ปัญหาเร่งด่วนประการหนึ่งคือมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อมและแหล่งพลังงานที่จำกัดจากแหล่งกำเนิดอินทรีย์ แนวทางหนึ่งที่จะแก้ปัญหาเหล่านี้ได้คือการใช้ไฮโดรเจนเป็นแหล่งพลังงาน ในบทความเราจะพิจารณาประเด็นการเผาไหม้ไฮโดรเจน อุณหภูมิ และเคมีของกระบวนการนี้
ไฮโดรเจนคืออะไร
ก่อนที่จะพิจารณาคำถามว่าไฮโดรเจนมีการเผาไหม้ที่อุณหภูมิเท่าไร ให้จำไว้ว่าสารนี้คืออะไร
ไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบทางเคมีที่เบาที่สุด ประกอบด้วยโปรตอนเพียงตัวเดียวและอิเล็กตรอนหนึ่งตัว ภายใต้สภาวะปกติ (ความดัน 1 atm. อุณหภูมิ 0 oC) อยู่ในสถานะก๊าซ โมเลกุลของมัน (H2) เกิดจาก 2 อะตอมขององค์ประกอบทางเคมีนี้ ไฮโดรเจนเป็นธาตุที่มีมากเป็นอันดับ 3 ของโลก และเป็นอันดับที่ 1 ในจักรวาล (ประมาณ 90% ของสสารทั้งหมด)
ก๊าซไฮโดรเจน (H2)ไม่มีกลิ่นไม่มีรสและไม่มีสี มันไม่เป็นพิษ แต่เมื่อเนื้อหาในอากาศอยู่ในอากาศไม่กี่เปอร์เซ็นต์ คนอาจหายใจไม่ออกเนื่องจากขาดออกซิเจน
น่าแปลกที่จะสังเกตว่าแม้ว่าจากมุมมองทางเคมี โมเลกุล H2 ทั้งหมดเหมือนกัน แต่คุณสมบัติทางกายภาพของพวกมันค่อนข้างแตกต่างกัน มันคือทั้งหมดที่เกี่ยวกับการวางแนวของการหมุนของอิเล็กตรอน (พวกมันมีหน้าที่รับผิดชอบต่อการปรากฏตัวของโมเมนต์แม่เหล็ก) ซึ่งสามารถขนานและต่อต้านขนานกัน โมเลกุลดังกล่าวเรียกว่าออร์โธ- และพาราไฮโดรเจนตามลำดับ
ปฏิกิริยาเคมีเผาไหม้
เมื่อพิจารณาถึงอุณหภูมิการเผาไหม้ของไฮโดรเจนกับออกซิเจน เราขอนำเสนอปฏิกิริยาเคมีที่อธิบายกระบวนการนี้: 2H2 + O2=> 2H2O. นั่นคือ 3 โมเลกุลมีส่วนร่วมในปฏิกิริยา (ไฮโดรเจน 2 ตัวและออกซิเจน 1 ตัว) และผลิตภัณฑ์คือโมเลกุลของน้ำ 2 ตัว ปฏิกิริยานี้อธิบายการเผาไหม้จากมุมมองทางเคมี และสามารถตัดสินได้ว่าหลังจากผ่านไปแล้ว จะเหลือเพียงน้ำบริสุทธิ์ซึ่งไม่ก่อให้เกิดมลพิษต่อสิ่งแวดล้อม ดังที่เกิดขึ้นระหว่างการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล (น้ำมันเบนซิน แอลกอฮอล์)
ในทางกลับกัน ปฏิกิริยานี้เป็นแบบคายความร้อน กล่าวคือ นอกจากน้ำแล้ว ยังปล่อยความร้อนออกมาบางส่วน ซึ่งสามารถใช้ขับรถยนต์และจรวดได้ อีกทั้งยังส่งต่อไปยังแหล่งพลังงานอื่นๆ เช่น เป็นไฟฟ้า
กลไกของกระบวนการเผาไหม้ไฮโดรเจน
อธิบายไว้ก่อนหน้านี้วรรค ปฏิกิริยาเคมี เป็นที่รู้จักของนักเรียนมัธยมปลาย แต่เป็นคำอธิบายคร่าวๆของกระบวนการที่เกิดขึ้นในความเป็นจริง โปรดทราบว่าจนถึงกลางศตวรรษที่ผ่านมา มนุษยชาติไม่ทราบว่าไฮโดรเจนเผาไหม้ในอากาศอย่างไร และในปี 1956 ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีสำหรับการศึกษาวิจัย
อันที่จริงแล้ว ถ้า O2 และ H2 ชนกัน จะไม่มีปฏิกิริยาเกิดขึ้น โมเลกุลทั้งสองค่อนข้างเสถียร เพื่อการเผาไหม้จะเกิดขึ้นและเกิดน้ำขึ้น อนุมูลอิสระจะต้องมีอยู่ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง อะตอม H, O และหมู่ OH ต่อไปนี้เป็นลำดับของปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเมื่อไฮโดรเจนถูกเผาจริง:
- H + O2=> OH + O;
- OH + H2 => H2O + H;
- O + H2=OH + H.
คุณเห็นอะไรจากปฏิกิริยาเหล่านี้? เมื่อไฮโดรเจนเผาไหม้ น้ำก็ก่อตัว ใช่ ถูกต้อง แต่มันเกิดขึ้นเมื่ออะตอมของ OH สองกลุ่มมาบรรจบกับ H2 โมเลกุลเท่านั้น นอกจากนี้ ปฏิกิริยาทั้งหมดยังเกิดขึ้นกับการก่อตัวของอนุมูลอิสระ ซึ่งหมายความว่ากระบวนการเผาไหม้แบบพึ่งพาตนเองได้เริ่มต้นขึ้น
ดังนั้น กุญแจสำคัญในการเริ่มต้นปฏิกิริยานี้คือการก่อตัวของอนุมูล จะปรากฏขึ้นหากคุณนำไม้ขีดไฟมาผสมกับออกซิเจน-ไฮโดรเจน หรือหากคุณให้ความร้อนกับส่วนผสมนี้ที่อุณหภูมิสูงกว่าที่กำหนด
เริ่มปฏิกิริยา
ตามที่ระบุไว้ มีสองวิธีในการทำเช่นนี้:
- ด้วยความช่วยเหลือของประกายไฟที่ควรให้เพียง 0ความร้อน 02 mJ นี่เป็นค่าพลังงานที่น้อยมากสำหรับการเปรียบเทียบ สมมติว่าค่าใกล้เคียงกันสำหรับส่วนผสมของน้ำมันเบนซินคือ 0.24 mJ และสำหรับก๊าซมีเทน - 0.29 mJ เมื่อความดันลดลง พลังงานเริ่มต้นของปฏิกิริยาจะเพิ่มขึ้น ดังนั้น ที่ 2 kPa เท่ากับ 0.56 mJ แล้ว อย่างไรก็ตาม ค่าเหล่านี้เป็นค่าที่น้อยมาก ดังนั้นส่วนผสมของไฮโดรเจนกับออกซิเจนจึงถือว่าติดไฟได้สูง
- ด้วยความช่วยเหลือของอุณหภูมิ นั่นคือส่วนผสมของออกซิเจนและไฮโดรเจนสามารถถูกทำให้ร้อนและที่อุณหภูมิสูงกว่าที่กำหนดก็จะจุดไฟเอง เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้นขึ้นอยู่กับความดันและเปอร์เซ็นต์ของก๊าซ ในความเข้มข้นที่หลากหลายที่ความดันบรรยากาศ ปฏิกิริยาการเผาไหม้ที่เกิดขึ้นเองจะเกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูงกว่า 773-850 K นั่นคือ สูงกว่า 500-577 oC สิ่งเหล่านี้มีค่าค่อนข้างสูงเมื่อเทียบกับส่วนผสมของน้ำมันเบนซินซึ่งเริ่มติดไฟได้เองที่อุณหภูมิต่ำกว่า 300 oC.
ร้อยละของก๊าซในส่วนผสมที่ติดไฟได้
เมื่อพูดถึงอุณหภูมิของการเผาไหม้ไฮโดรเจนในอากาศ ควรสังเกตว่าไม่ใช่ทุกส่วนผสมของก๊าซเหล่านี้จะเข้าสู่กระบวนการภายใต้การพิจารณา จากการทดลองพบว่าถ้าปริมาณออกซิเจนน้อยกว่า 6% โดยปริมาตร หรือถ้าปริมาณไฮโดรเจนน้อยกว่า 4% โดยปริมาตร จะไม่เกิดปฏิกิริยาขึ้น อย่างไรก็ตาม ข้อจำกัดของการมีอยู่ของส่วนผสมที่ติดไฟได้นั้นค่อนข้างกว้าง สำหรับอากาศ เปอร์เซ็นต์ของไฮโดรเจนสามารถอยู่ในช่วง 4.1% ถึง 74.8% โปรดทราบว่าค่าบนตรงกับค่าออกซิเจนขั้นต่ำที่ต้องการ
ถ้าพิจารณาส่วนผสมของออกซิเจนและไฮโดรเจนบริสุทธิ์ จากนั้นขีดจำกัดจะกว้างยิ่งขึ้นที่นี่: 4, 1-94%
การลดความดันของก๊าซนำไปสู่การลดลงในขีดจำกัดที่กำหนด (ขีดจำกัดล่างเพิ่มขึ้น อันบนจะตก)
สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจด้วยว่าในระหว่างการเผาไหม้ไฮโดรเจนในอากาศ (ออกซิเจน) ผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาที่เกิดขึ้น (น้ำ) จะทำให้ความเข้มข้นของรีเอเจนต์ลดลง ซึ่งอาจนำไปสู่การยุติกระบวนการทางเคมี.
ความปลอดภัยในการเผาไหม้
นี่คือลักษณะสำคัญของส่วนผสมที่ติดไฟได้ เพราะจะช่วยให้คุณตัดสินได้ว่าปฏิกิริยานั้นสงบและสามารถควบคุมได้ หรือกระบวนการนั้นระเบิดได้ อะไรเป็นตัวกำหนดอัตราการเผาไหม้? แน่นอน ความเข้มข้นของรีเอเจนต์ ความดัน และปริมาณพลังงานของ "เมล็ด" ด้วย
แต่น่าเสียดายที่ไฮโดรเจนในระดับความเข้มข้นที่หลากหลายสามารถเผาไหม้แบบระเบิดได้ ตัวเลขต่อไปนี้แสดงไว้ในวรรณกรรม: ไฮโดรเจน 18.5-59% ในส่วนผสมของอากาศ นอกจากนี้ ที่ขอบของขีดจำกัดนี้ อันเป็นผลมาจากการระเบิด ปริมาณพลังงานสูงสุดต่อหน่วยปริมาตรจะถูกปล่อยออกมา
ลักษณะการเผาไหม้ที่ทำเครื่องหมายไว้เป็นปัญหาใหญ่สำหรับการใช้ปฏิกิริยานี้เป็นแหล่งพลังงานที่ควบคุม
อุณหภูมิปฏิกิริยาการเผาไหม้
ตอนนี้เรามาตอบคำถามกันตรง ๆ อุณหภูมิต่ำสุดของการเผาไหม้ไฮโดรเจนคืออะไร มันคือ 2321 K หรือ 2048 oC สำหรับผสมกับ 19.6% H2 กล่าวคือ อุณหภูมิการเผาไหม้ของไฮโดรเจนในอากาศสูงขึ้น2000 oC (สำหรับความเข้มข้นอื่นๆ สามารถเข้าถึง 2500 oC) และเมื่อเทียบกับส่วนผสมของน้ำมันเบนซิน นี่เป็นตัวเลขที่ใหญ่มาก (สำหรับน้ำมันเบนซิน ประมาณ 800 oC). หากคุณเผาไฮโดรเจนด้วยออกซิเจนบริสุทธิ์ อุณหภูมิเปลวไฟจะสูงขึ้นอีก (สูงถึง 2800 oC)
อุณหภูมิเปลวไฟที่สูงเช่นนี้ทำให้เกิดปัญหาในการใช้ปฏิกิริยานี้เป็นแหล่งพลังงาน เนื่องจากขณะนี้ยังไม่มีโลหะผสมที่สามารถทำงานได้เป็นเวลานานในสภาวะที่รุนแรงเช่นนี้
แน่นอน ปัญหานี้แก้ไขได้ด้วยการใช้ระบบทำความเย็นที่ออกแบบมาอย่างดีสำหรับห้องที่มีการเผาไหม้ของไฮโดรเจน
ปริมาณความร้อนที่ปล่อยออกมา
ในส่วนของคำถามเรื่องอุณหภูมิการเผาไหม้ของไฮโดรเจน การให้ข้อมูลเกี่ยวกับปริมาณพลังงานที่ปล่อยออกมาระหว่างปฏิกิริยานี้ก็เป็นเรื่องที่น่าสนใจเช่นกัน สำหรับสภาวะและองค์ประกอบต่างๆ ของของผสมที่ติดไฟได้ จะได้รับค่าตั้งแต่ 119 MJ/กก. ถึง 141 MJ/กก. เพื่อให้เข้าใจว่าค่านี้อยู่ที่เท่าไร เราทราบว่าค่าส่วนผสมของน้ำมันเบนซินใกล้เคียงกันคือประมาณ 40 MJ / kg
พลังงานที่ได้จากส่วนผสมของไฮโดรเจนนั้นสูงกว่าน้ำมันเบนซินมาก ซึ่งเป็นข้อดีอย่างมากสำหรับการใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์สันดาปภายใน อย่างไรก็ตามไม่ใช่ทุกอย่างจะง่ายที่นี่เช่นกัน ความหนาแน่นของไฮโดรเจนอยู่ที่ความดันบรรยากาศต่ำเกินไป ดังนั้น 1m3 ของก๊าซนี้มีน้ำหนักเพียง 90 กรัม หากคุณเผา 1 เมตร3 H2 ความร้อนประมาณ 10-11 MJ จะถูกปล่อยออกมา ซึ่งน้อยกว่าเมื่อก่อนถึง 4 เท่า เผาน้ำมันเบนซิน 1 กก. (เกิน 1 ลิตร)
ตัวเลขที่ระบุระบุว่าเพื่อใช้ปฏิกิริยาการเผาไหม้ไฮโดรเจน จำเป็นต้องเรียนรู้วิธีเก็บก๊าซนี้ในถังแรงดันสูง ซึ่งสร้างปัญหาเพิ่มเติมอยู่แล้วทั้งในด้านเทคโนโลยีและความปลอดภัย
การใช้ไฮโดรเจนที่ติดไฟได้ในเทคโนโลยี: ปัญหา
ต้องพูดทันทีว่าปัจจุบันส่วนผสมที่ติดไฟได้ของไฮโดรเจนถูกใช้ไปแล้วในบางพื้นที่ของกิจกรรมของมนุษย์ ตัวอย่างเช่น เป็นเชื้อเพลิงเพิ่มเติมสำหรับจรวดอวกาศ เป็นแหล่งผลิตพลังงานไฟฟ้า เช่นเดียวกับในรถยนต์รุ่นใหม่รุ่นทดลอง อย่างไรก็ตาม ขนาดของแอปพลิเคชันนี้มีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับเชื้อเพลิงฟอสซิล และโดยทั่วไปแล้วจะเป็นการทดลองในธรรมชาติ เหตุผลนี้ไม่ได้เป็นเพียงความยากลำบากในการควบคุมปฏิกิริยาการเผาไหม้เท่านั้น แต่ยังรวมถึงการจัดเก็บ การขนส่ง และการสกัด H2.
ไฮโดรเจนบนโลกนั้นแทบไม่มีอยู่ในรูปที่บริสุทธิ์ ดังนั้นจึงต้องได้มาจากสารประกอบต่างๆ ตัวอย่างเช่นจากน้ำ นี่เป็นวิธีที่นิยมใช้กันในปัจจุบัน ซึ่งดำเนินการโดยผ่านกระแสไฟฟ้าผ่าน H2O ปัญหาทั้งหมดคือสิ่งนี้ใช้พลังงานมากกว่าที่จะได้รับจากการเผาไหม้ H2.
ปัญหาสำคัญอีกประการหนึ่งคือการขนส่งและการเก็บรักษาไฮโดรเจน ความจริงก็คือก๊าซนี้เนื่องจากโมเลกุลที่มีขนาดเล็กจึงสามารถ "บินออกจาก" ได้ตู้คอนเทนเนอร์ นอกจากนี้เมื่อเข้าไปในโครงโลหะของโลหะผสมก็ทำให้เกิดการเปราะบาง ดังนั้น วิธีที่มีประสิทธิภาพที่สุดในการจัดเก็บ H2 คือการใช้อะตอมของคาร์บอนที่สามารถจับก๊าซที่ "เข้าใจยาก" ได้อย่างแน่นหนา
ดังนั้น การใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงในปริมาณมากหรือน้อยนั้นเป็นไปได้เฉพาะในกรณีที่ใช้เป็น "การจัดเก็บ" ของไฟฟ้าเท่านั้น (เช่น การแปลงพลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์เป็นไฮโดรเจนโดยใช้กระแสไฟฟ้าด้วยน้ำ) หรือถ้าคุณเรียนรู้ที่จะส่ง H2 จากอวกาศ (ซึ่งมีจำนวนมาก) สู่โลก