Практическая реализация альтернативы классического электролиза и ее теоретические предпосылки

Тема: «альтернатива классического электролиза и ее практическая реализация»

 Лопухин Арсений
МБОУ Лицей №5,  Липецкой области, г. Елец
10 класс

Научный руководитель:
Терехова Н.Н., учитель физики

МБОУ лицея№5
Научный консультант:
Собченко С.О., к. ф.-м. н.

г. Обнинск, 2011/2012 учебный год

СОДЕРЖАНИЕ

Введение………………………………………………………………………        3

РАЗДЕЛ 1. Теоретические предпосылки и обоснование возможности повышения производительности электролизной газогенераторной ячейки.         5

РАЗДЕЛ 2. Экспериментальные исследования и эмпирическое подтверждение гипотезы.  ………………………………………………………9                                                                                  

Заключение. …………………………………………………………………….12                                                                                                

Литература………………………………………………………………………14                                                                            

 Только те, кто предпринимают абсурдные попытки,

 смогут достичь невозможного. 

Альберт Эйнштейн

Введение

Сохранение окружающей среды в планетарном масштабе, наряду с необходимостью интенсификации энергообеспечения в условиях ограниченности запасов ископаемого органического топлива являются сегодня важнейшими составляющими глобальной проблемы человечества. Ископаемые энергоресурсы, которые сегодня практически не пополняются по сравнению с темпами их потребления, формировались из остатков флоры и фауны в течение миллионов лет. Такие сроки для человечества неприемлемы, в связи с этим необходим переход на экологически чистое и широко распространённое топливо. Водород является наиболее распространенным элементом во Вселенной, его использование может стать неисчерпаемым источником энергии. Основные запасы водорода на Земле находятся в связанном состоянии – это вода (Н2О). Таким образом, в настоящее время технологии, связанные с высокоэффективным электролизом воды приобретают жизненно-важное, приоритетное значение, а их разработка это актуальная задача современности.

Цель работы: разработать способ повышения производительности электролизной газогенераторной ячейки, связанный со снижением энергетических затрат на получение “гремучего газа”; получить выход газа при использовании водопроводной воды и энергетических затратах меньших, чем при обычном электролизе.

Задачи:

1. Произвести анализ физической и химической сущности процессов происходящих при пропускании через воду электрического тока.
2. Произвести анализ явлений, приводящих к возникновению потерь при осуществлении электролитического разложения воды.
3. Предложить вариант осуществления «питания» газогенераторной ячейки, направленный на снижение тока потребления и позволяющий эффективно использовать ранее выявленные явления.
4. Решить проблему эффективной передачи энергии «рабочему телу» с учетом кластерно-клатратной структуры воды.
5. Собрать установку, позволяющую осуществлять «питание» газогенераторной ячейки в прерывисто-импульсном режиме с возможностью вариации частоты и скважности.
6. Экспериментально проверить теоретические выводы работы, добившись осуществления низкоамперного электролиза на водопроводной воде без кислотных или щелочных добавок.

Гипотеза: при осуществлении «накачки» электролизной газогенераторной ячейки в прерывисто-импульсном режиме с подбором скважности и резонансных частот согласно кластерно-клатратной структуре воды возможно осуществление разделения воды с получением “гремучего газа” при значительно меньших энергетических затратах, чем при обычном электролизе.

Объект исследования: процесс электролитического разложения воды без кислотных или щелочных добавок.

Предмет исследования: совокупность условий и факторов, влияющих на минимизацию энергопотребления электролизной газогенераторной ячейки.

Оборудование: регулируемый блок питания (5А, 30В) ATTEN APS3005S; осциллограф С1-118; частотомер BK 1804D; цифровой мультиметр Mastech M890G; двухканальный термометр Testo922 с погружными водонепроницаемыми зондами; генератор импульсов Г5-53; осциллограф цифровой запоминающий Tektronix TDS2002C; микроскоп ЛОМО БИОЛАРМ С-12; секундомер электронный Счет-1М; микрометр МК25; штангенциркуль ШЦ-II-250-0.05; жидкостный U-образный манометр; аккумулятор GP1272F2; самостоятельно изготовленная герметизируемая газогенераторная ячейка с наборами пластин из нержавеющей стали, попарно представляющими различные геометрические размеры; самостоятельно изготовленный водяной предохранительный затвор пузырькового типа; самостоятельно собранная установка, содержащая два зависимых генератора на базе микросхем NE555N с регулировкой частоты и скважности и силовой ключ на полевом транзисторе IRF640; набор самостоятельно изготовленных дросселей и катушек индуктивности.

Материалы: нержавеющая сталь марки 316/03Х17Н14М2 1.4401; лак УР-231; калиброванные по толщине пластмассовые или слюдяные пластинки (от 0,1 до 0,5 мм); изолированные соединительные провода различных диаметров; дистиллированная и обычная водопроводная вода.

Методы исследования: теоретический исследовательский; активный эмпирический (лабораторный подтверждающий и поисковый эксперимент); метод оценки; метод сравнения.

Характеристика работы. В настоящей работе предлагается вариант организации процесса электролиза водопроводной воды, связанный со снижением энергетических затрат, для получения “гремучего газа” (газа Брауна, топливного газа), как перспективного экологически чистого топлива. Рассмотрение электролизной ячейки в качестве конденсатора позволило использовать явление резонанса напряжений и эффективно использовать остаточный потенциал возбуждаемого в прерывисто-импульсном режиме электролизёра. Исследование не направлено на поиск сверхъединичности (достижения КПД выше 100%), однако нельзя забывать о том, что электролизная газогенераторная ячейка и схема её “накачки” не являются “замкнутой” системой (учитывая даже обычный теплообмен с окружающей средой), а закон сохранения энергии постулируется только для “замкнутых” систем.

Теоретические и практические исследования проведены самостоятельно с использованием материалов патента USPTO № 4.936.961 изобретателя из США Stanley Meyer, патента № 2227817 доктора технических наук, профессора Канарёва Ф. М. и информационных ресурсов, представленных в списке литературы. Эксперименты проводились в течение одного календарного года и в настоящее время продолжаются согласно выявленных векторов дальнейшего развития исследования. Расчёт погрешностей и процесс изготовления самостоятельно собранного оборудования в рамках данного ограниченного размерами отчёта не приводится в связи с тем, что успешное достижение качественного результата не вызывает сомнений.

Новизна. Проведена серия экспериментов, позволившая получить практическое подтверждение основной гипотезы исследования выдвинутой на основании объединения ряда теорий и теоретических предпосылок. В частности: кластерно-клатратной структуры воды и существования гигантских гетерофазных кластеров, обладающих большим временем существования; возможность рассмотрения электролизной газогенераторной ячейки как источника тока и одновременно конденсатора с целью построения последовательного или параллельного колебательного контура с внешней катушкой индуктивности для использования резонансных явлений. 

Практическая ценность. Возможность осуществления разделения воды с получением “гремучего газа” при значительно меньших энергетических затратах, чем при классическом электролизе, открывает широкие горизонты по разработке и применению экологически чистых возобновляемых источников энергии и энергоносителей как экономически оправданной альтернативы широко используемым в настоящее время видам топлива.

РАЗДЕЛ 1. Теоретические предпосылки и обоснование возможности повышения производительности электролизной газогенераторной ячейки

Электролизом называется процесс разложения вещества при пропускании через него электрического тока. Так, если в воду погрузить два электрода и приложить к ним электрическое напряжение, то на катоде будет выделяться водород, а на аноде - кислород. Реакция на катоде: 2е– + 2Н2О → Н2 + 2ОН–  - два электрона, поступающих с катода, реагируют на поверхности электрода с двумя молекулами воды, образуя молекулы водорода и два иона гидроксила. При этом молекулярный водород образует пузырьки газообразного водорода, а ионы гидроксила остаются в растворе. Реакция на аноде: 2Н2О → О2 + 4Н+ + 4е–  - четыре электрона переходят на анод с двух молекул воды, которая при этом разлагается с образованием молекулы кислорода и четырех ионов водорода.

При идеальном течении реакции требуются затраты энергии не меньшие, чем 460,5 кДж/моль. При стандартном электролизе потребляются достаточно большие токи, измеряемые десятками ампер, более того, обыкновенная водопроводная вода для интенсификации течения реакции требует добавления электролита - растворы щелочей, кислот и солей – получается замкнутый круг (повышаем электропроводность – повышается ток). Закон сохранения энергии непоколебим, однако в реальности чтобы приблизиться к приведённому выше значению необходимо попытаться минимизировать потери (например, на нагрев электролита), возникающие при протекании процесса. Это актуальная проблема, и ее часто путают с получением водорода из воды без затрат энергии. Реальное напряжение, которое следует приложить к электродам, всегда оказывается больше расчетного из-за того, что на электродах по различным причинам возникает повышенное сопротивление прохождению электрического тока, которое необходимо преодолеть, прилагая более высокое напряжение. Разность между реальным напряжением разложения и теоретически найденным из электродных потенциалов ЭДС соответствующей реакции называют перенапряжением [1]. Перенапряжение зависит от материала электрода, его формы, состояния поверхности, плотности тока, температуры раствора, интенсивности перемешивания раствора и других факторов. При образовании газообразных продуктов в большинстве случаев перенапряжение бывает весьма значительным.

Таким образом, проведя достаточно короткий анализ, получим следующий постулируемый результат:

Электролиз:

H2O + E1 → H2 + O2

Горение:

H2 + O2 → H2O + E2

Энергия:

E1 > E2

Результат связан с большими потерями на нагрев (из-за вынужденного введения солей или щелочей в раствор и как следствие – падение сопротивления раствора и увеличения электролизного тока) и преодоление явления перенапряжения при организации процесса электролитического разложения воды.

Известен эффект [2], заключающийся в том, что после заполнения электролизной газогенераторной ячейки водой (или электролитом), на её электродах появляется незначительная разность потенциалов, а при активации электролизёра с последующим полным отключением от источника тока, процесс генерирования газов продолжается ещё некоторое время (с достаточно быстрым уменьшением интенсивности). Обратим внимание на то, что экспериментальное подтверждение приведено в патенте № 2227817 доктора технических наук, профессора Ф.М. Канарёва [3]. Это убедительно доказывает тот факт, что электролиз может идти за счёт остаточной разности потенциалов на электродах (это ещё одна часть энергии, которую мы теряем при классическом методе расщепления молекул воды).

Таким образом, приходим к выводу, что электролизная газогенераторная ячейка обладает свойствами конденсатора и источника электричества одновременно. Зарядившись в начале, она постепенно разряжается под действием электролитических процессов. Количества генерируемой электрической энергии оказывается недостаточным, чтобы поддерживать полноценный процесс электролиза, и ячейка постепенно разряжается. Если электролизёр периодически подзаряжать импульсами напряжения, компенсирующими расход энергии, то заряд ячейки, как конденсатора, будет оставаться постоянным, а процесс электролиза стабильным. Тем самым при использовании импульсного напряжения с подбором скважности импульсов, можно добиться уменьшения величины протекающего через электролизёр тока, без потери эффективности процесса газогенерации. Экономия достигается за счёт энергии, которая при классическом электролизе тратилась на ненужный нагрев воды.

Водород при смеси с кислородом или воздухом образует взрывоопасную смесь - так называемый “гремучий газ”. По этой причине “гремучий газ” (или как его ещё называют - газ Брауна, топливный газ) является наилучшим решением в системах “газ по требованию”. Наибольшую взрывоопасность этот газ имеет при объёмном отношении водорода и кислорода 2:1, или водорода и воздуха приближённо 2:5, так как в воздухе кислорода содержится примерно 21 %.При поджигании “гремучий газ” взрывается, а в присутствии губчатой платины горит. Водородо-кислородное пламя достигает температура 2800 °С.

Реальность эффективного электролиза воды стала очевидной после US патента № 4.936.961 по методу производства топливного газа Stanley A. Meyer [4], который экспериментально показал несовершенство обычной теории электролиза. Водно-топливные ячейки Мэйера, потребляя малый ток от автомобильного аккумулятора, производили достаточно газа из воды, для того, чтобы ездить на автомобиле. Оперный певец может разбить стакан высотой и частотой своего голоса (звуковых волн). Резонанс может рассечь, раздробить или расколоть стекло. Этот простейший пример вроде-бы объясняет, как Stanley A. Meyer мог произвести расщепление молекул воды резонансом, используя вместо звуковых волн (в вышеприведённом примере) электрическое поле, воздействующее на “рабочее тело” с резонансной частотой.

Рис.1 Этапы с 3A по 3F иллюстрируют, по мнению Stanley A. Meyer, теоретические основы явлений, наблюдаемых во время функционирования его изобретения.

В патенте Мэйера говорится об искажении и поляризации молекулы воды (рис. 1), приводящих к самостоятельному разрыву связи под действием градиента электрического поля и резонанса в пределах молекулы, который усиливает эффект. Тем самым, по патенту, необходимо подбирать частоту импульсов, поступающих на электролизную ячейку, соответствующую собственной частоте резонанса молекулы. Здесь возникает существенное противоречие, так как представленные в патенте схемы и чертежи не способны работать на частоте резонанса молекул воды.

Любой исследователь рано или поздно приходит к проблеме эффективной передачи энергии “рабочему телу”. Мы пришли к выводу, что электролизную ячейку возможно рассматривать как конденсатор, между пластин которого находится вода, состоящая из поляризованных молекул. Наряду с этим фактом, зародилось понимание эффективности питания газогенераторной ячейки прерывисто-импульсным напряжением. Зададимся вопросом – нельзя - ли, опираясь на эти две предпосылки использовать явление резонанса напряжений, возникающего в последовательном колебательном контуре, добавив к имеющейся “ёмкости” катушку индуктивности? Согласно справочным данным для атомов молекулы воды, резонансная частота находится в районе 18,7ГГц – работать с такими частотами достаточно сложно без специального оснащения лаборатории. Однако этого и не потребуется, если предположить, что “рабочим телом” будет не совокупность разрозненных единичных молекул воды, а нечто другое.

Исследования воды ведутся уже с давних пор и выдвигались предположения о кластерном, клатратном и смешанном строении. Способность молекул воды образовывать различные ассоциаты, кластеры с условной формулой (Н2О)n c линейными размерами до 10-9 м и временами релаксации не более 10-10-10-9 с известна достаточно давно. В качественных теориях о структуре воды (мерцающих кластеров Франка и Вена, теория структурных дефектов Самойлова, структур Бернара-Фалуера) используются представления о гетерогенности воды на основе формирования в нанометровом диапазоне молекулярных кластеров с временами релаксации менее 1 нс. Молекулярная динамика десятков молекул воды интенсивно моделируется с применением различных моделей воды [5-7]. Локальная гетерогенность воды и наличие кооперативных процессов подтверждаются как экспериментально, так и при моделировании [8]. Квантово-механическое моделирование, использование формализма метода Монте-Карло и другие подходы описывают возможность формирования геометрии малых кластеров со «льдоподобной» структурой [9-11]. Однако все методы исследования нанокластеров не могут быть аппроксимированы на объемную фазу, в частности, по причине отсутствия технических решений для моделирования систем с числом молекул более 1015. В работе [12] экспериментально показано, что в воде формируются гигантские (по сравнению с нанометровыми кластерами) гетерофазные структуры с размерами вплоть до долей миллиметра, названные гигантскими гетерофазными кластерами (ГГК) воды. ГГК воды – долгоживущие неоднородности с временами релаксации более 10 секунд. Эти данные хорошо согласуются с данными о флуктуациях коэффициентов пропускания в ИК-диапазоне в тонких слоях воды при условии, когда диаметр луча составляет около 1 мм [13, 14]. Формирование данных устойчивых образований в гомогенной жидкости – гигантских гетерофазных кластеров, отличающихся от континуальной воды по величине диэлектрической проницаемости, представляется нетривиальным явлением, которое может быть ключом к объяснению многих аномальных свойств воды [15].

Несмотря на то, что разные модели предлагают отличающиеся по своей геометрии кластеры, все они постулируют, что молекулы воды способны объединяться с образованием полимеров. Но классический полимер – это молекула, все атомы которой объединены ковалентными связями, а не водородными, которые до недавнего времени считались чисто электростатическими. Однако в 1999 г. было экспериментально показано, что водородная связь между молекулами воды во льду имеет частично (на 10%) ковалентный характер [16]. Даже частично ковалентный характер водородной связи “разрешает”, по меньшей мере, 10% молекул воды объединяться в достаточно долгоживущие полимеры. В химии полимеров хорошо известен тот факт, что под действием механических напряжений молекулы полимеров могут “рваться”. При этом, чем меньше фрагменты, тем более высокой плотности требуется энергия для дальнейшего дробления. Во всех случаях – и в длинных и в коротких полимерах разрываются химически идентичные ковалентные связи. Следовательно, если для разрыва ковалентной связи между двумя атомами в малой молекуле необходимо приложить энергию, эквивалентную энергии кванта ультрафиолета или, по меньшей мере, видимого света, то такая же связь в полимере может разорваться при воздействии на него механических колебаний. Если в первом случае частота колебаний соответствует величинам порядка гигагерц, то во втором – герцам – килогерцам. Значит, молекула полимера может выступать в роли своеобразного трансформатора энергии низкой плотности в энергию высокой плотности. Образно говоря, полимеры превращают тепло в свет. А тогда, если жидкая вода может хоть в какой-то степени рассматриваться как квазиполимер, то и в ней могут осуществляться подобные процессы [17].

Приведём наглядный пример. Возьмём в руки стальной пруток длиной 50мм с диаметром 8мм и постараемся его разломить – ничего не выйдет, так как для осуществления этой операции у среднестатистического человека просто не хватит сил. Изменим условия эксперимента – длина прутка 1000мм, а диаметр оставим неизменным. И случится “чудо” – несколькими не очень энергозатратными и неторопливыми движениями (перегиб, распрямление), взявшись за концы стального прутка, мы его переломим. Тот же пример можно отнести к сравнению воздействия электрического поля на отдельные молекулы воды и на протяжённые кластерные образования. Согласно экспериментальным данным положительные результаты получены на частотах в десятки и сотни КГц – при достижении резонансной частоты происходит значительная интенсификация процесса газообразования без нарастания общего энергопотребления электролизёра. Теоретические предпосылки проведённого исследования, направленного на повышение производительности электролизной газогенераторной ячейки, подтверждены экспериментально.

В связи с этим можно сделать вывод о целесообразности осуществления передачи энергии “рабочему телу” в прерывисто-импульсном режиме с подбором скважности и учётом корреляции резонансных частот кластерной структуры воды и колебательного контура системы “накачки”, в состав которого входит конденсатор, образованный пластинами электролизной газогенераторной ячейки и “рабочим телом” (водой).

РАЗДЕЛ 2. Экспериментальные исследования и эмпирическое подтверждение гипотезы

Кроме перечисленного выше (см. введение), при осуществлении экспериментальной и конструкторской деятельности, использовалось следующее вспомогательное оборудование и материалы:

Оборудование: паяльник; набор монтажных инструментов; миниатюрный сверлильный станок с набором свёрл диаметром от 0,1 до 1,5мм.

Материалы: силиконовые трубки; воздушные тройники; намоточная медная проволока различных диаметров, покрытая лаком; ферритовые кольца и стержни; наждачная бумага; клей; припой; канифоль; фольгированный стеклотекстолит; маркер для рисования печатных плат; раствор хлорного железа; монтажная легкоплавкая пластмасса; наборы радиодеталей.

При изготовлении пластин электролизной газогенераторной ячейки предпочтение было отдано нержавеющей стали марки 316/03Х17Н14М2 1.4401. Это аустенитная не закаливаемая сталь, наличие молибдена (Мо) делает ее особенно устойчивой к воздействию коррозии. Сферы применения: химическое оборудование, подвергающееся особенно сильным воздействиям; инструмент, вступающий в контакт с морской водой и атмосферой; оборудование для проявления фотопленки. Поверхность пластин предварительно обрабатывалась наждачной бумагой с целью удаления жировых пятен. Подводящие провода крепились к пластинам методом деформации края пластины с последующей запрессовкой, затем места соединений покрывались влагостойким лаком. Для того чтобы задать расстояние (при проведении экспериментов оно варьировалось в пределах от 0,5 до 2,5 мм) между пластинами, использовались калибровочные кусочки пластика, устанавливаемые по четырём углам и не мешающие циркуляции воды или газа. Ёмкость такого импровизированного конденсатора измерялась после помещения его в водопроводную воду и в рамках проводившегося исследования варьировалась экспериментатором в пределах от 227 pF до 2505pF.

В ходе проведения экспериментов было замечено, что при длительной работе с одной и той же парой пластин, через некоторое время интенсивность газовыделения при фиксированных значениях тока возрастала. Методом визуального осмотра установлено, что длительно работавшие пластины покрыты белёсым налётом с микропористой структурой (использовался микроскоп), причём толщина слоя со стороны межэлектродного пространства больше, чем на внешних сторонах пластин. Электрическое сопротивление десяти сантиметров сухого слоя белёсого налёта при его толщине порядка 0,01мм (определялась микрометром) и ширине 50мм находится в пределах 150кОм. По результатам исследования сделан вывод о том, что налёт препятствует саморазряду конденсатора, составленного из пластин электролизной ячейки, через сопротивление воды и может способствовать формированию упорядоченных кластерных структур в воде, находящейся в межэлектродном пространстве. В последующей серии экспериментов была подтверждена целесообразность проведения процедуры, названной нами “электролизной формовкой пластин конденсатора”. Она заключалась в “тренировке” пластин в течение первых суток постоянным током 0,5А со сменой воды в электролизной ячейке до прекращения выделения побочных продуктов электролиза и начала образования белесого налета на внутренних поверхностях пластин и вторых суток – импульсным током с частотой следования импульсов 150кГц и коэффициентом заполнения 50%. Затем пластины окончательно высушивались и были готовы к проведению экспериментов.

Для определения существующей разности потенциалов на электродах газогенераторной ячейки (в зависимости от геометрических размеров пластин, расстояния между ними, температуры и физико-химического состава воды), динамики снижения напряжения и интенсивности газовыделения после импульса “накачки” (в зависимости от длительности и амплитуды одиночных импульсов) проведён ряд экспериментов. Осуществлялось измерение напряжений с активированной коротким импульсом (амплитуда варьировалась от 1В до 14В, длительность одиночного импульса – от 0,1сек до 1сек) и не активированной электролизной ячейки (при изменении геометрических размеров пластин от 1.5х1.5см до 15х15см, расстояния между ними от 0,1мм до 2,5мм и температуры воды от 0 до +250С).

При проведении экспериментов использовались: генератор одиночных импульсов; осциллограф цифровой запоминающий; двухканальный термометр с погружными водонепроницаемыми зондами; электронный секундомер со схемой запуска внешним импульсом и “ручной” остановкой; аккумулятор; “ключ” на полевом транзисторе IRF640; мультиметр; штангенциркуль; микрометр. Установлено, что снижение напряжения происходит по экспоненциальному закону, однако для восстановления после подачи импульса исходных значений разности потенциалов не активированной ячейки, требуются промежутки времени (назовём их Т1), исчисляемые десятками секунд (от 25с до 275с). Наряду с этим, промежутки времени, в течение которых процесс газогенерации снижается до уровня 10 – 20% от исходного (назовём их Т2) (точка отсчёта – начало среза пика напряжения) составляют интервал от 0,01с до 3с. Из теоретических предпосылок следовало, что для снижения энергозатрат необходимо увеличить Т2 за счёт уменьшения Т1. Большую часть Т1 (времени восстановления системы) энергия медленно рассеивается фактически без совершения полезной работы, так как её не хватает для осуществления процесса разделения воды. Замыкание электродов на себя, значительно сокращало Т1 (до величин порядка 1с), однако такой результат нас тоже не устраивал, так как вместо интенсификации процесса газовыделения, наблюдалось скачкообразное повышение температуры воды (на 0,30С) в области между электродами. В конструктив электролизной ячейки необходимо было внести изменение в виде добавления в схему элемента, который позволил бы достаточно быстро забрать себе энергию, которая ранее просто рассеивалась и затем “интенсивным всплеском” её вернуть. Таким элементом явилась катушка индуктивности (дроссель), расчёт индуктивности которой производился индивидуально для каждой пары применявшихся в исследовании электродов. Это значение варьировалось в пределах от 150мкГн до 400мГн.

Вышесказанное положило начало проведению новой серии экспериментов с целью подтверждения возможности протекания процесса электролитического разделения воды (при малых значениях тока, импульсной “накачке” энергией и эффективном использовании явления резонанса) на чистой водопроводной и дистиллированной воде.

Конденсатор, состоящий из электродов газогенераторной ячейки, и катушка индуктивности представляют собой колебательный контур, минимизировать энергетические потери на его возбуждение можно, если добиться условия возникновения резонанса. После прямого измерения емкости помещённого в воду конденсатора, образованного пластинами нержавеющей стали, производился расчет и изготовление катушки индуктивности (или системы из двух магнитосвязанных дросселей) с целью формирования колебательного контура с резонансной частотой лежавшей в пределах от 20кГц до 250кГц. Такой выбор частотного диапазона обусловлен данными по размерам кластерных образований и временам их существования, а также эмпирически полученными результатами. Эксперименты показали необходимость введения в колебательный контур диода. Его наличие значительно интенсифицировало процесс газогенерации. Ёмкость и быстродействие диода тоже влияют на объём вырабатываемого газа (хотя и незначительно). Для того, чтобы кластерная структура воды успевала восстанавливаться после кратковременной интенсификации процесса “накачки”, вводился промежуток между пачками высокочастотных импульсов. Такой режим обеспечивался самостоятельно собранной “системой накачки”, содержащей два зависимых генератора на базе микросхем NE555N с возможностью плавной регулировки частоты и скважности управляющих импульсов низкочастотного генератора и частоты управляемого высокочастотного генератора, а также силовой ключ на полевом транзисторе IRF640. Все дальнейшие эксперименты проводились с использованием этой электронной “системы накачки”.

Проверка основной гипотезы исследования была осуществлена путём сравнения объёмов газа, полученных из электролизной газогенераторной ячейки методом классического Фарадеевского электролиза и методом, предложенным в данной работе, при одинаковом энергопотреблении (при измерениях учитывался импульсный характер нагрузки). При классическом электролизе полученный объём газа в 4,5 раза был меньше. Эти результаты были получены при следующем наборе параметров: ток потребления – 0,7А; частота импульсов в “пачке” – 45кГц; частота следования “пачек импульсов” 200Гц; скважность импульсов низкочастотного генератора 1,5.

Промышленное, а не лабораторное осуществление по предложенному варианту электролитического разложения воды и получение “гремучего газа” с энергетическими затратами меньшими, чем у классического Фарадеевского электролиза, связано с решением многопараметрической задачи и требует построения математической модели для интерактивной и интегративной обработки данных. Фактически любой современный микроконтроллер, работающий по заданному алгоритму и сравнивающий поступающие с датчиков обратной связи данные с результатами, полученными в ходе математического моделирования, способен, управляя электроникой (осуществляющей “накачку”), оптимизировать и максимизировать процесс получения “гремучего газа” при изменении химического состава и физической структуры воды, а также ряда других параметров.

Заключение

Если исходить из предположения, что в чистой воде нет никаких структурных образований имеющих размеры более размеров молекулы воды, то совершенно естественно постулировать возможность осуществления только классического энергозатратного Фарадеевского электролиза. Однако это не так. Проведенный анализ исследований зарубежными и российскими учёными в области кластерно-клатратной структуры воды [5-15], позволил рассматривать её не как совокупность независимых молекул, а как вещество, в котором помимо “короткоживущих” нанометровых кластеров формируются гигантские гетерофазные кластеры с размерами вплоть до долей миллиметра и временами релаксации более 10 секунд. И это, на сегодняшний день, экспериментально подтверждённая и проверенная информация. Тем самым мы получили возможность, используя иные, чем при классическом Фарадеевском электролизе (если привести образное сравнение – то это “хождение через чащу напролом”) методы, позволившие значительно снизить энергетические затраты на процесс электролитического разложения воды и тем самым увеличить привлекательность продуктов этого процесса как современного экологически чистого энергоносителя.

Далее возникает вопрос о вышеупомянутом методе и средствах его реализации. Ответ формируется из ряда предположений, нашедших своё экспериментальное подтверждение. В частности, рассмотрение электродов электролизной ячейки как конденсатора с возможностью создания совместно с катушкой индуктивности колебательного контура и достижения явления резонанса напряжений. Возможность импульсной “накачки” и подбора резонансной частоты такого контура с величиной близкой или равной резонансной частоте “долгоживущих” кластеров (порядка десятков или сотен килогерц). Как следствие – отсутствие больших энергетических затрат на бесполезный нагрев “рабочего тела”. Необходимость введения подбираемой экспериментально паузы между “пачками” высокочастотных импульсов “накачки”. Данная пауза даёт возможность восстановления структуры “рабочего тела” после “рабочего цикла” и позволяет избежать перехода к условиям протекания процесса обычного энергетически высокозатратного электролиза. Необходимость экспериментального подбора скважности импульсов управляющего низкочастотного генератора (единицы герц – десятки килогерц) с целью достижения оптимального соотношения времени разряда электролизной газогенераторной ячейки после “накачки” к времени самой “накачки”, которое больше или равно времени импульсного насыщения кластеров энергией до их резонансного разрушения. Такая оптимизация позволяет использовать явление протекания процесса электролиза за счёт остаточной разности потенциалов на электродах.

Таким образом, при «накачке» электролизной газогенераторной ячейки в прерывисто-импульсном режиме с подбором скважности и резонансных частот согласно кластерно-клатратной структуре воды оказалось возможным осуществление разделения воды с получением “гремучего газа” при значительно меньших энергетических затратах, чем при обычном Фарадеевском электролизе. В работе предложен способ повышения производительности электролизной газогенераторной ячейки, связанный со снижением энергетических затрат. Экспериментальная проверка теоретических выводов работы позволила добиться осуществления низкоамперного резонансного электролиза на водопроводной воде без кислотных или щелочных добавок.

Тем самым, гипотеза и ряд предположений, высказанных в данной работе, нашли своё экспериментальное подтверждение, все задачи выполнены, и цель исследования можно считать достигнутой. Необходимо отметить, что эксперименты проводились не только с чистой водопроводной, а также и с дистиллированной водой. Результаты по протеканию процесса электролитического разложения с малыми затратами энергии вышеописанным методом неизменно были положительными.

Однако остаётся несколько вопросов, которые требуют дальнейшего продолжения теоретических изысканий и экспериментальных исследований. В частности, каким образом организовать автоматическую подстройку управляющей электролизной ячейкой электроники при изменении химического состава и физической структуры воды? Как усилить и найти полезное применение некоторым эффектам, связанным, по всей видимости с поглощением энергии из окружающего пространства и ещё более сокращающим прямые энергетические затраты на производство газа? В отличие от классического электролиза, связанного с нагреванием электролитического раствора, при проведении экспериментов был выявлен неустойчиво проявлявшийся эффект незначительного (на 2-3 0С) скачкообразного понижение температуры воды в газогенераторной ячейке при достижении резонансных явлений (температура воздуха в помещении на протяжении всего времени была неизменной). Термопарные изолированные зонды двухканального электронного термометра меняли местами, что исключало возникновение приборной погрешности. Можно предположить, что энергия тепловых колебаний кластеров и молекул воды расходовалась на осуществление процесса низкоамперного электролиза быстрее, чем восстанавливалась за счет теплообмена с окружающей средой. Также мы не исключаем возможность поглощения энергии тепловых колебаний при формировании или разрушении кластеров.

Как показывает практика, на интенсивность газовыделения влияют как геометрическая форма электродов, так и марка нержавеющей стали, из которой они изготовлены. Одним из дальнейших векторов развития исследования является поиск ответа на вопрос: каким образом не химическими, а “полевыми” методами создать условия для формирования наибольшего количества “долгоживущих” кластеров с требуемыми для заданной частоты резонанса размерами в объеме «рабочего тела» электролизной газогенераторной ячейки?

Литература

1. Зайцев О.С. «Учебная книга по химии». – 2004 -№42 -§ 8.2.

http://him.1september.ru/2004/42/25.htm

2. Канарёв Ф.М. Начало физхимии микромира. Монография. 9-е издание. 1000 с.

3. Канарёв Ф.М., Подобедов В.В., Тлишев А.И. «Электролитическая ячейка низкоамперного электролизёра для получения водорода из воды»// Патент №2227817, дата выдачи патента: 27.04.2004

4. STANLEY A. MEYER “METHOD FOR THE PRODUCTION OF A FUEL GAS”// USPTO Patent № 4.936.961, Issue Dt: 06.26.1990, Application № 07207730, Filing Dt: 06.16.1988

5. Вода: структура, состояние, сольватация. Достижения последних лет. Отв.ред. А.М. Кутепов. – М: Наука. – 2003. – 404 с.

6. Corcelli S.A., Lawrence C.P., Skinner J.L. Combined electronic structure/molecular dynamics approach for ultrafast infrared spectroscopy of dilute HOD in liquid H2O and D2O// J. Chem.Phys. – 2004. – V. 120. – P. 8107-8117.

7. Yang Z.Z., Wu Y., Zhao D.X. Atom-bond electronegativity equalization method fused into molecular mechanics. I. A seven-site fluctuating charge and flexible body water potential function for water clusters// J. Chem.Phys. – 2004. – V. 120. - P. 2541-2557.

8. Khoshtariya D.E., Zahl A., Dolidze T.D., Neubrand A., van Eldik R. Local dense structural heterogeneities in liquid water from ambient to 300 MPa pressure: evidence for multiple liquid-liquid transitions// Chemphyschem. – 2004. – V. 5, - P. 1398-1404.

9. Errington J.R., Debenedetti P.G., Torquato S. Cooperative Origin of Low-Density Domains in Liquid Water// Phys. Rev Let. – 2002. – V. 89. – No. 21. – P. 215503-1 – 215503-4.

10. Henry M. Thermodynamics of hydrogen bond patterns in supramolecular assemblies of water molecules// Chemphyschem. – 2002. – V. 3. - P. 607-616,

11. Chipman D.M. Excited electronic states of small water clusters// J.Chem.Phys. – 2005. – V. 122. – P. 44111-1 - 44111-10.

12. Смирнов А.Н., Лапшин В.Б., Балышев А.В., Лебедев И.М., Гончарук В.В., Сыроешкин А.В. Структура воды: гигантские гетерофазные кластеры воды// Химия и технология воды. . – 2005.- №2. - C. 11-37

13. Фесенко Е.Е., Терпугов Е.Л. О необычных свойствах воды в тонком слое// Биофизика. – 1999. – Т. 44. – Вып. 1. – С. 5-9.

14. Пономарев О.А., Закирьянов Ф.К., Терпугов Е.Л., Фесенко Е.Е. Поглощение ИК-излучения тонким слоем воды// Биофизика. – 2001. – Т. 46. – Вып. 3. – С. 402-407.

15. Сыроешкин А.В., Смирнов А.Н., Гончарук В.В., Успенская Е.В., Николаев Г.М., Попов П.И., Кармазина Т.В., Самсони-Тодоров А.О., Лапшин В.Б. Вода как гетерогенная структура// Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ».-2006.-Т.9.- 088/060517, С. 843-854

http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2006/088.pdf

16. Isaacs, E.D., et al. 1999. Covalency of the hydrogen bond in ice: A direct X-ray measurement. Physical Review Letters 82(Jan. 18):600

17. Интернет ссылка: www.o8ode.ru

18. Зенин С.В. «Структурированное состояние воды как основа управления поведением и безопасностью живых систем»// Дис. д-ра биол. наук: 05.26.02 Москва, 1999 207 с. РГБ ОД, 71:00-3/154-4

19. Яковенко А.А., Яшин В.А., Ковалев А.Э., Фесенко Е.Е. «О структуре колебательных спектров поглощения воды в видимом диапазоне»// Биофизика.-2002. -Т. 47. –Вып. 6 -С. 965 — 969