и водород, кислород и гидроксил), в вихревую насадку осевого вращения 72, в которую впрыскиватель 73 по касательной впрыскивает пар в вихревую трубку 71. Пар 75 описывает вихревое или спиралеобразное движение вокруг внутренней поверхности вихревой трубки 71 и выходит через затвор перепуска кислорода 76. Другие детали процесса, происходящего внутри этой вихревой трубки, будут объяснены на фиг. 25. Фиг. 23 показывает вид с торца детали одного воплощения форсунки впрыскивателя вихревой трубки солнечного реактора третьей ступени. Фиг. 23 изображает форсунку впрыскивателя 72 с одноканальным впрыскивателем 73. На этом рисунке пар, поступающий через канал впрыскивателя 73, вращается внутри вихревой трубки 72 в направлении, противоположном направлению часовой стрелки. Возможно изменить указанную конструкцию на конструкцию с вращением по часовой стрелке. Направление вращение не является фактором общего воплощения настоящего изобретения. Пар 75 спускается вниз по внутренней поверхности вихревой трубки 71 на фиг. 22. Фиг. 24 представляет собой детализованную проекцию другого воплощения вихревой трубки внутри реактора третьей ступени, и на ней показано более одного впрыскивателя 73 и трубопроводы подачи 74. Экспериментальное исследование показало, что количество впрыскивателей не может существенным образом влиять на функционирование различных воплощений вихревой трубки, хотя оно может увеличить количество пара, способного пройти сквозь указанную трубку. В разных воплощениях было использовано от 1 до 8 впрыскивателей. В таких воплощениях количество проходящего пара увеличивается почти пропорционально количеству впрыскивателей. Фиг. 25 представляет воплощение детализованной конструкции солнечного реактора третьей ступени 36 на фиг. 2, которая содержит указанную вихревую трубку. Материалами, используемыми в солнечном реакторе третьей ступени на фиг. 25, может быть высокотемпературная теплопроводящая керамика или другие материалы, способные функционировать при высоких температурах. Аналогичные материалы можно использовать в других объектах настоящего изобретения, таких как солнечные реакторы второй и третьей ступеней на фиг. 18 и фиг. 28 20 соответственно, и части высокотемпературного теплообменника 29, как это представлено на фиг. 10. На фиг. 25 сделана разная штриховка, чтобы были явно видны вихревая трубка и ее части внутри солнечного реактора третьей стадии, хотя в них использовался один и тот же материал. Равновесная смесь частично диссоциированного пара из канала солнечного реактора второй ступени 36 на фиг. 20 поступает в трубопровод 74 на фиг. 25. Этот трубопровод направляет равновесную смесь, в основном содержащую пар (но и водород, кислород и гидроксил), в вихревую насадку осевого вращения 72, в которую впрыскиватель 73 по касательной впрыскивает указанный пар в вихревую трубку 71. Пар 75 описывает вихревое или спиралеобразное движение вокруг вихревой трубки 71 и выходит через затвор перепуска кислорода 76. Этот пар распространяется из насадки впрыскивателя 73 к затвору перепуска кислорода 76,совершая спиралеобразное или вихреобразное движение. Это вихревое действие приводит к стратификации равновесной смеси, при которой более тяжелые компоненты кислорода мигрируют к наружной окружности указанной вихревой трубки 71, в то время как более легкие продукты водорода мигрируют по направлению к центру вихревой трубки 71. Полая труба отбора 77 проницаема для водорода и выводит его через небольшие отверстия перфорации. В иллюстративных воплощениях по всей длине трубы отбора водорода, за исключением участка 79 этой трубы, снабжены пористыми испарителями системы Порион. Водород выводят через высокотемпературный трубопровод 38. Участок 79 выводящей трубы 77 приспособлен, чтобы предотвратить выход скопления кислорода около затвора перепуска кислорода 76 по выводящей трубе 77. Удаление водорода сдвигает равновесие реакционной смеси, принуждая большее количество пара и гидроксила диссоциировать на большее количество водорода и кислорода, чтобы поддержать равновесный баланс при заданной температуре. Сфокусированная солнечная энергия 57 на фиг. 2 передается термическим путем и излучается от мишени 37 на солнечный реактор третьей ступени 36. Внешняя поверхность солнечного реактора третьей ступени 36 окружает указанную вихревую трубку 71, что видно на фиг. 25. В солнечном реакторе третьей ступени на фиг. 25 требуется непрерывная подача тепловой энергии, так как она необходима для непрерывной диссоциации пара на водород и кислород. Хотя в солнечных реакторах водорода первой и второй ступени требуется большое количество энергии, еще больше ее требуется в солнечном реакторе третьей ступени. Нарушение равновесия в солнечном реакторе третьей ступени предпочтительно может вызвать более высокий процент диссоциации, 29 чем тот, который мог быть достигнут. Эту особенность можно использовать для того, чтобы уменьшить количество рециклов и, следовательно, снизить количество энергии, теряемой в ходе этого процесса. Это также увеличивает производительность всей системы в целом за счет уменьшения числа рециклов. Кислород, оставшийся в вихревом трубопроводе 71 на фиг. 25, может вращаться вокруг затвора перепуска кислорода 76. Угол выходного отверстия затвора перепуска кислорода предпочтительно таков, что он соответствует естественному потоку, который стремятся занять выходящие газы. Указанный угол затвора перепуска кислорода в одном из воплощений показан на фиг. 5 таким, как он был определен экспериментально. Могут также функционировать и другие углы. Тот кислород, который растекается над затвором перепуска кислорода 76, поступает внутрь камеры 80. Камера 80 имеет такую форму, что она не мешает неустановившемуся перетоку кислорода из затвора перепуска кислорода 76 к высокотемпературному трубопроводу выхода кислорода 39. Камера 80 приспособлена,чтобы препятствовать разрыву потока, что могло бы мешать образованию вихря в вихревой трубке 71. В одном иллюстративном примере процесса по настоящему изобретению стальная вихревая трубка 71 реактора, показанная на фиг. 2124, заполнена бронзовой трубкой вывода водорода (что схематически показано на фиг. 25), а смесь газообразных водорода и азота вводится в этот реактор по касательной, образуя при этом вихрь. На выводящую трубу накладывают давление, и воспламеняющийся газовый поток,обогащенный газообразным водородом, извлекают из аксиальной области этого вихря, используя указанную выводящую трубку. Газовый поток, обогащенный азотом, получают из затвора перепуска кислорода 76. В другом воплощении указанной вихревой трубки 71 в равновесную смесь 75 может быть помещен катализатор 78, для того чтобы облегчить низкотемпературную диссоциацию пара. В одном испытании применяли платиновый катализатор на керамической трубчатой подложке для снижения температуры, требуемой для диссоциации примерно до 1300 С, а в другом испытании при применении разных каталитических структур — до 1426 С (во время этих испытаний реактор не функционировал так, чтобы поддерживать вихревое движение). Поток пара предпочтительно не создает помехи катализатору 78, так что стратификация не нарушается. В одном воплощении указанный катализатор осаждают на керамическую структуру, которая расположена спиралеобразно по тому же направлению движения, что и поток пара 75, проходящий сквозь вихревую трубку 71. Частичное разрежение, создаваемое процессом балансировки насосов 49 и 52 на фиг. 1 и 30 фиг. 2 может привести к тому, что для получения тех же уровней равновесных концентраций пара, водорода, кислорода и гидроксила требуются меньшие температуры. Позже непрореагировавший гидроксил может рекомбинировать с кислородом или водородом, давая при охлаждении в высокотемпературном теплообменнике(на фиг. 10) воду. Фиг. 25 А представляет собой другое воплощение солнечного реактора третьей ступени,в котором выводящая кислород труба 85 помещена в вихревую трубку 71. Кислород удаляют с периферии указанной вихревой трубки 71. При удалении только водорода и кислорода или их вместе может произойти нарушение равновесия. Фиг. 26 представляет собой вид в разрезе многочисленных узлов вихревых трубок внутри солнечного реактора третьей ступени 36 и смонтированных на крышке солнечного реактора второй ступени 34. На фиг. 26 изображено восемь солнечных реакторов третьей ступени,смонтированных внутри цилиндрического шаблона на крышке солнечного реактора второй ступени. Относительно небольшой внутренний диаметр этих вихревых трубок внутри указанных солнечных реакторов третьей ступени 36 может быть пригоден для того, чтобы за счет действия центробежных сил обеспечить послойное разделение равновесной реакционной смеси. В некоторых воплощениях вихревые трубки меньшего диаметра для того же объема пара создают значительно большие центробежные силы, чем вихревые трубки большего диаметра; однако, в некоторых воплощениях с вихревыми трубками небольшого диаметра послойное разделение может быть очень слабым. В некоторых воплощениях вихревые трубки большего диаметра могут обеспечить стратификацию очень высокого качества. В некоторых воплощениях угловые скорости пара в вихревой трубке могут быть существенно меньше молекулярной скорости этого пара, используемого в трубках большего диаметра. Фиг. 27, 28, 29 представляют собой другое воплощение — размещение солнечного реактора третьей ступени 36 относительно спирального солнечного реактора второй ступени 35. В этом воплощении обеспечивается спираль еще более незначительного диаметра. Равновесная смесь пара, водорода, кислорода и гидроксила (пара) размещается послойно по мере распространения указанного пара вдоль этой спирали. Когда парообразная смесь оказывается около конца первой спирали, ряд отсекателей разрезает этот поток, удаляя сгущение водорода с ее внешнего радиуса через выходное отверстие 38. В то же время сгущение кислорода удаляют с ее внутреннего радиуса через выходное отверстие 38; это изображено на фиг. 29, представляющем вид сверху описанного воплощения. 31 Промежуточные парообразные продукты перемещаются на следующую стадию, что видно по фиг. 27 и сводной проекции солнечного реактора третьей ступени на фиг. 28. В этом воплощении показаны три стадии, однако, можно использовать их большее или меньшее число. Фиг. 28 показывает, что на каждой стадии диаметр спиралей меньше, чем на предыдущей стадии. Это объясняется тем, что при меньшем количестве пара для поддержания определенных скоростей внутри указанной спирали для эффективного разделения необходим ее меньший радиус. Фиг. 28 представляет собой сводный вид сбоку другого воплощения солнечного реактора третьей ступени, показанного на фиг. 27. Фиг. 29 представляет собой вид сверху для воплощения, описанного на фиг. 28. Фиг. 30 представляет собой другое воплощение солнечного реактора третьей ступени. В этом воплощении используется альтернативная спиральная трубка. В этом воплощении стратификация происходит, когда реакционная смесь перемещается вниз по вихревой трубке 71 солнечного реактора третьей ступени 36, от вихревой насадки 72 по направлению к отверстию выхода водорода 38 и к отверстию выхода кислорода 39. Промежуточные продукты реакции пара и гидроксила перемещаются к вихревой трубке второй стадии, диаметр которой меньше, так как присутствует меньшее количество пара и требуется достаточная центробежная сила для послойного распределения этого пара по мере продолжения диссоциации на компоненты. Может быть использовано любое количество стадий. Фиг. 31 представляет собой вид сбоку типичной солнечной водородной станции, которую географически следует расположить в широтах, близких к экватору, где солнце стоит высоко в небе. Зеркало 81 следует за солнцем и фокусирует солнечное излучение 57 по направлению к куполу солнечного реактора на верхней части колонны 56. Фиг. 32 представляет собой вид сверху для фиг. 31. Управляемые компьютером зеркала 81 следуют за солнцем, чтобы сфокусировать его излучение на вершину колонн 56. Указанные зеркала размещены вокруг этой колонны. Фиг. 33 представляет собой вид сбоку типичной солнечной водородной станции, которую географически следует расположить в широтах, далеких от экватора, где угол солнца над горизонтом мал. Управляемые компьютером зеркала 81 следуют расположить севернее указанной колонны в северных широтах и южнее этой колонны в южных широтах. Некоторую долю солнечного излучения 57 от зеркал 81 направляют к зеркалу 82. Зеркало 82 отражает солнечное излучение 57 на ту часть колонны 56,которая не должна была бы получить солнечное излучение 57. Зеркалу 82 придана такая форма,что оно фокусирует свет на вершине колонны 56. Количество солнечного излучения, отражен 002240 32 ного от зеркала 82, должно быть очень остронаправленным. По этой причине зеркало 82 следует охлаждать водой. Воду, нагретую в результате охлаждения зеркала 82, можно использовать для предварительного подогрева в описываемом процессе. Фиг. 34 представляет собой вид сверху фиг. 33 и демонстрирует, каким образом должно быть изогнуто зеркало 82, чтобы оно отражало сфокусированную солнечную энергию 57 к затемненной стороне колонны. Фиг. 35 демонстрирует солнечную водородную станцию небольшого масштаба, которая использует специально профилированную отражающую кювету и непосредственно следует за солнцем. В этом случае размер тени, отбрасываемой куполом колонны 56, значителен по сравнению с размером площади улавливания зеркала 83. Зеркальный конусный рефлектор 84 помещен на вершину купола колонны 56. Конусный рефлектор 84 отражает солнечную энергию 57 так, чтобы она не облучала сам купол, но отражалась в специально сделанную по контуру торца зеркала зону 83. Торцевые контуры зеркала 83 отражают эту солнечную энергию 57 в купол на вершине указанной колонны 56. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Процесс получения водорода из воды,включающий:(а) нагревание воды до температуры ее диссоциации для получения реакционной смеси диссоциированной воды, содержащей газообразный кислород и газообразный водород;(б) формирование в реакционной смеси вихря, который подвергает эту реакционную смесь действию центробежных сил, направленных вдоль продольной оси внутреннего пространства вихревого трубчатого реактора так,что во внутреннем пространстве указанного реактора осуществляется радиальная стратификация газообразного водорода и газообразного кислорода; и(в) предпочтительное извлечение из этой реакционной смеси газообразного водорода на удаленных участках вдоль продольной оси внутреннего пространства вихревого трубчатого реактора. 2. Процесс получения водорода из воды,включающий:(а) нагревание воды до температуры ее диссоциации для получения реакционной смеси диссоциированной воды, содержащей газообразный кислород и газообразный водород;(б) формирование в реакционной смеси вихря, который подвергает эту реакционную смесь действию центробежных сил, направленных вдоль продольной оси внутреннего пространства вихревого трубчатого реактора так,что во внутреннем пространстве указанного реактора осуществляется радиальная стратифи 33 кация газообразного водорода и газообразного кислорода; и(в) предпочтительное извлечение из этой реакционной смеси газообразного кислорода с периферийных зон этого вихревого потока вдоль участков, удаленных от периферии вихревого трубчатого реактора. 3. Процесс по п.2, включающий, кроме того, предпочтительное извлечение газообразного водорода с периферийных зон этого вихревого потока вдоль участков, удаленных от периферии вихревого трубчатого реактора. 4. Процесс по пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что воду до температуры диссоциации нагревают с помощью солнечного излучения, сфокусированного на вихревом трубчатом реакторе. 5. Процесс по пп.1, 2, 3 или 4, отличающийся тем, что температура диссоциации воды составляет от приблизительно 1800 до приблизительно 3000 С. 6. Процесс по пп.1, 2, 3, 4 или 5, отличающийся тем, что указанную реакционную смесь приводят в контакт с катализатором, катализирующим диссоциацию воды на водород и кислород. 7. Процесс по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что предпочтительно, чтобы стадия экстракции включала применение вакуума для экстракции конкретного газа. 8. Вихревой трубчатый реактор, имеющий:(а) вытянутую стенку с двумя торцевыми поверхностями, при этом указанные стенка и торцевые поверхности вместе определяют внутреннее пространство, имеющее продольную ось,и они адаптированы к реализации вихревого процесса;(б) впускное отверстие на первой торцевой поверхности для тангенциального ввода газа во внутреннее пространство, чтобы этот газ начал периферийное движение по внутреннему пространству вдоль продольной оси при образовании вихревого потока;(в) трубку отвода водорода, расположенную концентрически во внутреннем пространстве вдоль продольной оси; причем эта трубка проницаема для газообразного водорода на участках, размещенных обособленно вдоль оси. 9. Вихревой трубчатый реактор, имеющий:(а) трубчатую стену с двумя торцевыми поверхностями, при этом указанные стенка и 34 торцевые поверхности вместе определяют внутреннее пространство, имеющее продольную ось,и они адаптированы к реализации вихревого процесса;(б) впускное отверстие на первой торцевой поверхности для тангенциального ввода газа во внутреннее пространство, чтобы этот газ начал периферийное движение по внутреннему пространству вдоль продольной оси при образовании вихревого потока;(в) трубку для отвода кислорода, расположенную концентрически во внутреннем пространстве вдоль продольной оси; причем эта трубка проницаема для газообразного кислорода на участках, размещенных обособленно вдоль оси. 10. Вихревой трубчатый реактор по п.9,содержащий, кроме того, трубку отвода водорода, концентрично расположенную во внутреннем пространстве вдоль продольной оси, причем эта трубка проницаема для газообразного кислорода на участках, размещенных обособленно вдоль оси. 11. Вихревой трубчатый реактор по любому из пп.8, 9 или 10, отличающийся тем, что указанный реактор содержит жаростойкий материал, способный выдержать температуру диссоциации воды. 12. Вихревой трубчатый реактор по п.11,отличающийся тем, что температура диссоциации воды составляет от приблизительно 1800 до приблизительно 3000 С. 13. Вихревой трубчатый реактор по любому из пп.8-12, содержащий, кроме того, катализатор, размещенный так, чтобы иметь контакт с вихрем, и приспособленный, чтобы катализировать диссоциацию воды на водород и кислород. 14. Вихревой трубчатый реактор по любому из пп.8-13, содержащий, кроме того, вакуумный насос, имеющий подвижную связь с выводящей трубой, для того, чтобы создать в выводящей трубе давление, более низкое, чем во внутреннем пространстве указанного вихревого трубчатого реактора. 15. Вихревой трубчатый реактор по любому из пп.8-14, имеющий, кроме того, средства фокусирования на вихревом трубчатом реакторе сфокусированной солнечной энергии.
<a href=»https://easpatents.com/23-2240-process-polucheniya-vodoroda-termicheskim-razlozheniem-vody.html» rel=»bookmark» title=»База патентов Евразийского Союза»>Процесс получения водорода термическим разложением воды</a>
Разложение воды углеродом твердого топлива Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»
УДК 662.7
РАЗЛОЖЕНИЕ ВОДЫ УГЛЕРОДОМ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
Канд. техн. наук, доц. НАЗАРОВ Н. С., инж. ОЛЕВАНОВ А. Ю.
Белорусский национальный технический университет, Институт тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова НАН Беларуси
Использование в энергетике водорода, производимого из воды, — одно из перспективных направлений технического прогресса. Это направление привлекательно тем, что запасы воды практически не ограничены. В настоящее время промышленное производство водорода и водородсодержащих продуктов в основном осуществляется путем паровой конверсии природного газа или метана. Отделение водорода от углерода в метане осуществляется водяным паром с использованием теплоты при температурах 1000-1100 К в химических паровых реакторах. При этом для осуществления эндотермических реакций сжигается дополнительно около половины исходного газа. С целью экономии природного газа исследуется много комбинаций химических реакций, в которых расщепляется не природный газ, а вода.
Разложение воды углеродом твердого топлива — один из способов получения газовой смеси с высоким содержанием водорода. Чтобы разложить воду, необходимо разорвать химическую связь водорода с кислородом. Это очень энергоемкий процесс. Так как в подобных процессах стремятся использовать ядерную энергию, появилось отдельное направление исследований — атомно-водородная энергетика.
Факт получения горючего газа разложением водяного пара раскаленным углем открыл итальянский ученый профессор Фелиций Фонтана [1], предложивший периодический способ разложения водяного пара раскаленным углем. Процесс разложения состоял из двух периодов: «горячего» и «холодного» дутья. В период «горячего» дутья в шахтную печь интенсивно вдувался воздух, и, сгорая, топливо в ней разогревалось до «белокалильного жара». «Горячий» период заканчивался прекращением воздушного дутья. Начинался «холодный» период вдуванием одного водяного пара. В этот период, по сути дела период разложения водяного пара
углеродом топлива, протекали эндотермические реакции за счет теплоты, накопленной в топливе в первом периоде. Температура в газогенераторе падала, процесс замедлялся вплоть до прекращения, приходилось снова разогревать топливо и начинать первый период и т. д.
В середине прошлого столетия в установках по газификации твердых топлив стали частично использовать водяной пар [2]. Смешанное паровоздушное или парокислородное дутье при газификации твердых топлив позволяет использовать «избыточную» теплоту, получаемую при газификации твердых топлив при его неполном сгорании для разложения водяного пара углеродом топлива.
Более качественный газогенераторный газ и меньшие затраты на очистку от азота воздуха получаются при парокислородном дутье. Однако при этом существенно дорожает конечный продукт, ибо в технологический процесс включается кислородная установка.
Газификация твердого топлива одним водяным паром осуществлялась в промышленности до последнего времени только периодическим способом. За весьма длительный промежуток времени (более 200 лет) техники различных стран использовали современную аппаратуру и приборы [3], а сущность способа оставалась неизменной.
В [4] предложен непрерывный способ разложения водяного пара углеродом твердого топлива. Газогенераторы, работающие по этому способу, должны состоять из двух частей [5]: 1) парогенератора высокотемпературного водяного пара низкого, близкого к атмосферному давления; 2) реактора. По [4-5] разработан, спроектирован и изготовлен на Минском заводе технологических металлоконструкций исследовательский газогенератор (рис. 1) и в лаборатории рациональной энергетики ИТМО НАН Беларуси оборудован экспериментальный стенд
для изучения процесса водоугольной газификации (ВУГ).
Рис. 1. Общий вид исследовательского газогенератора: 1 -конусная шахта реактора; 2 — наружный цилиндр парогенератора; 3 — электрическая спираль; 4 — реактивная зона; 5 — колошниковая решетка; 6 — песчаный затвор; 7 — нижний люк; 8 — топливо; 9 — верхний люк: 10 — патрубок; 11 — теплоизоляционный кожух; 12 — тренога; 13 — термопара; а — место входа пара в реакторную зону из пароперегревателя
В газогенераторе названные выше части можно выделить условно. Конструктивно они совмещены. Совмещение выполнено с целью исключения потерь теплоты при передаче перегретого пара из парогенератора в реактор и разогреве конструкции до температур газификации в период пуска.
Парогенератор ПГ (рис. 1) охватывает реактор Р снаружи. Он выполнен в виде кольцевого зазора между шахтой 1 реактора и наружным цилиндром 2 парогенератора. Перегрев водяного пара до высокой температуры при давлении, близком к атмосферному, осуществляется электрической спиралью 3, расположенной в кольцевом зазоре. Перегрев пара электрическим током выбран в исследовательском газогенераторе с целью точного и удобного контроля расходуемой энергии. В принципе, перегрев пара может осуществляться любым источником.
Электрическая спираль изготовлена из ни-хромовой проволоки диаметром 0,8 мм и в фарфоровых бусах, намотана по наружной поверхности конусной шахты. Общее сопротивление спирали постоянному току составляет 24 Ома. Электрическая спираль нагревает конструкцию шахты реактора и прилегающие к ее внутренним стенкам слои топлива. Такое ус-
тройство нагревателя позволяет снизить перерасход перегретого пара, необходимый при раздельном исполнении парогенератора и реактора, для разогрева конструкции в начальный период (период запуска) и в процессе газификации. При такой конструкции перегретый водяной пар является «донором» теплоты для эндотермических реакций газификации.
Шахта реактора изготовлена (сварена) в виде усеченного конуса из листовой стали толщиной 1,5 мм. Внутренний диаметр нижнего основания конуса — 120 мм, верхнего — 100 мм, высота — 600 мм.
Водяной пар движется в кольцевом зазоре сверху вниз, омывая электрическую спираль. Испарение воды может быть как в самом парогенераторе (кольцевом зазоре), так и вне его. В первом случае вода тонкой струйкой подается в кольцевой зазор на верхнюю, разогретую металлическую часть шахты (ввод Н2О) так, чтобы она не попадала на фарфоровые изоляторы. Во втором случае от внешнего испарителя (Исп) (рис. 2) через тот же штуцер подается пар. Второй вариант более надежный.
Температура перегрева пара зависит от скорости подачи воды и электрической мощности, подаваемой на спирали испарителя и пароперегревателя и измеряется хромель-алюмелевой термопарой 12. Нагрев спирали регулируется регулятором мощности РМ.
Снизу кольцевой зазор парогенератора свободно соединен с нижним основанием шахты реактора, и перегретый водяной пар, как показано стрелками на рис. 1, через колошниковую решетку 5 проходит в нижнюю часть (реактивную зону) 4 газогенератора. Он равномерно по сечению шахты продувается через топливо. Величина давления пара под решеткой определяется гидравлическим сопротивлением слоя топлива продувке.
Продукты газификации (генераторный газ) из реактивной зоны реактора поднимаются вверх по шахте, подогревают топливо, а сами охлаждаются до контролируемой температуры, выбираемой не ниже температуры конденсации водяных паров. Давление пара под колошниковой решеткой и температура отходящих газов также зависят от толщины засыпанного слоя топлива.
Зола отработанного топлива через колосниковую решетку просыпается вниз на песчаный
затвор 6. По мере накопления золы в затворе она периодически удаляется через нижний люк 7. Песчаный затвор закрывает доступ перегретого водяного пара в атмосферу.
Топливо 8, в качестве которого используется древесный уголь или каменноугольный кокс, периодически, по мере расходования, загружается в шахту через верхний люк 9. Газогенераторный газ отводится из верхней части шахты через патрубок 10. Снаружи газогенератор имеет теплоизоляционный кожух 11. Для удобства проведения работ вся конструкция газогенератора смонтирована на треноге 12.
На экспериментальном стенде в исследованиях совместно с газогенератором применялись вспомогательные устройства и приборы. Схема измерения параметров газификации представлена на рис. 2. Расход воды, подаваемой в парогенератор от водопроводной сети через жидкостный ротаметр РМ 064, изменялся в пределах 0-1,8 л/ч. Перед экспериментами ротаметр калибровался. Скорость подачи воды изменялась вентилем 2 ротаметра. В случае использования
испарителя от ротаметра вода подавалась через него (показано штриховой линией), а без испарителя — прямо в парогенератор.
Из газогенератора газ подавался в холодильник (конденсатор) 5, охлаждаемый проточной водой. Конденсированная влага собирается в мерный стакан 6. После конденсации влаги генераторный газ перед ротаметром Р-4Г частично подавался в отборник 8 анализатора водорода АВП-02Г. Для определения объемной концентрации остальных газов отбирались пробы газа, анализ которых проводился на хроматографе.
На рис. 3 приведена одна из первых диаграмм, записанных самописцем прибора ПСД-4. На прибор подавался сигнал от термопары, установленной под колошниковой решеткой, т. е. измерялась температура перегретого водяного пара до входа в реактивную зону. Установка включалась на сетевое напряжение 220 В. Электрический ток записывался амперметром и был равен 300 мА. на подъеме описывает разогрев установки. На спуске — охлаждение. Время t на диаграмме течет справа налево по оси абсцисс. Цена одного деления — 10 мин. По оси ординат измерялась температура. Верхняя точка перегиба кривой Т = /(?) равна 873 К.
На диаграмму температуры на рис. 3 нанесены показания содержания водорода в газогенераторном газе, записанные анализатором водорода АВП-02Г. Они выражены в процентах к общему объему сухого (после конденсации влаги) газа. Следует отметить, что полученные на экспериментальном стенде результаты новы и неожиданны, ибо при предварительном теоретическом исследовании процесса [6] получены зависимости, не совпадающие с экспериментальными.
По результатам первых экспериментальных исследований можно сказать, что водоугольная газификация начинается при температурах 480500 К, и уже при 630-650 К процесс идет достаточно активно, что значительно ниже температур 1000-1100 К [3]. Такая разница в температурах становится понятной при более внимательном анализе имеющихся сведений. Так,
в [3] температура 1100 °С — это температура раскаленного угля, а температура же водяного пара — 165-170 °С. Даже без учета теплоемко-стей реагентов (воды и углерода) среднеарифметическая температура процесса будет значительно ниже. Точка перегиба кривой h3 — f(t) свидетельствует о том, что в районе экстремума полученных температур изменяется характер ВУГ.
В Ы В О Д Ы
1. Запущен в эксплуатацию экспериментальный стенд для исследования ВУГ.
2. Первые экспериментальные результаты свидетельствуют о сложности процесса ВУГ и не могут быть объяснены по существующим представлениям.
3. Для понимания и практического применения способа необходимо провести дальнейшие всесторонние совместные теоретические и экспериментальные исследования.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Ламанский, С. И. О нефтяном, каменноугольном и водяном газе / С. И. Ламанский. — СПб., 1887
2. Газификация твердых топлив: тр. III науч.-техн. конф. — М., 1957.
3. Шорин, А. П. Автоматическое управление газогенераторами водяного газа и водорода / А. П. Шорин // Центральный бюллетень технической информации. — М., 1958.
4. Способ получения смеси водорода и угарного газа и парогенератор для получения высокотемпературного водяного пара: пат. 6476 BY; опубл. 30.09.04 // Бюл. изобр. — 2004. — № 3.
5. Киселев, Л. И. Разработка конструкции исследовательского водородуглеродного газогенератора / Л. И. Киселев, Т. М. Тавловская, Н. С. Назаров // Сб. докл. 59-й науч.-техн. конф. БНТУ. — Минск, 2006.
6. Назаров, Н. С. Расчет полноты реакций и превращения веществ при водоугольной газификации / Н. С. Назаров, И. Н. Назаров // Вестник БНТУ. — 2007. — № 4.
Поступила 10.01.2007
Как получают водород в промышленности: способы выделения
Водород считается одним из наиболее ценных видов сырья для синтеза аммиака и производства полимеров и нефтехимии. Он используется для получения твердых жиров из масел растительного происхождения. Из-за высокой химической активности вещество в чистом виде практически не встречается в природе. Основные источники для получения водорода в промышленности — метан, содержащийся в природном газе, и вода. Специалисты отмечают также перспективность разделения попутных газов коксового производства, которые на большинстве предприятий сжигаются.
Способы выделения водорода из соединений
Самые распространенные способы получения водорода в промышленности:
- паровая конверсия метана и его гомологов;
- газификация кокса;
- электролитическое разложение воды.
Особенности работы оборудования для получения водорода
Метановый конвертор
Оборудование для получения водорода в промышленности методом паровой конверсии имеет сложную конструкцию и компоновку. В его состав входят парогенератор, компрессорная станция, подогревающая установка, конверторы метана и угарного газа. Система подключена к подающей магистрали и потребителям. Извлечение водорода происходит при температуре до 1000° C под избыточным давлением и в присутствии катализатора. Перед этим сырье подогревается, очищается от серосодержащих примесей и перемешивается с водяным паром.
Восстановление водорода происходит в два этапа.
- После первой ступени конверсии продукт содержит до 10% метана, для разложения которого в смесь вводят атмосферный воздух.
- В конце процесса водород очищают от кислорода и оксидов углерода, а избыточное тепло направляют в котел-утилизатор для производства водяного пара.
Процесс полностью замкнут и энергетически независим, но требует применения сложных схем контроля. Несмотря на недостатки, большую часть водорода в промышленности получают как раз этим способом.
Установка газификации кокса
Технология заключается в пропускании перегретого водяного пара через слой кокса, каменного или бурого углей при температуре свыше 1000° C без доступа кислорода.Полученная смесь водорода и окиси углерода обрабатывается водяным паром. Один из наиболее перспективных способов применения продуктов газификации угля — сжигание на тепловых электростанциях, поскольку современные установки отчаются высокой производительностью, сравнительно низкой себестоимостью конечного продукта и способны работать в непрерывном режиме.
Электролизеры
При помощи электролитических установок водород получают как в промышленности, так и для коммерческого использования. На рынке присутствует оборудование разной производительности, а сырьем служит обычная вода. Установка представляет собой сосуд с раствором щелочи или средней соли, в который погружены два электрода. При пропускании постоянного тока на катоде выделяется водород. Вторичный продукт реакции — кислород — также используется для решения технологических задач. Доочистка позволяет получить на выходе технически и химически чистый водород. Электролизер с вспомогательным оборудованием для водоподготовки и осушения размещается на небольшой площади. Многие производители предлагают мобильные моноблочные и контейнерные установки.
Среди всех способов получения водорода в промышленности электролитический считается наиболее экологичным. Единственный его условный недостаток — зависимость от качества сети питания.
Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.
Настройка вашего браузера для приема файлов cookie
Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:
- В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
- Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
- Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
- Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
- Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.
Почему этому сайту требуются файлы cookie?
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.
Что сохраняется в файле cookie?
Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.
Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.
Влияние температуры термического разложения Co (NO3) 2 · 6h3O на морфологию продуктов нано-Co3O4 и электрокатализ окисления воды
Gray HB (2009) Энергия планеты солнечным топливом. Nat Chem 1 (1): 7. https://doi.org/10.1038/nchem.141
CAS Статья PubMed Google ученый
Дуан Х, Ли Д, Тан Й, Хе И, Цзи С., Ван Р, Лв Х, Лопес П.П., Пауликас А.П., Ли Х, Мао С.Х., Ван С., Маркович Н.М., Ли Дж., Стаменкович В.Р. , Li Y (2017) Высокопроизводительный электрокатализатор Rh 2 P для эффективного расщепления воды.J Am Chem Soc 139 (15): 5494–5502. https://doi.org/10.1021/jacs.7b01376
CAS Статья PubMed Google ученый
Кудо А. Мисеки Ю. (2009) Гетерогенные фотокаталитические материалы для расщепления воды. Chem Soc Rev 38 (1): 253–278. https://doi.org/10.1039/B800489G
CAS Статья PubMed Google ученый
Barbir F (2005) Электролиз PEM для производства водорода из возобновляемых источников энергии. Солнечная энергия 78 (5): 661–669. https://doi.org/10.1016/j.solener.2004.09.003
CAS Статья Google ученый
Чжан Б., Танг Х, Ли Й, Сюй И, Шен В. (2007) Производство водорода в результате парового риформинга этанола и глицерина на металлических катализаторах на основе оксида церия. Int J Hydrog Energy 32 (13): 2367–2373. https: // doi.org / 10.1016 / j.ijhydene.2006.11.003
CAS Статья Google ученый
Waheed QMK, Williams PT (2013) Производство водорода путем высокотемпературного пиролиза / парового риформинга отработанной биомассы: рисовой шелухи, жмыха сахарного тростника и пшеничной соломы. Энергетические топлива 27 (11): 6695–6704. https://doi.org/10.1021/ef401145w
CAS Статья Google ученый
May MM, Lewerenz HJ, Lackner D, Dimroth F, Hannappel T (2015) Эффективное прямое преобразование солнечной энергии в водород путем преобразования границы раздела фаз тандемной структуры на месте. Нац Коммуна 6: 8286. https://doi.org/10.1038/ncomms9286
CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый
Momeni MM, Ghayeb Y (2015) Фотоэлектрохимическое расщепление воды под действием видимого света на гетерогенных фотоанодах с нанотрубками ZnO – TiO 2 .J Appl Electrochem 45 (6): 557–566. https://doi.org/10.1007/s10800-015-0836-x
CAS Статья Google ученый
Zheng W, Man HW, Ye L, Tsang SCE (2017) Электровосстановление диоксида углерода до муравьиной кислоты и метанола на палладий / полианилиновом катализаторе в кислотном растворе: исследование эффекта размера палладия. Energy Technol 5 (6): 937–944. https://doi.org/10.1002/ente.201600659
CAS Статья Google ученый
Роджер И., Шипман М.А., Саймс М.Д. (2017) Природные катализаторы электрохимического и фотоэлектрохимического расщепления воды. Нат Рев Хем 1 (1): 0003. https://doi.org/10.1038/s41570-016-0003
CAS Статья Google ученый
Du P, Eisenberg R (2012) Катализаторы на основе богатых землей элементов (Co, Ni, Fe) для расщепления воды: недавний прогресс и будущие проблемы. Energy Environ Sci 5 (3): 6012–6021.https://doi.org/10.1039/C2EE03250C
CAS Статья Google ученый
Chattopadhyay J, Srivastava R, Srivastava PK (2013) TiO, легированный никелем 2 полые сферы в качестве электрокатализаторов в электролизе воды для производства водорода и кислорода. J Appl Electrochem 43 (3): 279–287. https://doi.org/10.1007/s10800-012-0509-y
CAS Статья Google ученый
Wang J, Cui W, Liu Q, Xing Z, Asiri AM, Sun X (2016) Последние достижения в разработке гетерогенных катализаторов на основе кобальта для электрохимического расщепления воды. Adv Mater 28 (2): 215–230. https://doi.org/10.1002/adma.201502696
CAS Статья PubMed Google ученый
Ван Дж, Гао Й, Чен Д., Лю Дж, Чжан З, Шао З, Чуччи Ф. (2018) Расщепление воды с помощью улучшенного бифункционального двойного перовскита. ACS Catal 8 (1): 364–371.https://doi.org/10.1021/acscatal.7b02650
CAS Статья Google ученый
Азиз М.А., Эль-Мадхум А., Хаким А.С., Шейх М.Н., Рехман А.У., Ямани З.Х. (2017) Влияние прекурсоров Mn на морфологию и электрокаталитическую активность по отношению к водному окислению микронаноструктурированных пленок MnOx, полученных с помощью вольтамперометрического осаждения . J Mater Sci: Mater Electron 28 (24): 18463–18473. https://doi.org/10.1007/s10854-017-7793-6
CAS Статья Google ученый
Najafpour MM, Renger G, Hołyńska M, Moghaddam AN, Aro EM, Carpentier R, Nishihara H, Eaton-Rye JJ, Shen JR, Allakhverdiev SI (2016) Соединения марганца как водоокисляющие катализаторы: из природного водоокислительного комплекса наноразмерным структурам оксида марганца. Chem Rev 116 (5): 2886–2936. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.5b00340
CAS Статья PubMed Google ученый
Метте К., Бергманн А., Тессонье Дж. П., Хэвекер М., Яо Л., Ресслер Т., Шлёгль Р., Штрассер П., Беренс М. (2012) Наноструктурированный оксид марганца, нанесенный на углеродные нанотрубки для электрокаталитического расщепления воды.ChemCatChem 4 (6): 851–862. https://doi.org/10.1002/cctc.201100434
CAS Статья Google ученый
Hamdani M, Singh R, Chartier P (2010) Co 3 O 4 и бифункциональные кислородные электроды из оксидов шпинели на основе Co. Int J Electrochem Sci 5 (4): 556–577.
CAS Google ученый
Li WY, Xu LN, Chen J (2005) Co 3 O 4 наноматериалов в литий-ионных батареях и газовых сенсорах.Adv Funct Mater 15 (5): 851–857. https://doi.org/10.1002/adfm.200400429
CAS Статья Google ученый
Wang Y, Zhou T, Jiang K, Da P, Peng Z, Tang J, Kong B, Cai WB, Yang Z, Zheng G (2014) Восстановленный мезопористый Co 3 O 4 нанопроволоки как эффективные электрокатализаторы окисления воды и электроды суперконденсаторов. Adv Energy Mater 4 (16): 1400696. https://doi.org/10.1002/aenm.201400696
CAS Статья Google ученый
Ma TY, Dai S, Jaroniec M, Qiao SZ (2014) Гибрид, полученный из металлоорганического каркаса Co 3 O 4 -углеродные пористые массивы нанопроволок в качестве электродов обратимого выделения кислорода. J Am Chem Soc 136 (39): 13925–13931. https://doi.org/10.1021/ja5082553
CAS Статья PubMed Google ученый
Zhang N, Fan Y, Fan H, Shao H, Wang J, Zhang J, Cao C (2012) Cross-Linked Co 3 O 4 наностенки, синтезированные электрохимическим окислением металлического слоя кобальта для выделения кислорода. ECS Electrochem Lett 1 (2): H8 – h20. https://doi.org/10.1149/2.013202eel
CAS Статья Google ученый
Fan Y, Zhang N, Zhang L, Shao H, Wang J, Zhang J, Cao C (2013) Синтез малогабаритных отдельно стоящих Co 3 O 4 нанолистов с улучшенной активностью для H 2 O 2 зондирование и выделение кислорода.J Electrochem Soc 160 (2): F218 – F223. https://doi.org/10.1149/2.016303jes
CAS Статья Google ученый
Zhou X, Xia Z, Tian Z, Ma Y, Qu Y (2015) Ультратонкие пористые нанопластинки Co 3 O 4 как высокоэффективные катализаторы выделения кислорода. J Mater Chem A 3 (15): 8107–8114. https://doi.org/10.1039/C4TA07214F
CAS Статья Google ученый
Chen S, Zhao Y, Sun B, Ao Z, Xie X, Wei Y, Wang G (2015) Синтез мезопористого Co с помощью микроволн. Интерфейсы приложения ACS Mater 7 (5): 3306–3313. https://doi.org/10.1021/am508136k
CAS Статья PubMed Google ученый
Fan Y, Shao H, Wang J, Liu L, Zhang J, Cao C (2011) Синтез пеноподобных отдельно стоящих Co 3 O 4 нанолистов с повышенной электрохимической активностью.Chem Commun 47 (12): 3469–3471. https://doi.org/10.1039/C0CC05383J
CAS Статья Google ученый
Sun Y, Gao S, Lei F, Liu J, Liang L, Xie Y (2014) Атомно-тонкие пористые листы неслоистого оксида кобальта для высокоэффективных электрокатализаторов, выделяющих кислород. Chem Sci 5 (10): 3976–8982. https://doi.org/10.1039/C4SC00565A
CAS Статья Google ученый
Zhao J, Zou Y, Zou X, Bai T, Liu Y, Gao R, Wang D, Li GD (2014) Самостоятельная конструкция полых Co 3 O 4 микросфер из пористых ультратонких нанолистов и эффективных благородных металлов -безводные катализаторы окисления. Наномасштаб 6 (13): 7255–7262. https://doi.org/10.1039/C4NR00002A
CAS Статья PubMed Google ученый
Qasem MAA, Aziz MA, Hakeem AS, Onaizi SA (2018) Получение нано-Co 3 O 4 прямым термическим разложением гексагидрата нитрата кобальта (II) для электрохимического окисления воды.Curr Nanosci 14 (2): 154–159. https://doi.org/10.2174/1573413713666171201150215
CAS Статья Google ученый
Йео Б.С., Белл А.Т. (2011) Повышенная активность оксида кобальта, нанесенного на золото, на электрохимическое выделение кислорода. J Am Chem Soc 133 (14): 5587–5593. https://doi.org/10.1021/ja200559
CAS Статья PubMed Google ученый
Jung S, McCrory CCL, Ferrer IM, Peters JC, Jaramillo TF (2016) Сравнительный анализ электрокатализаторов на основе наночастиц оксида металла для реакции окисления щелочной водой. J Mater Chem A 4 (8): 3068–3076. https://doi.org/10.1039/C5TA07586F
CAS Статья Google ученый
Ghosh D, Giri S, Das CK (2014) Гидротермальный синтез тромбоцитов β Co (OH) 2 и Co 3 O 4 : материал интеллектуального электрода для накопления энергии.Environ Prog Sustain Energy 33 (3): 1059–1064. https://doi.org/10.1002/ep.11874
CAS Статья Google ученый
Как скорость разложения влияет на температуру, доступность воды и кислорода — Разложение — AQA — GCSE Biology (Single Science) Revision — AQA
Разложение — это разложение мертвого вещества, которое часто называют гниением. Разлагающиеся бактерии и грибки — это организмы, которые помогают процессу разложения.Разложение имеет решающее значение для круговорота элементов, таких как углерод, от одного живого организма к другому. Вы можете узнать больше о круговоротах углерода и воды здесь.
Скорость распада — это скорость, с которой мертвое вещество разрушается декомпозициями. Скорость можно оценить путем измерения изменений pH (например, в молоке), изменения массы (разлагающиеся фрукты и овощи) или изменения температуры (скашивание травы). На скорость распада влияет ряд ключевых факторов.
Температура
При более низких температурах разлагающиеся организмы будут менее активными, поэтому скорость разложения остается низкой.Вот почему мы храним еду в холодильнике. При повышении температуры разлагатели становятся более активными и скорость увеличивается. При очень высоких температурах разлагатели погибнут, и разложение прекратится.
Вода
При небольшом количестве воды или ее отсутствии разложение меньше, потому что разлагающие вещества не могут выжить. По мере увеличения объема доступной воды скорость разложения также увеличивается. Многие разлагатели выделяют ферменты на разлагающееся вещество, а затем поглощают любые растворенные молекулы.Без воды эти реакции не могут происходить.
Кислород
Как и вода, разложителям нужен кислород для выживания, и без него разложение практически отсутствует. Кислород необходим для дыхания многих деструкторов, чтобы они могли расти и размножаться. Вот почему мы часто запечатываем продукты в пакетах или пищевой пленке перед тем, как положить их в холодильник. По мере увеличения объема доступного кислорода скорость разложения также увеличивается. Некоторые деструкторы могут выжить без кислорода. Мы используем их в генераторах биогаза.
Египтяне мумифицировали своих мертвых королей и королев. Этот процесс удалил всю воду из мумии и, таким образом, не позволил разрушителям разрушить мертвую ткань.
Археологи нашли очень старые останки людей, упавших в торфяные болота. Знаменитым примером этого был Человек Толлунд. В торфяных болотах низкий уровень кислорода, низкая температура и кислая вода, которые могут естественным образом мумифицировать мертвые останки, аналогично процессу, который предприняли египтяне.
Взаимодействие между температурой, влажностью и концентрацией кислорода при регулировании скорости разложения в почве бореального леса
Исследовательская статья 10 февраля 2017 г.
Исследовательская статья | 10 февраля 2017 г.
Карлос А.Сьерра 1 , Саадатулла Малгани 1 и Генри У. Лешер 2,3 Карлос А. Сьерра и др. Карлос А. Сьерра 1 , Саадатулла Малгани 1 и Генри У. Лешер 2,3- 1 Институт биогеохимии Макса Планка, Hans-Knöll Str. 10, 07745 Йена, Германия
- 2 Национальная сеть экологических обсерваторий Баттель, 1685 38-я улица, Boulder, CO 80301, USA
- 3 Институт арктических и альпийских исследований (INSTAAR), Университет Колорадо, Боулдер, CO 80309, США
- 1 Институт биогеохимии Макса Планка, Hans-Knöll Str. 10, 07745 Jena, Germany
- 2 Battelle National Ecological Observatory Network, 1685 38th St., Boulder, CO 80301, USA
- 3 Институт арктических и альпийских исследований (INSTAAR), Университет Колорадо, Боулдер, Колорадо 80309, США
Для корреспонденции : Карлос А.Сьерра ([email protected])
Скрыть данные об авторе Получено: 2 ноября 2016 г. — Начало обсуждения: 8 ноября 2016 г. — Исправлено: 24 января 2017 г. — Принято: 27 января 2017 г. — Опубликовано: 10 февраля 2017 г.Определение экологического контроля разложения почвенного органического вещества имеет важное значение для разработки моделей, которые прогнозируют влияние изменения окружающей среды на глобальные запасы углерода в почве. Существует неопределенность в отношении мер экологического контроля скорости разложения при экстремальных температурах и влажности, особенно при высоких уровнях содержания воды и высоких температурах.Неизвестно, связано ли наблюдаемое снижение скорости разложения при высоких температурах со снижением теплоемкости внеклеточных ферментов, как предсказывает термодинамическая теория, или с одновременным снижением влажности почвы. Также неясно, ограничивает ли кислород скорость разложения при высоком содержании воды. Здесь мы представляем результаты полного факторного эксперимента с использованием органических почв из бореальных лесов, инкубированных при высоких температурах (25 и 35 ° C), в широком диапазоне порового пространства, заполненного водой (WFPS; 15, 30, 60, 90%). , и контрастные концентрации кислорода (1 и 20%).Мы нашли подтверждение гипотезе о том, что скорость разложения высока при высоких температурах при условии, что для разложения доступно достаточно влаги и кислорода. Кроме того, мы обнаружили, что скорость разложения в основном ограничивается концентрацией кислорода при высоких уровнях влажности; даже при 90% WFPS разложение протекало с высокой скоростью в присутствии кислорода. Наши результаты предполагают важную степень взаимодействия между температурой, влажностью и кислородом при определении скорости разложения в масштабе ядра почвы.
Темпы разложения подстилки и дыхания почвы в зависимости от температуры почвы и воды в разновозрастных лесах Pinus massoniana в районе водохранилища Трех ущелий, Китай
Abstract
Чтобы лучше понять динамику и круговорот углерода в почве в наземных экосистемах в ответ на изменения окружающей среды, мы изучили дыхание почвы, разложение подстилки и их связь с температурой почвы и содержанием воды в почве в течение 18 месяцев (август.2010 – янв. 2012) в трех разновозрастных лесах Pinus massoniana в районе водохранилища Трех ущелий, Китай. За весь экспериментальный период среднее общее дыхание почвы и респираторной подстилки составляло 1,94 и 0,81, 2,00 и 0,60, 2,19 и 0,71 мкмоль CO 2 м −2 с −1 , а оставшаяся сухая масса подстилки составляла 57,6%. , 56,2% и 61,3% в 20-, 30- и 46-летних лесах соответственно. Мы обнаружили, что временные изменения скорости дыхания почвы и разложения подстилки могут быть хорошо объяснены температурой почвы на глубине 5 см.Как общее дыхание почвы, так и дыхание подстилки достоверно положительно коррелировали со скоростью разложения подстилки. Средний вклад дыхания подстилки в общее дыхание почвы составил 31,0–45,9% для трех разновозрастных лесов. Настоящее исследование показало, что на общее дыхание почвы не оказывал значительного влияния возраст леса, когда насаждений P. masonniana превышали определенный возраст (например,> 20 лет), но оно значительно увеличивалось с повышением температуры почвы.Следовательно, стратегии лесопользования должны защищать подлесневую растительность, чтобы ограничить потепление почвы, чтобы сократить выбросы CO 2 в условиях быстрого глобального потепления в настоящее время. Вклад разложения подстилки в общее дыхание почвы варьируется в пространственных и временных масштабах. Это указывает на необходимость отдельного рассмотрения дыхания почвы и подстилки при оценке воздействия климата на круговорот углерода в лесах.
Образец цитирования: Xiao W, Ge X, Zeng L, Huang Z, Lei J, Zhou B и др.(2014) Скорость разложения подстилки и дыхания почвы в зависимости от температуры почвы и воды в лесах разновозрастного Pinus massoniana в районе водохранилища Трех ущелий, Китай. PLoS ONE 9 (7): e101890. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0101890
Редактор: Дафенг Хуэй, Университет штата Теннесси, Соединенные Штаты Америки
Поступила: 4 декабря 2013 г .; Одобрена: 12 июня 2014 г .; Опубликовано: 8 июля 2014 г.
Авторские права: © 2014 Xiao et al.Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.
Финансирование: Эта работа была поддержана Специальной программой исследований в лесной промышленности Государственного управления лесного хозяйства Китая (проект № 201104008), Национальным «двенадцатым пятилетним» планом для проекта науки и технологий Китая (2011BAD38B04). Цзыгуйская национальная станция экологических исследований лесов и фонды премии CFERN & GENE на экологическую бумагу.Финансирующие организации не играли никакой роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.
Конкурирующие интересы: Это исследование частично поддержано фондами CFERN & GENE Award Funds. Нет никаких патентов, продуктов в разработке или продаваемых продуктов, которые можно было бы декларировать. Это не влияет на соблюдение авторами всех политик PLOS ONE в отношении обмена данными и материалами, как подробно описано в руководстве для авторов.
Введение
Дыхание почвы является основным процессом, контролирующим потерю углерода (C) из наземных экосистем [1].В глобальном масштабе почвенное дыхание выбрасывает в атмосферу примерно 80 Пг C в год [2], что, по оценкам, составляет 20–38% от общих годовых биогенных выбросов CO 2 в атмосферу [3]. Учитывая прогнозируемое увеличение концентрации CO 2 в атмосфере, подстилка как основной источник углерода для общего оттока CO 2 из почвы будет увеличиваться [4]. Опад представляет собой основной поток углерода из растений в почву, и, следовательно, изменения в поступлении подстилки, вероятно, будут иметь далеко идущие последствия для динамики углерода в почве [5].Разложение играет важную роль в определении почвенного углерода, попадающего в атмосферу [6], [7], и, следовательно, судьба углерода, содержащегося в подстилке, играет важную роль в долгосрочном связывании углерода в лесных почвах [8], [9] ]. Общее дыхание вместе с данными о поступлении в подстилку можно использовать для оценки динамики углерода в почвах [10], [11]. Чтобы лучше понять и спрогнозировать динамику и круговорот углерода в почве в наземных экосистемах в меняющемся мире, все еще необходимы исследования взаимосвязи между дыханием почвы и разложением подстилки в ответ на изменения окружающей среды.
Было обнаружено, что потоки надземной подстилки сильно коррелируют с дыханием почвы, а манипуляции с опадом оказывают сильное влияние на отток CO из почвы. 2 [12]. В нескольких исследованиях изучается вклад слоя опада из листьев в дыхание почвы [4], [13], [14], [15]. Райх [2] показал, что поток углерода почвы от дыхания в 2,8–3,0 раза превышает поток углерода от продукции надземной подстилки. Бухманн [16] обнаружил, что годовая потеря углерода через дыхание почвы (710 г C · м −2 год −1 ) была выше, чем поступление углерода в годовой надземный опад (240 г C · м −2 год ). −1 ).Прево-Буре и др. [4] показали, что добавление свежей подстилки значительно увеличило общий отток CO 2 из почвы. Sayer et al. [5] указали, что дыхание почвы было в среднем на 20% ниже при удалении подстилки и на 43% выше при добавлении подстилки по сравнению с контролем.
В глобальном масштабе дыхание почвы в основном контролируется температурой и осадками [17]. Многие исследования показали, что температура почвы является основным фактором, определяющим скорость дыхания почвы [18] и разложения подстилки, и, таким образом, потепление почвы увеличивает скорость разложения мелких древесных остатков в лесах умеренного пояса [19].Однако Юсте и др. [17] обнаружили, что дыхание почвы нечувствительно к температуре в приморских лесах с умеренным климатом в конце весны и летом, когда содержание влаги в почве было ограниченным. Fierer et al. [20] показали, что температурная чувствительность разложения подстилки зависит от типа подстилки и степени разложения. Эти результаты показывают, что дыхание почвы и разложение подстилки зависят от климатических переменных, таких как температура почвы и осадки [21]. Таким образом, необходимо посмотреть, сохраняется ли температурная чувствительность дыхания почвы и разложения подстилки в изменяющемся мире.
Pinus massoniana Баранина. аборигенный вид с высокой адаптивностью и устойчивостью к засухе и почвам с низким плодородием, но с низкой продуктивностью в субтропических регионах Китая. P. massoniana леса занимают площадь около 2 миллионов квадратных километров в Китае и являются одним из наиболее важных типов растительности, имеющих ключевое экологическое значение в районе водохранилища Трех ущелий [22]. Однако взаимосвязь между дыханием почвы и разложением подстилки у P.massoniana еще не изучены. Основываясь на долгосрочных исследованиях разложения подстилки, Aerts и de Caluwe [23] пришли к выводу, что начальная частота дыхания подстилки является надежным индикатором долгосрочной разложимости подстилки. Настоящее исследование направлено на изучение связи дыхания почвы и разложения подстилки в лесах с разным возрастом P. massoniana , чтобы предоставить базовые знания для оценки баланса углерода и динамики лесов в этих лесах. Мы выдвинули гипотезу, что 1) динамика дыхания почвы является надежным индикатором скорости разложения подстилки, 2) дыхание почвы и разложение подстилки имеют одинаковую чувствительность к температуре и 3) одновременное влияние температуры и содержания влаги в почве на разложение подстилки. и дыхание почвы значительны у разновозрастных P.massoniana леса.
Материалы и методы
Заявление об этике
Эта работа была одобрена Цзигуйской национальной лесоэкологической исследовательской станцией. В нашем исследовании, связанном с разложением подстилки и дыханием почвы, не участвовали находящиеся под угрозой исчезновения или охраняемые виды, а также не было нанесено ущерба или уничтожения растительности и животных, хотя участки исследования были расположены на охраняемой территории для дикой природы в районе водохранилища Трех ущелий, Китай.
Место исследования и леса
Участки исследования были расположены в округе Цзыгуй (110 ° 00′14 ″ –111 ° 18′41 ″ в.д., 30 ° 38′14 ″ –31 ° 11′31 ″ с.ш.), провинция Хубэй, Китай.В регионе субтропический муссонный климат со средней годовой температурой 17–19 ° C и среднегодовым количеством осадков 1000–1250 мм, выпадающих в основном в период с апреля по сентябрь. Исследуемые леса представляют собой чистых насаждений P. massoniana на почве Haplic Luvisol [24], из которых Camellia oleifera , Loropetalum chinensis , Cotinus coggygria и Echinochloa crusgalli Verulonicastrum Характеристики лесов / участков приведены в Таблице 1.Таблица 1 показывает, что 30-летние леса имели более низкие средние значения содержания органического вещества почвы и общего содержания азота по сравнению с двумя другими лесами.
В эксперименте участвовали 20, 30 и 46 лет P . massoniana лесов, каждый с тремя пространственно разделенными насаждениями ( n = 3) на одинаковых высотах (± 50 м). Каждый стенд имеет площадь более 1 га. В центре каждого насаждения в июне 2010 г. был создан участок размером 20 м × 30 м. На каждом участке определяли скорость разложения подстилки и дыхания почвы.
Дыхание почвы, температура почвы и влажность почвы
Шесть хомутов из поливинилхлорида (ПВХ) (внутренний диаметр 19,6 см и высота 10 см) были случайным образом установлены на глубину 5 см для отбора проб почвенного дыхания на каждом участке в июле 2010 г. Подстилки на трех из них оставались нетронутыми. шесть воротников и были удалены в трех других случайно выбранных воротниках ( n = 3). Первое измерение было проведено в августе 2010 г., то есть через месяц после установки ошейника.Дыхание почвы измеряли с помощью переносной почвенной системы CO 2 Flux (LI-COR Inc., Линкольн, Северная Каролина, США) [25]. Все измерения дыхания почвы проводились в период с 08:00 до 11:00 (по местному времени), чтобы избежать смещения суточных изменений, согласно нашим пилотным тестам (данные не показаны). Каждое измерение обычно занимает около 12 минут. Все хомуты из ПВХ были установлены стационарно на протяжении всего периода экспериментов. Дыхание почвы измерялось ежемесячно с августа 2010 г. по январь 2012 г. (т.е. всего 18 раз повторных измерений).
Температура почвы (T 5 ) и влажность почвы на глубине 5 см регистрировались рядом с каждой дыхательной манжетой почвы. Температуру почвы измеряли датчиком температуры почвы. Объемное содержание влаги в почве (SWC) измерялось с помощью тета-зонда (EM50, Decagon, США), который был откалиброван в соответствии с типом почвы на участках в соответствии с процедурой, описанной Delta-T (Luan et al. 2011).
Эксперимент по разложению помета
Разложение листового опада изучали с использованием стандартной методики «мешков для мусора» [26].В каждой клетке подстилки из свежих опавших листьев собирали вручную и сушили на воздухе в мае 2010 г., а затем хорошо перемешивали для эксперимента по разложению. Части образцов подстилок из высушенных воздухом листьев сушили в печи при 70 ° C до постоянного веса для расчета коэффициента преобразования между высушенными воздухом и высушенными в печи листьями. Первоначальное качество подстилки было проанализировано и обобщено в таблице 2. Таблица 2 показала, что опад из листьев 30-летних насаждений имел более высокие отношения C / N и лигнин / N, чем опавшие листья двух других насаждений.
Двадцать граммов высушенных на воздухе подстилок из листьев помещали в мешок с нейлоновой сеткой размером 20 см × 20 см и размером ячеек 1 мм. В июне 2010 г. мы разместили 36 мешков с наполнителем для мусора на каждом участке, и в общей сложности было размещено 324 мешка для разложения (3 леса × 3 стойки × 36 мешков на стойку). Мешки для мусора, лежащие на поверхности подстилки, крепились стальными сетками. Свежевыпавшие подстилки над мусорными мешками убирались ежемесячно. Шесть сумок из каждого стенда были получены через 90 дней (2 ноября 2010 г.), 180 дней (2 февраля 2011 г.), 270 дней (2 мая 2011 г.), 360 дней (2 августа 2011 г.), 450 дней (2 ноября 2011 г.). 2011) и 540 дней (31 января 2012 г.) разложения поля соответственно.Каждый мешок для мусора чистили щеткой для удаления внешних загрязнений и мусора, а затем оставшийся мусор помещали в бумажный мешок и сушили в печи при 70 ° C до постоянного веса. Содержание воды в подстилке (LWC) также рассчитывалось для каждого образца.
Анализ данных
Общая частота дыхания почвы определялась как сумма дыхания подстилки плюс дыхание почвы без подстилки. По данным Sayer et al. [5], дыхание почвы и подстилки рассчитывалось с использованием уравнения (1) (1) где R L — дыхание подстилки, R (L-) — дыхание почвы без подстилки (т.е.е. подстилка в ошейнике удалена), а рупий — общее дыхание почвы. Каждый R был рассчитан с использованием уравнения (2) [3] 🙁 2) где R — дыхание почвы или подстилки, T — температура на глубине 5 см ( T 5 ), α — частота дыхания при T = 0 ° C, а β — подобранный коэффициент температурной реакции, согласно Рей [27].
Температурная чувствительность ( Q 10 ) дыхания почвы (уравнение 3) [28] и потери массы подстилки (уравнение 4) [29] рассчитывалась с использованием следующих уравнений: (3)
(4), где β — подобранный параметр, k 1 и k 2 — константы скорости интересующего процесса при двух наблюдаемых температурах T 1 и T 2 .
Совместное влияние температуры почвы и влажности почвы на ее дыхание было рассчитано с использованием уравнения (5), согласно Saiz et al. [5]. (5) где R s — общее дыхание почвы, T — температура почвы на глубине 5 см, SWC — содержание влаги в почве на глубине 5 см, a , b , c , d являются подобранными параметрами.
Скорость разложения оценивалась с использованием модели однократного экспоненциального распада (6) [30] 🙁 6) где M t — это сухая масса подстилки в момент времени t , M 0 — исходный помет масса, t — временной интервал выборки, а k — годовая постоянная спада.
Повторные измерения ANOVA использовались для проверки влияния возраста леса (между участниками), времени (внутри субъекта) и их взаимодействия на дыхание почвы, дыхание подстилки, дыхание почвы без подстилки и скорость разложения подстилки. Для сравнения скорости потери листьев в подстилке применяли однофакторный и одномерный дисперсионные анализы с последующим тестом Тьюки. Экспоненциальный регрессионный анализ использовался для изучения взаимосвязи между факторами окружающей среды (температура почвы и содержание воды в почве) и скоростью дыхания или разложения подстилки, а также взаимосвязи между дыханием почвы и скоростью разложения подстилки.Для расчета годовых констант скорости разложения ( k ) оставшейся сухой массы подстилки применялась модель с логарифмическим преобразованием. Все статистические анализы были выполнены с использованием программного пакета SPSS 16.0 для Windows (SPSS Inc., Чикаго, США).
Результаты
Динамика дыхания почвы и подстилки
Дыхание подстилки, дыхание почвы без подстилки и общая скорость дыхания почвы не менялись в зависимости от возраста леса в течение экспериментального периода (Таблица 3). Значения всех этих параметров существенно менялись со временем, показывая очевидную сезонность.Влияние возраста леса на подстилку и дыхание почвы менялось со временем, показывая значительную взаимосвязь между древостоями и временем (Таблица 3). Дыхание подстилки имело самое низкое значение в январе и достигло пика в мае / июне, тогда как общее дыхание почвы и дыхание почвы без подстилки имело более низкие показатели зимой и более высокие показатели летом, с самыми высокими показателями в августе и самыми низкими значениями в Январь (рис. 1). Таким образом, максимальное значение дыхания подстилки произошло почти на месяц раньше, чем пиковое значение общего почвенного дыхания и безопадочного дыхания почвы (рис.1).
Рис. 1. Сезонные закономерности и месячная динамика общего дыхания почвы (•), дыхания подстилки (○) и дыхания почвы без подстилки () в разновозрастных лесах Pinus massoniana (среднее ± 1SD, n = 9).
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0101890.g001
Таблица 3. Влияние возраста леса и времени отбора проб на общее дыхание почвы, дыхание почвы без подстилки и дыхание подстилки в лесах Pinus massoniana протестированы с использованием дисперсионных анализов с повторными измерениями.
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0101890.t003
Среднее годовое дыхание почвы без подстилки составило 1,47 ± 0,92 (среднее ± 1 стандартное отклонение), 1,58 ± 0,83 и 1,68 ± 0,99 мкмоль CO 2 м −2 с −1 в насаждениях возрастом 20, 30 и 46 лет соответственно (рис.1). Среднее дыхание подстилки составило 0,81 ± 0,66, 0,60 ± 0,66 и 0,71 ± 0,77 мкмоль CO 2 м −2 с −1 в 20-, 30- и 46-летних насаждениях соответственно ( Рисунок 1). Частота дыхания подстилки всегда была ниже, чем частота дыхания бесподстилочной почвы, за исключением отдельных случаев в ноябре и декабре (рис.1).
Общее дыхание почвы было несколько выше ( P > 0,05) в 46-летних насаждениях, чем в 20- и 30-летних насаждениях летом, но оно было значительно выше ( P = 0,05) в 30-летних насаждениях, чем в двух других насаждениях зимой (табл. 3, рис. 1). Суммарная скорость дыхания почвы увеличивалась от весны к лету и достигла максимальных значений 3–4 мкмоль CO 2 м –2 с –1 в июле / августе (рис. 1).Среднее общее дыхание почвы за экспериментальный период составило 1,94 ± 1,28, 2,00 ± 1,0 и 2,19 ± 1,51 мкмоль CO 2 м −2 с −1 в 20-, 30- и 46-летнем возрасте. старые насаждения соответственно (рис. 1).
Разложение подстилки и его связь с дыханием почвы
Скорость разложения листового опада статистически не различалась для разновозрастных насаждений (данные не показаны) и следовала схожей закономерности на протяжении всего времени разложения (рис.2). После 540 дней разложения в поле оставшаяся подстилка варьировала от 57,6% в 20-летних насаждениях до 56,1% в 30-летних и 61,3% в 46-летних насаждениях по сравнению с их начальная масса (рис. 2). Скорость разложения подстилки была относительно медленной и постоянной в течение первых шести месяцев, а затем увеличивалась с наступлением сезона дождей. Скорость разложения была ниже в засушливый период с марта по июнь (180–270 дней), чем в жаркий сезон летом.
Экспоненциальная модель разложения была подогнана к экспериментальным данным (рис. 2). Годовые коэффициенты скорости разложения ( k ) составили 0,29 (20-летние насаждения), 0,33 (30-летние насаждения) и 0,30 (46-летние насаждения). Предполагаемый оставшийся подстилок составлял 64,9%, 61,1% и 64,5% в 20-, 30- и 46-летних насаждениях после 540 дней полевого разложения, соответственно. Прогнозируемые данные по массе подстилки оставались немного завышенными по сравнению с данными измерений (рис. 2). Неожиданно более высокие значения массы подстилки, оставшейся на 270 дней в 30- и 46-летних насаждениях, могут быть вызваны систематической ошибкой в отношении неконтролируемых условий полевых экспериментов и более низкой скоростью разложения в засушливый период с марта по май (e .грамм. 180–270 дней) (рис. 2).
Общее дыхание почвы, дыхание подстилки и дыхание почвы без подстилки по отношению к разложению подстилки имело сходные закономерности для трех древостоев, показывая квадратичную функцию ( R 2 = 0,37, 0,45, 0,30 и P = 0,03, 0,01, 0,07 соответственно; см. Рис.3). Средний процентный вклад дыхания подстилки в общее дыхание почвы составил 45,9% (от 19,1 до 72,6% за экспериментальный период) в 20-летних насаждениях 31.0% (14,3–47,6%) для насаждений 30-летнего возраста и 38,3% (15,6–61,0%) для насаждений 46-летнего возраста. Вклад дыхания подстилки в общее дыхание почвы зимой был больше, чем летом.
Рис. 3. Зависимость между среднемесячным разложением подстилки и общим дыханием почвы (a), дыханием подстилки (b) и скоростью дыхания почвы без подстилки (c) для разновозрастных лесов Pinus massoniana .
Примечание: частота дыхания — это среднее значение за период разложения подстилки.
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0101890.g003
Скорость дыхания почвы и разложения подстилки в зависимости от температуры почвы и влажности
Среднегодовая температура почвы ( T 5 ) составила 12,64 ° C (от 2,40 ° C в январе до 23,60 ° C в июле) в 20-летних насаждениях — 15,08 ° C (от 2,80 до 25,80 ° C). C) в 30-летних насаждениях и 12,83 ° C (от 2,70 до 25,53 ° C) в 46-летних насаждениях (рис. 4). Среднегодовая влажность почвы и подстилка (LWC) составила 19.70% и 20,86%, 16,28% и 16,70%, 20,29% и 20,36% в возрастных группах 20, 30 и 46 лет соответственно (рис. 4).
Наблюдались значительные экспоненциальные зависимости между температурой почвы ( T 5 ) и общим дыханием почвы ( R 2 = 0,80, P <0,001; рис. 5a), дыханием подстилки ( R ). 2 = 0,53, P <0,001; рис. 5c), или дыхание почвы без подстилки ( R 2 = 0.83, P <0,001; Рис. 5д). Соответствующее значение Q 10 составило 2,25 для общего дыхания почвы, 2,10 для дыхания подстилки и 2,36 для дыхания почвы без подстилки. Четкой связи между дыханием и влажностью почвы не обнаружено (рис. 5б, г, е).
Рис. 5. Взаимосвязь между общим дыханием почвы (a, b), дыханием подстилки (c, d), дыханием почвы без подстилки (e, f) и температурой почвы на глубине 5 см или содержанием влаги в почве на глубине 5 см в разновозрастные Pinus massoniana лесов за 18 месяцев полевых наблюдений.
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0101890.g005
Совместное влияние температуры и влажности почвы на ее дыхание было значительным для трех древостоев ( R 2 = 0,70, 0,42, 0,69, все P <0,001; таблица 4). Комбинированного влияния температуры почвы и содержания воды в почве или подстилке на дыхание подстилки не наблюдалось (Таблица 4).
Таблица 4. Функции и параметры соответствия модели (значения n , R 2 и P ) между измеренным дыханием почвы с температурой почвы (T), влажностью почвы (SWC) и содержанием влаги в подстилке ( LWC) в лесах Pinus massoniana .
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0101890.t004
Было обнаружено, что влажность почвы незначительно значимо линейно коррелирует с разложением подстилки ( R 2 = 0,043, P = 0,051; Рис. 6б). Разложение подстилки значимо квадратично коррелировало с температурой почвы ( R 2 = 0,58, P <0,001; рис. 6a). Температурная чувствительность (значение Q 10 ) потери массы подстилки составила 1.5.
Обсуждение
Влияние возраста леса на дыхание почвы и подстилки
Ewel et al. [31] предположили, что дыхание почвы снижается с возрастом леса в лесах умеренного пояса, в то время как оно увеличивается с возрастом леса в тропических и субтропических лесах. Настоящее исследование показало, что возраст леса влияет на дыхание подстилки в течение вегетационного периода и влияет на дыхание почвы без подстилки и общее дыхание почвы в период покоя (Таблица 3). Наши результаты показывают, что влияние возраста леса на дыхание почвы может быть вызвано в основном корнями с точки зрения количества (биомасса корней) и качества (мелкая фракция корней), которые увеличиваются с увеличением возраста леса [32].Предыдущие исследования показали, что возраст леса оказывает значительное положительное влияние на дыхание почвы на плантациях Pinus taeda [33] и в дубовых лесах с умеренным климатом [32]. Tang et al. [34] и Bolstad et al. [35] обнаружили, что дыхание почвы сначала увеличивалось, а затем уменьшалось с увеличением возраста леса. Saiz et al. [36] обнаружили, что дыхание почвы снижается с возрастом леса на более молодых этапах развития ельников Ситки. Эти результаты показывают, что влияние возраста леса на дыхание почвы различается в зависимости от вида деревьев и структуры древостоя, вероятно, связанного с количеством тонких корней и качеством почвенных резервуаров углерода [36].
Наши результаты показали, что влияние возраста леса на дыхание подстилки и почвы было нелинейным. Например, средняя частота дыхания подстилки составляла 0,66, 0,54 и 0,74 мкмоль CO 2 м –2 с –1 для 20-, 30- и 46-летних насаждений соответственно. Такое более низкое дыхание подстилки в 30-летних насаждениях, по-видимому, является результатом более низкого содержания органического вещества почвы и содержания азота (Таблица 1), что, возможно, привело к снижению микробной активности почвы [37].Более низкое дыхание подстилки в 30-летних насаждениях также может быть результатом более низкого исходного качества подстилки по сравнению с таковым в двух других насаждениях (Таблица 2), поскольку качество подстилки напрямую влияет на скорость разложения подстилки [1]. Hättenschwiler и Gasser [38] показали, что скорость разложения достоверно положительно коррелировала с концентрацией N в подстилке ( R 2 = 0,75, P = 0,025), но отрицательно коррелировала с соотношением C / N в помете ( R 2). = 0.72, P = 0,032) и отношение лигнин / N ( R 2 = 0,75, P = 0,026). Bini et al. [39] обнаружили, что подстилка с соотношением C / N <25 легко разлагается. Fanin et al. [40] сообщили, что качество субстрата подстилки (содержание N, P) было наиболее важным фактором, объясняющим наблюдаемые пространственные вариации дыхания почвы, а более высокая частота дыхания была связана с высоким содержанием азота и фосфора в подстилке.
Saiz et al. [36] указали, что интерактивное воздействие абиотических и биотических факторов может изменять влияние возраста леса на дыхание почвы.Предыдущие исследования показали как повышенную [41], так и пониженную [42] скорость разложения в хронологической последовательности древостоев. Наше настоящее исследование показало, что скорость разложения подстилки существенно не различалась в зависимости от возраста леса (Таблица 3), это может быть вызвано различием в питательных веществах почвы между тремя насаждениями (Таблица 1). Наше предыдущее исследование с насаждений P. massoniana показало, что скорость разложения была выше в почвах, бедных питательными веществами, чем в богатых питательными веществами насаждениях [26]. Аналогичным образом Barlow et al.[43] обнаружили, что вторичные виды ( Vismia sp. И Bellucia sp.) Разлагались медленнее, чем первичный лес ( Bertholettia sp.) На сукцессионных стадиях. Pandey et al. [44] показали, что естественные дубовые ( Quercus sp.) Леса имели более низкий уровень питательных веществ в почве и большее количество опада с более высокой скоростью разложения по сравнению с дубовыми плантационными лесами. Эти исследования показывают, что не только возраст леса, но и другие факторы, такие как условия местности (например, питательные вещества почвы) и качество подстилки, взаимодействуют, влияя на разложение подстилки [26], [43].
Влияние температуры почвы и содержания воды на дыхание и разложение подстилки
Изменение температуры почвы является одним из наиболее важных факторов, определяющих сезонные и суточные колебания дыхания почвы [17], а дыхание почвы очень чувствительно к изменениям температуры поверхности [45]. Настоящее исследование показало, что значительное влияние температуры почвы на дыхание можно хорошо описать с помощью простых моделей экспоненциальной регрессии (рис. 5a, c, e), которые подтверждают результаты Shi et al.[46] и Zimmermann et al. [1]. Фанг и Монкрифф [45] показали, что реакция дыхания почвы на температуру обычно описывалась с помощью экспоненциальных уравнений, и, таким образом, температурная чувствительность дыхания почвы ( Q 10 ) снижалась в диапазоне высоких температур. С другой стороны, Davidson et al. [28] обнаружили, что температурная чувствительность дыхания почвы ( Q 10 ) снижалась при засухе или дефиците воды. Луан и др. [47] предположили, что и химические, и физические характеристики почвы способствовали вариациям Q 10 .Таким образом, наше исследование показало, что Q 10 составляло 2,25 для общего дыхания почвы, 2,10 для дыхания подстилки и 2,36 для дыхания почвы без подстилки.
Считается, что дыхание почвы в значительной степени зависит от наличия воды [48]. В нашем исследовании мы не обнаружили какой-либо четкой связи между дыханием и содержанием влаги в почве (рис. 5б, г и е). Предыдущие исследования показали широкий спектр взаимосвязей между дыханием и влажностью, включая линейные [49], квадратичные [50], экспоненциальные [28], логарифмические [51] и гиперболические [52] отношения, что указывает на то, что физические (например,g .. диффузия), физиологические (осморегуляция) и биохимические (динамика ферментов) факторы взаимодействуют, влияя на взаимосвязь дыхания и влажности [48]. Недавно Мойано и др. [53] заявили, что дальнейшие исследования должны быть сосредоточены на уменьшении неопределенностей во взаимосвязи влаго-дыхания.
Температура почвы существенно взаимодействует с почвенной водой, влияя на ее дыхание (Таблица 4), вероятно, потому, что более высокая температура может привести к снижению содержания воды в почве и наоборот [28].Borken et al. [54] показали, что совокупное влияние температуры и содержания воды на дыхание почвы представляет собой множественную линейную регрессию. Lellei-Kovács et al. [55] показали, что взаимодействие между температурой и влажностью на дыхании почвы было очевидным для линейной модели.
Дэвидсон [28] обнаружил, что температура почвы объясняет 80% изменений дыхания почвы, и не было очевидной связи между содержанием воды в почве и ее дыханием. Peng et al. [56] указали, что чувствительность дыхания почвы к температуре или влажности еще не была адекватно определена количественно, потому что большинство опубликованных результатов, как правило, привязаны к конкретному участку, и никакие модели не получили широкого признания и повсеместного использования.
В соответствии с результатами Fiere et al. [20], мы обнаружили, что влияние температуры почвы на скорость разложения подстилки хорошо описано квадратично ( R 2 = 0,58, P <0,001), что указывает на то, что как более низкие, так и более высокие температуры приводят к уменьшению разложения. ставки (рис. 6а). Однако наши результаты не согласуются с результатами Аэртса [57], который заявил, что потепление привело к увеличению скорости разложения.
Было обнаружено, что скорость разложения подстилки положительно реагирует на повышенную влажность почвы [58].В настоящем исследовании более высокая температура привела к снижению влажности почвы в 30-летних насаждениях (рис. 4). Более высокая температура обычно стимулирует, но более низкая влажность почвы снижает скорость дыхания и разложения [55]. Cortze [21] и De Santo et al. [59] сообщили, что влажность почвы была наиболее важной на ранней стадии разложения, а не на поздних стадиях. Однако в условиях полевых экспериментов трудно обнаружить чистое воздействие влаги на дыхание или разложение, потому что все факторы взаимодействуют, влияя на разложение подстилки, а влияние температуры может усиливаться с увеличением влажности [19].
Климатические факторы, такие как температура и влажность по отдельности и вместе, влияют на разложение подстилки [26]. Butenschoen et al. [60] предположили, что разложение подстилки увеличивается с повышением температуры при обработке с высоким содержанием влаги и уменьшается с повышением температуры при обработке с низким содержанием влаги. Многие исследования не смогли найти положительных реакций разложения подстилки на потепление при ограничении влажности [57]. Кортез [21] сообщил, что отношения между скоростью разложения подстилки и отношением влажности почвы к температуре (H / T) имеют полиномиальную функцию ( y = a x 2 + b x + c), и температура почвы, по-видимому, была основным определяющим фактором на влажных участках, в то время как влажность почвы была наиболее важным фактором на ранних стадиях разложения в засушливый период.
Взаимосвязь между дыханием почвы и разложением подстилки
Подстилка является основным источником углерода для дыхания почвы [6]. Subke et al. [7] показали, что увеличение поступления подстилки способствует дыханию ризосферы и активности ризосферы, что приводит к увеличению дыхания почвы. Рейнольдс и Хантер [6] показали, что дыхание почвы значительно снижается при удалении подстилки. Увеличение количества подстилки стимулировало микробную активность почвы и потерю углерода почвой за счет микробного дыхания [61].В нашем исследовании общее дыхание почвы (рис. 3а) было положительно квадратично коррелировано со скоростью разложения подстилки, что указывает на то, что скорость дыхания почвы может быть надежным индикатором долгосрочной разлагаемости подстилки и динамики углерода подстилки. Точно так же Aerts и de Caluwe [23] сообщили, что частота дыхания подстилки положительно коррелировала со скоростью потери массы подстилки.
Мы обнаружили, что скорость разложения подстилки и дыхание почвы имели одинаковую температурную чувствительность и достигли пика летом.Это может означать, что дыхание почвы и разложение подстилки в настоящем исследовании контролируются схожими факторами окружающей среды [26]. Более того, мы обнаружили, что дыхание подстилки достигло пика почти на месяц раньше, чем дыхание почвы без подстилки и общее дыхание почвы (рис. 1), что отчасти может быть вызвано сезонностью состава микробного сообщества [46], связанной с окружающей средой. условия, как сообщает Berryman et al. [62].
Было обнаружено, что добавление или исключение свежей подстилки значительно увеличивает или уменьшает общий отток CO из почвы. 2 , соответственно [4], [61].Настоящее исследование показало, что средний вклад дыхания подстилки в общее дыхание почвы колеблется от 31,0% (30-летние насаждения) до 45,9% (20-летние насаждения) (см. Также [1], [27] ). Бухманн [16] подсчитал, что скорость дыхания почвы снижается на 10–20% при удалении подстилки и полуразложившегося слоя подстилки и даже снижается на 30-40% при дополнительном удалении слоя гумуса.
Вклад дыхания подстилки в общее дыхание почвы, по-видимому, варьируется в зависимости от района исследования, видов деревьев и плодородия почвы [63].Бергер и др. [10] предположили, что разлагающаяся подстилка составляла 22–32% (участки с высоким содержанием оснований) и 11–28% (участки с низким содержанием оснований) в общем дыхании почвы. В экосистемах хвойных лесов умеренного пояса расчетный вклад дыхания листовой подстилки в общее дыхание почвы сильно колеблется от 2% (ранняя весна) до 20% (середина лета) [4]. Cisneros-Dozal et al. [66] также обнаружили, что вклад разложения листового опада в общее дыхание почвы увеличивался с 5 ± 2% (6 ± 3 мг C м −2 час −1 ) во время кратковременной засухи до 37 ± 8% ( 63 ± 18 мг С · м -2 час -1 ) сразу после добавления воды, что указывает на влияние доступности воды на вклад.В нашем исследовании вклад дыхания листовой подстилки в общее дыхание почвы был больше зимой, чем летом. Возможное объяснение состоит в том, что более низкая зимняя температура ограничивает корневое дыхание, а изменение дыхания подстилки менее важно для общего дыхания почвы, чем корневое дыхание [63]. Следовательно, на дыхание почвы, очевидно, влияют многие биотические и абиотические факторы, включая корневую биомассу и активность корней во времени [64].
В заключение, настоящая статья показала, что влажность и температура почвы играют сложную роль в определении дыхания и разложения в пространственных и временных масштабах у P.massoniana изученных лесов. На кажущуюся температурную чувствительность дыхания почвы и разложения подстилки влияет не только почвенная вода, но и широкий спектр факторов, включая питательные вещества почвы и качество подстилки [55], [65]. Вклад разложения подстилки в общее дыхание почвы варьируется в пространственных и временных масштабах. Эти результаты подчеркивают необходимость отдельного рассмотрения дыхания почвы и подстилки при оценке воздействия климата на круговорот углерода в лесах [62].
Благодарности
Выражаем благодарность коллективу Ключевой лаборатории экологии лесов и окружающей среды за химический анализ. Мы также благодарим анонимных рецензентов за полезные предложения по рукописи. Финансирующие организации не играли никакой роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.
Вклад авторов
Задумал и спроектировал эксперименты: WX XG. Проведены эксперименты: XG LZ ZH JL. Проанализированы данные: XG ML.Предоставленные реагенты / материалы / инструменты для анализа: XG WX ML. Написал бумагу: XG ML БЖ.
Список литературы
- 1. Циммерманн М., Меир П., Берд М., Малхи Ю., Чахуана А. (2009) Вклад подстилки в суточное и годовое дыхание почвы в тропическом горном облачном лесу. Биология и биохимия почвы 41: 1–3.
- 2. Raich JW (1998) Надземная продуктивность и дыхание почвы в трех гавайских тропических лесах. Экология и управление лесами 107: 309–318.
- 3. Raich JW, Schlesinger WH (1992) Глобальный поток углекислого газа в дыхании почвы и его связь с растительностью и климатом. Теллус 44B: 81–89.
- 4. Прево-Бурэ, Северная Каролина, Судани К., Дамесин С., Бервейлер Д., Лата Дж. К. и др. (2010) Увеличение количества надземной свежей подстилки чрезмерно стимулирует дыхание почвы в лиственных лесах с умеренным климатом. Прикладная экология почвы 46: 26–34.
- 5. Sayer EJ, Powers JS, Tanner EVJ (2007) Увеличение количества опадания в тропических лесах увеличивает перенос CO 2 почвы в атмосферу.PLoS ONE 12: e1299.
- 6. Рейнольдс BC, Хантер MD (2001) Реакция дыхания почвы, питательных веществ почвы и разложения подстилки на поступление травоядных животных под пологом. Биология и биохимия почвы 33: 1641–1652.
- 7. Subke JA, Hahn V, Battipaglia G, Linder S, Buchmann N и др. (2004) Обратная связь между разложением хвои и активностью ризосферы. Oecologia 139: 551–559.
- 8. Смоландер А., Левула Т., Китунен В. (2008) Реакция разложения подстилки и преобразований углерода и азота почвы в рубках ухода за елью обыкновенной на удаление остатков лесозаготовок.Экология и управление лесами 256: 1080–1086.
- 9. Fioretto A, Musacchio A, Andolfi G, De Santo AV (1998) Динамика разложения подстилок различных видов сосны в корсиканском сосновом лесу. Биология и биохимия почвы 30: 721–727.
- 10. Berger TW, Inselsbacher E, Zechmeister-Boltenstern S (2010) Выбросы углекислого газа из почв под чистыми и смешанными насаждениями из бука и ели, подверженные разложению смесей подстилки из листвы. Биология и биохимия почвы 42: 986–997.
- 11. Meier CL, Bowman WD (2008) Связь между химией растительного опада, видовым разнообразием и функцией подземных экосистем. Слушания Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки 105: 19780–19785.
- 12. Schaefer DA, Feng W.T., Zou XM (2009) Углерод, выделяемый растениями, и факторы окружающей среды сильно влияют на дыхание почвы в субтропических лесах на юго-западе Китая. Биология и биохимия почвы 41: 1000–1007.
- 13.Rubino M, Dungait JAJ, Evershed RP, Bertolini T, Angelis PD и др. (2010) Поступление углерода под землю является основным потоком углерода, способствующим потере массы листового опада: данные эксперимента с помеченными листьями 13 C. Биология и биохимия почвы 42: 1009–1016.
- 14. Kammer A, Schmidt MWI, Hagedorn F (2012) Путь разложения 13 лишенного углерода листового опада в лесных почвах швейцарской Юры. Биогеохимия 108: 395–411.
- 15.Tu TTN, Egasse C, Zeller B, Bardoux G, Biron P и др. (2011) Ранняя деградация растительных алканов в почве: эксперимент с мусорным мешком с использованием листьев, меченных C-13. Биология и биохимия почвы 11: 2222–2228.
- 16. Бухманн Н. (2000) Биотические и абиотические факторы, контролирующие скорость дыхания почвы в Picea abied насаждениях. Биология и биохимия почвы 32: 1625–1635.
- 17. Юсте Дж. К., Янссенс И. А., Каррара А., Мейресон Л., Сеулеманс Р. (2003) Интерактивное влияние температуры и осадков на дыхание почвы в приморском сосновом лесу умеренного климата.Физиология деревьев 23: 1263–1270.
- 18. Бонд-Ламберти Б., Томсон А. (2010) Повышение глобального показателя дыхания почвы, связанное с температурой. Природа 464: 579–583.
- 19. Berbeco MR, Melillo JM, Orians CM (2012) Прогревание почвы ускоряет разложение мелких древесных остатков. Растения и почва 344: 10–1007.
- 20. Fiere N, Craine JM, McLauchlan K, Schiml JP (2005) Качество подстилки и температурная чувствительность разложения. Экология 86: 320–326.
- 21. Cortez J (1998) Полевое разложение листовых подстилок: взаимосвязь между скоростью разложения и влажностью почвы, температурой почвы и активностью дождевых червей. Биология и биохимия почвы 30: 783–793.
- 22. Сяо В.Ф., Ли Дж.В., Ю К.К., Ма Дж., Ченг Р.М. и др. (2000) Экология наземных животных и растений в Трех ущельях реки Янцзы. Чунцин: Издательство Педагогического университета Юго-Западного Китая. 320–321.
- 23. Aerts R, Caluwe H (1997) Первоначальное дыхание подстилки как индикатор длительного разложения опада видов Carex .Ойкос 80: 353–361.
- 24. Gong ZT (2003) Китайская таксономия почв (пересмотренное предложение). Пекин: China Science Press.
- 25. Ян Л.М., Чен С.П., Хуанг Дж. Х., Лин Г. Х. (2010) Дифференциальные реакции авто- и гетеротропного дыхания почвы на добавление воды и азота в степи со средней температурой. Биология глобальных изменений 16: 2345–2357.
- 26. Aerts R (1997) Климат, химия листового опада и разложение листового опада в наземных экосистемах: треугольная взаимосвязь.Ойкос 79: 439–449.
- 27. Рей А., Пегораро Е., Тедески В., Де Парри И., Джарвис П. Г. и др. (2002) Годовые изменения дыхания почвы и его компонентов в зарослях дуба в Центральной Италии. Биология глобальных изменений 8: 851–866.
- 28. Дэвидсон Э.А., Белк Э., Бун Р.Д. (1998) Содержание влаги в почве и температура как независимые или смешанные факторы, контролирующие дыхание почвы в лесах с умеренным климатом и смешанными лиственными породами. Биология глобальных изменений 4: 217–227.
- 29.Киршбаум MUF (1995) Температурная зависимость разложения органического вещества почвы и влияние глобального потепления на хранение органического углерода в почве. Биология и биохимия почвы 27: 753–760.
- 30. Олсон Дж. С. (1963) Хранение энергии и баланс продуцентов и деструкторов в экологических системах. Экология 44: 322–331.
- 31. Ewel KC, Cropper WP, Glolz HL (1986) Soil CO 2 эволюция подорожников сосны во Флориде. Меняется со временем.Канадский журнал исследований леса 17: 325–329.
- 32. Луан Дж. В., Лю С. Р., Ван Дж. Х, Чжу XL, Ши З. М. (2011) Ризосферное и гетеротрофное дыхание дуба с умеренным климатом. Биология и биохимия почвы 43: 503–512.
- 33. Wiseman PE, Seiler JR (2004) Почва CO 2 оттока через четыре возрастных класса плантационной сосны лоблоловой ( Pinus taeda L.) в Вирджинии-Пьемонт. Экология и управление лесами 192: 297–311.
- 34. Тан Дж. В., Болстад П. В., Мартин Дж. Г. (2009) потоки и запасы углерода в почве в хронопоследовательности лесов Великих озер.Биология глобальных изменений 15: 145–155.
- 35. Болстад П.В., Дэвис К.Дж., Мартин Дж., Кук Б.Д., Ван В. (2004) Потоки дыхания компонентов и всей системы в северных лиственных лесах. Физиология деревьев 24: 493–504.
- 36. Саиз Г., Бирн К.А., Баттербах-Баль К., Кизе Р., Блуден В. и др. (2006) Возрастное влияние лесов на дыхание почвы при первом севообороте ели ситкинской в центральной Ирландии. Биология глобальных изменений 12: 1007–1020.
- 37. Ли Ф.Л., Лю М., Ли З.П., Цзян С.Й., Хан FX и др.(2013) Изменения микробной биомассы и функционального разнообразия почвы с градиентом азота в почвенных столбах. Прикладная экология почвы 64: 1–6.
- 38. Hättenschwiler S, Gasser P (2005) Почвенные животные изменяют влияние разнообразия подстилки на разложение. Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки 102: 1519–1524.
- 39. Bini D, Dos Santos CA, Carmom KBD, Kishino N, Andrade G и др. (2013) Влияние землепользования на органический углерод почвы и микробные процессы, связанные со здоровьем почвы на юге Бразилии.Европейский журнал почвенной биологии 55: 117–123.
- 40. Fanin N, Hättenschwiler S, Barantal S, Schimann H, Fromin N (2011) Определяет ли изменчивость качества подстилки микробное дыхание почвы в тропических лесах Амазонки? Биология и биохимия почвы 43: 1014–1022.
- 41. Xuluc-Tolosa FJ, Vester HFM, Ramírez-Marcial N, Castellanos-Albores J, Lawrence D (2003) Разложение опада на листьях деревьев, характерных для трех последовательных фаз тропического сухого вторичного леса в Кампече, Мексика.Экология и управление лесами 174: 401–412.
- 42. Vasconcelos HL, Laurance WF (2005) Влияние среды обитания, типа подстилки и почвенных беспозвоночных на разложение листовой подстилки во фрагментированном ландшафте Амазонки. Oecologia 144: 456–462.
- 43. Барлоу Дж., Гарднер Т.А., Феррейра Л.В., Перес К.А. (2007) Падение и разложение подстилки в первичных, вторичных и плантационных лесах в бразильской Амазонии. Экология и управление лесами 247: 91–97.
- 44. Пандей Р.Р., Шарма Г., Трипати С.К., Сингх А.К. (2007) Опад подстилки, разложение подстилки и динамика питательных веществ в субтропическом естественном дубовом лесу и управляемые плантации на северо-востоке Индии.Экология и управление лесами 240: 96–104.
- 45. Fang C, Moncrieff JB (2001) Зависимость оттока CO 2 из почвы от температуры. Биология и биохимия почвы 33: 155–165.
- 46. Shi WY, Zhang JG, Yan MJ, Yamanaka N, Du S (2012) Сезонная и суточная динамика потоков дыхания почвы в двух типичных лесах на полузасушливом лессовом плато Китая: температурная чувствительность автотрофов и гетеротрофов и анализ интегрированных движущих факторов .Биология и биохимия почвы 52: 99–107.
- 47. Луан Дж. У., Лю С. Р., Ван Дж. Х, Чжу XL (2013) Факторы, влияющие на пространственные изменения годового видимого Q 10 дыхания почвы в двух теплых лесах. PLoS ONE 8: e64167.
- 48. Мояано Ф. Е., Мандзони С., Чену С. (2013) Ответы гетеротрофного дыхания почвы на доступность влаги: исследование процессов и моделей. Биология и биохимия почвы 59: 72–85.
- 49.Эпрон Д., Фарке Л., Люкот Э., Бадот П. М. (1998) Почвенный выброс CO 2 отток в буковом лесу: зависимость от температуры почвы и содержания влаги в почве. Ежегодник лесной науки 56: 221–226.
- 50. Tang JW, Baldocchi DD (2005) Пространственно-временные вариации дыхания почвы в экосистеме дубово-травяной саванны в Калифорнии и ее разделение на автотрофный и гетеротрофный компоненты. Биогеохимия 73: 183–207.
- 51. Райх Дж. У., Поттер С. С., Бхагавати Д. (2002) Межгодовая изменчивость глобального дыхания почвы, 1980-94 гг.Биология глобальных изменений 8: 800–812.
- 52. Хансон П.Дж., Вулльшлегер С.Д., Болман С.А., Тодд Д.Е. (1993) Сезонные и топографические закономерности лесной подстилки. CO 2 истечение из высокогорного дубового леса. Физиология деревьев 13: 1–15.
- 53. Мояно Ф.Е., Васильева Н., Баукерт Л., Кук Ф., Крейн Дж. И др. (2012) Влагозависимость гетеротрофного дыхания почвы: взаимодействие со свойствами почвы. Биогеохимия 9: 1173–1182.
- 54. Боркен В., Дэвидсон Е.А., Сэвидж К., Гаудински Дж., Трумбор С.Е. (2003) Влияние сушки и смачивания на высвобождение углекислого газа из органических горизонтов.Журнал Американского общества почвоведения 67: 1888–1896.
- 55. Леллей-Ковач Э., Ковач-Ланг Э., Ботта-Дукат З., Калапос Т., Эммет Б. и др. (2011) Пороговые значения и интерактивное влияние влажности почвы на температурный отклик почвенного дыхания. Европейский журнал почвенной биологии 47: 247–255.
- 56. Peng SS, Piao SL, Wang T, Sun JY, Shen ZH (2009) Температурная чувствительность дыхания почвы в различных экосистемах Китая. Биология и биохимия почвы 41: 1008–1014.
- 57. Aerts R (2006) Размораживание морозильной камеры: глобальное потепление и скорость разложения мусора в холодных биомах. Журнал экологии 94: 713–724.
- 58. Ли Х., Фицджеральд Дж., Хьюинс Д. Б., МакКалли Р. Л., Арчер С. Р. и др. (2014) Влияние влажности почвы и смешивания почвы с подстилкой на разложение поверхностного подстилки: оценка контролируемой окружающей среды. Биология и биохимия почвы 72: 123–132.
- 59. Де Санто А. В., Берг Б., Рутильяно Ф. А., Альфани А., Флоретто А. (1993) Факторы, регулирующие разложение на ранней стадии подстилки хвои в пяти разных хвойных лесах.Биология и биохимия почвы 25: 1423–1433.
- 60. Butenschoen O, Scheu S, Eisenhauer N (2011) Интерактивное влияние потепления, влажности почвы и разнообразия растений на разложение подстилки и микробную активность. Биология и биохимия почвы 43: 1902–1907.
- 61. Лю Л.Л., Кинг Дж.С., Букер Флорида, Джардина С.П., Аллен Х.Л. и др. (2009) Повышенное поступление подстилки, а не изменения в химическом составе подстилки, стимулируют углеродный и азотный циклы почвы при повышенном уровне CO 2 : исследование микромира.Биология глобальных изменений 15: 441–453.
- 62. Berryman EM, Marshall JD, Kavanagh K (2014) Отделение дыхания подстилки от дыхания всей почвы по градиенту высот в смешанном хвойном лесу в горах Рочи. Канадский журнал исследований леса 44: Doi.org/10.1139/cjfr-2013-0334.
- 63. Ван С.К., Ян Дж.Й., Чжан К.З. (2006) Дыхание почвы в шести лесах умеренного пояса в Китае. Биология глобальных изменений 12: 2103–2114.
- 64. Bowden RD, Nadelhoffer KJ, Boone RD, Melillo JM, Garrison JB (1993) Вклад надземной подстилки, подземной подстилки и дыхание корней в общее дыхание почвы в смешанном лесу с твердой древесиной умеренного климата.Канадский журнал исследований леса 23: 1402–1407.
- 65. Киршбаум MUF (2004) Дыхание почвы при длительном прогревании почвы: вызвано ли снижение скорости акклиматизацией или потерей состояния? Биология глобальных изменений 10: 1870–1877.
- 66. Сиснерос-Дозал Л.М., Трумбор С.Е., Хэнсон П.Дж. (2007) Влияние влаги на разложение листового опада и ее вклад в дыхание почвы в температурном лесу. Журнал геофизических исследований 112: G1013.
Литературный обзор (химия)
% PDF-1.4 % 1 0 объект > эндобдж 10 0 obj /Заголовок /Тема / Автор /Режиссер / Ключевые слова / CreationDate (D: 20210
Термическое разложение гидрокалумита в диапазоне температур 400–1500 ° C и реконструкция его структуры в воде
Процесс термического разложения и эффект структурной памяти гидрокалюмита впервые были систематически исследованы в широком диапазоне температур 400–1500 ° C. ° C.Прокаленные образцы гидрокалюмита и продукты их регидратации были охарактеризованы методами XRD, FT-IR и SEM-EDX. Результаты показывают, что продуктами прокаливания при температурах от 500 до 900 ° C в основном являются майенит и известь, а одним из конечных продуктов, полученных при прокаливании при 1000 ° C и выше, вероятно, является трехкальциевый алюминат (Ca 3 Al 2 О 6 ). Для образцов гидрокалумита, прокаленных при температурах ниже 1000 ° C, их пластинчатая структура может быть полностью восстановлена в деионизированной воде при комнатной температуре.Однако дальнейшее повышение температуры прокаливания может ухудшить способность гидрокалумита к регенерации при контакте с водой. При прокаливании гидрокалюмита при 1000–1500 ° C с последующей реакцией с водой был получен стабильный гексагидрат трикальцийалюмината (Ca 3 Al 2 O 6 · 6H 2 O), что является причиной того, что меньше гидрокалумита может быть регенерировано.
1. Введение
Гидрокалюмит, также известный как соль Фриделя [1] или фаза AFm в цементной науке [2], принадлежит к семейству слоистых двойных гидроксидов (СДГ) [3].Его обычно синтезируют с использованием солей кальция и алюминия. Однако гидрокалумит может также образовываться как основной стабильный продукт гидратации цементного теста и бетона или как вторичный осадок во время гидратации летучей золы, отработанного горючего сланца и некоторых других твердых отходов [4]. В кристаллической структуре гидрокалумита двухвалентный Ca 2+ расположен в центре октаэдров с общими ребрами и частично замещен трехвалентным Al 3+ , что приводит к чистому положительному заряду слоев, который необходимо компенсировать. интеркалированием галерейных анионов.Благодаря своей уникальной структуре и химическим характеристикам, гидрокалюмит применяется не только в каталитической промышленности, но и для восстановления окружающей среды. В последние годы он широко использовался для удаления нежелательных анионов из сточных вод или загрязненных природных вод, включая,,,,, [4, 5] и даже некоторые органические анионы (например, додецилбензолсульфат (DBS — ) и метиловый оранжевый (МО)) [6, 7]. Вовлеченные механизмы захвата анионов включают поверхностную адсорбцию, анионный обмен и растворение-переосаждение.Наша группа также использовала гидрокалюмит для успешного удаления из воды фторида и арсената в широком диапазоне концентраций посредством анионного обмена и осаждения [8].
С 1989 г., когда впервые было сообщено об «эффекте структурной памяти» слоистых двойных гидроксидов [9, 10], было признано, что термическая обработка СДГ является эффективным способом увеличения их способности захватывать анионы [11–13], и поэтому полное понимание термического поведения гидрокалумита очень важно для его эффективного применения в качестве сорбента для уменьшения водных анионных примесей.Принято считать, что процесс термического разложения гидрокалумита можно разделить на три стадии. Лопес-Салинас и др. [14] обозначено, что слоистая структура гидрокалумита разрушается при нагревании выше 250 ° C, превращается в аморфные фазы при 300 ° C и превращается в твердый раствор оксида кальция (CaO) и майенита (Ca 12 Al 14 O 33 ) при 600–700 ° С. Vieille et al. В [15] указано, что термическое разложение гидрокалюмита состоит из дегидратации, дегидроксилирования и анионного разложения.Эти процессы могут в разной степени перекрываться друг с другом [16]. При охлаждении до комнатной температуры в окружающей атмосфере низкотемпературный кальцинированный гидрокалюмит (<280 ° C) может самопроизвольно восстанавливать свою исходную слоистую структуру, а скорость реакции зависит от влажности воздуха и других экспериментальных условий [15]. Для сравнения, аморфные соединения, полученные прокаливанием при 400 ° C, обладают способностью восстанавливать исходную структуру гидрокалумита при воздействии водного раствора KCl.В соответствующей литературе преобразование прокаленных продуктов в слоистый гидрокалюмит именовалось различными терминами, такими как регенерация, реконструкция и регидратация, в то время как весь процесс описывался как «процесс кальцинирования-регидратации» или «эффект структурной памяти» [17 ]. Хотя термическое разложение гидрокалумита исследовалось при сравнительно низкой температуре, до сих пор отсутствуют систематические исследования термического поведения и эффекта структурной памяти гидрокалумита при более высоких температурах.Данное исследование сосредоточено на структурных и композиционных изменениях гидрокалумита при прокаливании в гораздо более широком диапазоне температур (400–1500 ° C). Также оценивали процесс регидратации продуктов прокаливания, полученных при различных температурах в деионизированной воде.
2. Экспериментальная
2.1. Синтез гидрокалумита
Гидрокалумит был получен методом соосаждения, описанным в другом месте [18]. Обычно синтез проводят при 65 ° C при интенсивном магнитном перемешивании.Смешанный раствор 0,66 M CaCl 2 · 2H 2 O и 0,33 M AlCl 3 · 6H 2 O добавляли по каплям в химический стакан, заполненный смесью, состоящей из воды и этанола в объемном соотношении 2: 3. соотношение. PH поддерживали постоянным на уровне 11,5 одновременным добавлением 2 М NaOH. Суспензию выдерживали при 65 ° C в течение 24 ч после завершения добавления солей металлов. Твердые продукты отделяли центрифугированием и несколько раз промывали деионизированной водой до pH 7-8.Синтезированный образец гидрокалумита был подвергнут элементному анализу, на основании которого его примерная химическая формула была оценена как Ca 4 Al 2 (OH) 12 Cl 1,71 (OH) 0,29 · 3,43H 2 O (MM = 543,5 г / моль), очень близко к теоретической формуле (Ca 4 Al 2 (OH) 12 Cl 2 · 6H 2 O).
2.2. Процедура прокаливания и регенерации
Синтезированный гидрокалюмит прокаливали в течение 2 часов в муфельной печи в атмосфере окружающей среды при температурах от 400 до 1500 ° C с шагом увеличения 100 ° C.Продукты прокаливания охлаждали до комнатной температуры в контейнере, предварительно заполненном аллохроичным силикагелем в качестве осушителя. Массу образцов измеряли до и после прокаливания. Процедуру регенерации кальцинированного гидрокалюмита проводили путем взаимодействия с деионизированной водой в полиэтиленовых бутылях при постоянной температуре 25 ° C в течение 24 часов.
2.3. Методы характеризации
Твердые образцы, высушенные в печи при 50 ° C, были охарактеризованы на дифрактометре X’Pert PRO DY2198 с излучением Cu K α , и рентгенограммы были записаны в режиме θ -2 θ между 5 ° и 65 ° с шагом 2 θ 0.033 °. Их инфракрасные спектры с преобразованием Фурье (FT-IR) были получены с использованием спектрометра FTIR Equinox 55 Bruker с диапазоном сканирования 400–4000 см –1 и разрешением 4 см –1 . Метод таблеток KBr был использован для приготовления образца, который был введен в ячейку FT-IR. Прокаленные образцы гидрокалумита вместе с образцами, подвергнутыми процедурам регенерации, также были проанализированы с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM) FEI Quanta200, оснащенного аналитической функцией энергодисперсионного рентгеновского излучения (EDX) для определения морфологии, кристалличности и элементного состава.Оба анализа SEM и EDX были взяты при возбуждении 20 кВ.
3. Результаты и обсуждение
3.1. Потеря массы кальцинированных продуктов
В целом потеря массы кальцинированного продукта увеличивается с повышением температуры прокаливания, за исключением трех образцов, нагретых при 900, 1100 и 1400 ° C, показывающих аномально низкие потери массы. Возможная причина — регидратация этих образцов при их охлаждении до комнатной температуры. Потеря массы гидрокалумита при прокаливании при 400 ° C составляет 26.6% (Таблица 1), что очень близко к 23,3%, теоретическое значение, соответствующее процессу прокаливания, во время которого все межслойные молекулы воды, включая OH — и Cl —, отрываются от структуры гидрокалюмита, как заметили другие исследователи. [14, 15]. В этом случае кальцинированный продукт может самопроизвольно восстанавливать свою первоначальную структуру с молекулами воды при воздействии атмосферы. Однако продукты прокаливания, полученные при температурах выше 500 ° C, могут регенерировать слоистую структуру гидрокалумита только путем включения анионов в водный раствор.При температурах выше 1000 ° C потеря массы гидрокалумита при термическом разложении приближается к 40,0%, что указывает на то, что он распался на майенит (Ca 12 Al 14 O 33 ) и известь (CaO) [ 15]. Образование этих смешанных оксидов металлов можно выразить следующей реакцией:
| ||||||||||||||||||||||||||||
3.2. Рентгенограмма
Рентгенограммы образцов прокаленного гидрокалюмита, полученных при различных температурах, а также продуктов их регидратации представлены на рисунке 1. При прокаливании в диапазоне температур 400–500 ° C гидрокалюмит превращался в аморфная фаза и ее кристаллическая структура полностью разрушились, что продемонстрировано очень широкими и нечеткими пиками XRD (рис. 1 (а)).При повышении температуры прокаливания от 600 до 900 ° C гидрокалюмит превращался в майенит (Ca 12 Al 14 O 33 ) и известь (CaO). Также наблюдали несколько небольших пиков кальцита (CaCO 3 ). Образование кальцита (CaCO 3 ) связано с тем, что смешанное твердое вещество CaO / Ca 12 Al 14 O 33 может действовать как эффективный адсорбент CO 2 при температурах 700–1000 ° C. . Майенит, как инертное связующее, предотвращал спекание CaO в процессе прокаливания и усиливал включение CaO в атмосферный CO 2 [19].Когда температура прокаливания составляла не менее 1000 ° C, реакционная способность продуктов прокаливания при улавливании CO 2 , очевидно, снижалась, что проявлялось в уменьшении массового отношения кальцита, которое приписывается превращению CaO в трехкальциевый алюминат (Ca 3 Al 2 O 6 ) при более высоких температурах [20]. На рисунке 1 пики XRD, отмеченные «○», очень близки к стандартным пикам майенита и трикальцийалюмината, но они были сочтены последними ввиду положительной корреляции между их интенсивностью и температурой прокаливания.Вышеупомянутые процессы описаны ниже: Более того, следы гидрофилита (CaCl 2 ) и гидроксида хлорида кальция (Ca (OH) Cl) также были идентифицированы в продуктах прокаливания, что позволяет предположить, что не все межслойные ионы хлорида улетучились во время процесса дегидроксилирования, а некоторые из них были объединены. с кальцием в исходной структуре гидрокалумита с образованием гидрофилита или гидроксида хлорида кальция. Vieille et al. [15] указывает на то, что после высвобождения структурных молекул воды из хлоридно-интеркалированного гидрокалумита, вызванного прокаливанием, межслоевые хлорид-анионы находятся ближе к атомам кальция в слоях, улучшая возможность их включения.Также стоит отметить, что все пики XRD минералов в прокаленных образцах обычно становятся более резкими с повышением температуры прокаливания, отражая, что лучшая кристалличность прокаленных продуктов может быть получена при более высоких температурах.
После смешивания с деионизированной водой кальцинированный гидрокалумит может полностью или частично восстановить свою первоначальную слоистую структуру, что отражено данными XRD. Гидратация является движущей силой структурной перестройки гидрокалумита, как и других типов СДГ, например гидротальцита и мейкснерита [21].На Рисунке 1 (c), где представлены дифрактограммы регидратированных образцов гидрокалумита, которые ранее были прокалены при температурах ниже 900 ° C, можно распознать только типичные пики для гидрокалюмита. Это означает, что исходная структура гидрокалумита была восстановлена в достаточной степени, что выражается в следующих реакциях: где могло быть, и с доминирующим в этом экспериментальном исследовании. Напротив, на рисунке 1 (d) показаны характерные пики как для гидрокалюмита, так и для трикальцийалюмината, что указывает на то, что образцы гидрокалюмита, прокаленные при температурах не ниже 1000 ° C, могут быть только частично регидратированы.Кроме того, интенсивности пиков XRD для реконструированного гидрокалумита уменьшаются с повышением температуры прокаливания, предполагая, что способность гидрокалюмита к структурной регенерации может быть значительно ухудшена прокаливанием при очень высоких температурах. Причина в том, что Ca 3 Al 2 O 6 в продуктах прокаливания может быть немедленно преобразован в стабильное соединение при воздействии воды выше 35 ° C: гексагидрат трикальцийалюмината (Ca 3 Al 2 O 6 · 6H 2 O) [20].В этом исследовании регидратированные твердые образцы сушили при 50 ° C, что обеспечивало температуру окружающей среды, достаточную для образования Ca 3 Al 2 O 6 · 6H 2 O.
Наконец, Интересно сравнить межслоевые интервалы регенерированных гидрокалюмитов с исходными. Очевидно, что интеркалирование OH — привело к уменьшению d-расстояния между первичным пиком XRD (003) гидрокалюмитов, извлеченных из твердых образцов, прокаленных при 500, 1000 и 1500 ° C (Рисунок 2), поскольку OH — имеет меньший кристаллографический радиус (0.137 нм), чем Cl — (0,168 нм). Гидрокалюмит, полученный прокаливанием при 500 ° C с последующей регидратацией, показывает меньшее уменьшение расстояния между слоями, вероятно, в результате включения следа карбонат-ионов с гораздо большим радиусом (0,189 нм) [22].
3.3. Инфракрасная спектроскопия (FT-IR)
Спектры FT-IR исходного гидрокалумита, продуктов прокаливания, полученных при различных температурах, и регидратированных образцов показаны на рисунке 3.Для исходного гидрокалумита полоса поглощения при 3639 см -1 представляет собой валентные колебания кристаллической воды вместе с поверхностно-адсорбированной водой, в то время как сильная полоса при 3477 см -1 связана с валентными колебаниями OH в портландите. -подобные слои гидрокалумита. Полоса при 1621 см −1 отнесена к деформационным колебаниям H – O – H межслоевых молекул воды, а при 1433 см −1 может быть отнесена к электростатически адсорбированному CO 2 на поверхности гидрокалюмита. микрозерна или межслойные карбонатные анионы, что указывает на то, что полученный гидрокалумит не является полностью свободным от карбонатов.Кроме того, также были обнаружены полосы поглощения при 789 см -1 , 535 см -1, и 425 см -1 , указывающие на гидроксиды металлов. Валентные и деформационные колебания Al – OH отражаются полосой 789 см –1 , тогда как колебания связей Ca – OH, Ca – O – Ca и O – Ca – O отражаются широкими полосами при 535 см −1 и 425 см −1 [7]. Спектры FT-IR некальцинированного гидрокалумита ясно демонстрируют его слоистую структуру, состоящую в основном из [Ca 2 Al (OH) 6 ] + , что хорошо согласуется с результатами XRD.
При прокаливании при различных температурах ИК-Фурье спектры гидрокалюмита заметно изменились. Полоса при 3639 см -1 исчезла из спектров всех прокаленных образцов гидрокалумита, что указывает на полную потерю межслоевых молекул воды. Однако полосы поглощения, представляющие другие функциональные группы, все еще присутствовали даже после кальцинирования гидрокалюмита при 1500 ° C (рис. 3 (b)), но показывают снижение интенсивности и сдвиг волнового числа. Это согласуется с тем фактом, что ожидаемый выход межслоевых анионов (например,g., хлорид) во время прокаливания фактически предотвращалось образованием новых минералов, как показали анализы XRD. В области низких волновых чисел ИК-Фурье спектров сдвиги полос поглощения обычно увеличиваются при повышении температуры прокаливания, что означает прогрессирующий коллапс слоистой структуры гидрокалумита [15]. Однако следует отметить, что для образца, полученного при 500 ° C, в его ИК-Фурье спектрах представлена сильная полоса при 1418 см -1 , что указывает на образование определенного карбонатсодержащего минерала (весьма вероятно, что это кальцит. с учетом данных XRD).Наличие слабой полосы около 1415 см -1 для образцов, прокаленных при 1000 и 1500 ° C, указывает на возможный захват CO 2 CaO во время охлаждения прокаленных продуктов до комнатной температуры.
После контакта с деионизованной водой полоса, соответствующая решеточным молекулам воды (около 3632 см -1 ), появилась снова, что свидетельствует о разной степени реконструкции структуры гидрокалюмита. Тем не менее, ИК-Фурье-спектры образцов регидратированного гидрокалюмита, которые ранее были прокалены при 1000 и 1500 ° C, показали меньшее сходство с исходным гидрокалумитом по сравнению с кальцинированным при 500 ° C, демонстрируя, что структура гидрокалюмита не может быть полностью регенерирована после прокаливается при температуре более 1000 ° C.Это также согласуется с результатами XRD. Следует отметить, что колебания FT-IR, указывающие на карбонат, все еще присутствовали в регидратированных образцах, хотя на рентгенограммах этих образцов нет пиков для какого-либо карбонатного минерала.
3.4. Сканирующий электронный микроскоп и энергодисперсионный рентгеновский анализ (SEM-EDX)
Отобранные образцы были также подвергнуты анализу SEM-EDX для лучшего понимания влияния процесса кальцинирования-регенерации на морфологию поверхности и элементный состав гидрокалюмита.Как показано на СЭМ-изображении, исходный образец гидрокалюмита представляет собой гексагональную пластинчатую структуру (рисунки 4 (а) и 4 (б)). После обработки прокаливанием при 400 ° C и последующей регидратации гексагональная пластинчатая структура гидрокалумита была полностью реконструирована (рис. 4 (c)). Что еще более важно, регенерированный образец показывает более полные и более крупные кристаллы по сравнению с исходным гидрокалумитом (рис. 4 (b)). Что касается образца, прокаленного при 1000 ° C и регидратированного в деионизированной воде, можно идентифицировать меньше гексагонального гидрокалумита (рис. 4 (d)), что означает, что только части образца могут восстановить свою первоначальную структуру.Для сравнения, образец, регенерированный из продукта прокаливания при 1500 ° C, характеризуется гораздо большим количеством кристаллов ромбических додекаэдров (рис. 4 (е)). Эти кристаллы имеют элементный состав, очень близкий к таковому у гексагидрата трикальцийалюмината (Ca 3 Al 2 O 6 · 6H 2 O), как показано в таблице 2 (точка 4). Результаты анализов SEM-EDX в целом согласуются с результатами XRD, предполагая, что с увеличением температуры прокаливания массовая доля гидрокалюмита уменьшалась, в то время как массовая доля гексагидрата трикальцийалюмината увеличивалась после обработки прокаливанием-регенерацией.
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
3.5. Обобщение процесса прокаливания-регенерации гидрокалюмита и его сравнение с гидротальцитом
Это первое систематическое исследование регидратации гидрокалюмита, прокаленного в широком диапазоне температур (400–1500 ° C). Результаты этого исследования показывают, что гидрокалюмит, нагретый до температуры ниже 500 ° C, может быть повторно гидратирован, поскольку его положительно заряженная структура ([Ca 2 Al (OH) 6 ] + ) осталась после прокаливания, в то время как те, которые прокалены при при температуре выше 600 ° C можно полностью или частично регенерировать в воде в результате растворения майенита и извести, а также последующего переосаждения гидрокалюмита.Насколько нам известно, только механизм структурной перестройки гидрокалюмита, прокаленного в низкотемпературном диапазоне (80–400 ° C), был прояснен в литературных источниках. Еще один новый момент, на который стоит обратить внимание, заключается в том, что в этом экспериментальном исследовании был обнаружен кальцит, вторичный продукт кальцинирования гидрокалумита. Он образовался в результате эффективной сорбции CO 2 связанной майенитом известью при температуре выше 600 ° C.
Интересно, что другие типы слоистых двойных гидроксидов, как правило, гидроталькит [23, 24], могут восстанавливать свою разрушенную структуру при прокаливании в растворе через растворение-переосаждение.Однако по сравнению с кальцинированным гидрокалюмитом, который может быть повторно гидратирован сразу после воздействия воды и восстанавливать свою первоначальную структуру в течение 24 часов, продукт кальцинирования гидроталькита показывает гораздо более медленную кинетику восстановления структуры. Об этом сообщили Rocha et al. [25], что гидроталькит, предварительно кальцинированный при 650 и 750 ° C, можно полностью восстановить после 72 часов регидратации. Совершенно разные скорости восстановления кальцинированного гидрокалумита и гидроталькита, вероятно, связаны с гораздо более высокой растворимостью Ca (OH) 2 (1.59 г / л при 25 ° C) по сравнению с Mg (OH) 2 (0,02 г / л при 25 ° C) [26]. Кроме того, процесс прокаливания-регенерации гидрокалюмита можно разделить на три стадии с точки зрения температуры прокаливания, тогда как для гидроталькита можно выделить только две различные стадии, что подтверждается предыдущими исследованиями. Miyata et al. [27] предположили, что прокаливание гидроталькита при температурах от 350 до 800 ° C вызывает образование периклазоподобного твердого раствора оксида Mg – Al, способного восстанавливать его слоистую структуру путем обработки чистой водой или водными растворами.Напротив, было доказано [17, 28, 29], что при нагревании гидроталькита при более высоких температурах образуется шпинель (MgAl 2 O 4 ), что приводит к частичной регенерации прокаленного гидроталькита при контакте с водой. Это означает, что гидроталькит полностью восстановит свою первоначальную структуру только при прокаливании при температурах не выше 800 ° C, в то время как критическая температура прокаливания для гидрокалюмита составляет 900 ° C.
4. Выводы
Результаты, полученные в этом исследовании, показывают, что поведение гидрокалюмита при термическом разложении изменяется при различных температурах.Также различаются степени структурной регенерации продуктов прокалки в деионизированной воде. Образцы гидрокалумита, прокаленные в интервале температур 400–900 ° C, могли полностью восстановить свою слоистую структуру при контакте с деионизованной водой. Однако для образцов, прокаленных при температуре не ниже 1000 ° C и вступивших в реакцию с деионизированной водой позже, в регидратированных образцах были идентифицированы как гексагидрат трикальцийалюмината, так и гидрокалумит. То есть только части образцов, нагретые до температуры более 1000 ° C, могут быть преобразованы в гидрокалюмит посредством реакции с водой.
