Почему мы до сих пор не умеем делать воду — и как научиться ее беречь
Лето — разве не идеальное время, чтобы бросить побольше льда в лимонад, наполнить бассейн и почаще принимать долгий, освежающий душ? Если коротко — то нет.
На самом деле, когда мы все наслаждаемся прекрасной погодой, легко забыть о важности экономии воды. Но разве не было бы проще, если бы мы могли просто делать воду с нуля? В конце концов, сегодня мы можем изготавливать самые разнообразные вещи — от бриллиантов до бургеров.
Н-2-О нет!
Теоретически, сделать воду должно быть легко. Надо лишь взять два атома водорода и соединить с атомом кислорода — разве это может быть сложно? Оказывается, может — и даже очень.
Просто смешав водород с кислородом, воду вы не получите — для того, чтобы их соединить, нужна энергия. Проблема с добавлением в это уравнение энергии заключается в том, что масштабная химическая реакция легковоспламеняющегося водорода и кислорода (который как раз и поддерживает горение) может привести к довольно большому взрыву. Поэтому опасности в этой затее больше, чем пользы.
Если мы не можем просто сделать воду из ее атомов, есть ли другие способы ее создать? В последнее время ученые сосредотачиваются на получении воды из воздуха и использовании для этого влажности. К сожалению, большинство таких исследований находятся на ранних стадиях и проводятся в небольших масштабах. То есть, бороться с нехваткой воды и засухой таким образом сейчас, безусловно, нельзя.
Настоящая жажда
Однако засуха — не единственная причина, почему мы работаем над тем, чтобы научиться делать воду. Население Земли постоянно увеличивается — и спрос на воду также растет.
Кроме того, в мире до сих пор есть места, где нет доступа к чистой воде. Хотя около 71% поверхности Земли — это вода, большая ее часть — это соленая вода, то есть не питьевая.
Лишь 2% воды на Земле является пресной и безопасной для питья, и более половины ее находится в полярных ледяных шапках, откуда мы не можем ее получить. В то же время много чистой, питьевой воды мы теряем просто потому, что воспринимаем ее как должное.
Нам так легко получить воду у себя дома и на работе, что мы забываем, что это ограниченный ресурс и однажды он, вполне вероятно, закончится. По всем этим причинам поиск новых способов создания воды становится все более актуальным.
Голубая планета №2?
Підпис до фото,Можем ли мы добывать воду на других планетах?
Ученые заинтересованы не только в создании и сборе воды на Земле. На самом деле, их исследования распространяются на самые удаленные уголки космоса. Сейчас астронавты NASA полагаются на свою Систему восстановления воды (Water Recovery System) для переработки водорода и углекислого газа в космосе для получения воды (и метана). В космосе у них нет дождя и водоемов, которые есть здесь у нас, поэтому количество воды еще более ограничено. Было бы почти идеально, если бы мы могли брать воду из космоса — но насколько это реально?
В прошлом году ученые обнаружили доказательства наличия льда на так называемой темной стороне Луны. Ранее подобные образования льда находили и на других планетах, например на Меркурии. Не трудно представить, как сильно это взволновало научное сообщество. Возможность брать воду с Луны и других планет не только открывает водные ресурсы за пределами Земли, но также дает возможность дальнейшего исследования космоса.
Но лед — не единственный водный ресурс в космосе. На Марсе есть ряд возможных источников воды — нам просто нужно найти способ ее добычи. Например, воду можно было бы собирать из атмосферы, из почвы или даже добывать из полезных ископаемых — возможности бесконечны. К сожалению, наши технологии еще не настолько развиты.
А может, начать с того, чтобы беречь то, что имеем?
Поэтому, возможно, вода — это не столь ограниченный ресурс, как мы считали изначально.
Но пока возможность получать воду в глобальном или даже планетарном масштабе все еще недоступна.
Так что же мы можем сделать для сохранения воды, которая уже есть? Самое главное — не воспринимать воду как должное. Вот пять полезных советов, которые помогут вам уменьшить количество потребляемой воды:
- Не принимайте душ слишком долго. В жаркую погоду понятно желание принимать душ чаще. Однако, когда вы его принимаете, делайте это недолго, или даже замените долгий душ частично наполненной ванной.
- Не оставляйте кран открытым, когда в этом нет необходимости. Чаще всего так происходит, когда вы чистите зубы или умываетесь — но подумайте, что вся эта вода просто стекает в канализацию!
- Используйте стиральную или посудомоечную машины только с полной загрузкой. Одна полная загрузка экономит гораздо больше воды, чем две или три частичных.
- Не поливайте газон и растения избыточно. А также поливайте их в прохладное время суток — например, вечером вода не испаряется на солнце, поэтому расходуется меньше.
- Держите бутылку с водой в холодильнике, а не ждите, пока из крана потечет холодная.
В среднем человек использует около 9 000 литров воды в год — этого достаточно для наполнения двух бензиновых цистерн! Еще страшнее думать, что, по прогнозам, к 2025 году более 60% людей будут иметь ограниченный доступ к пресной воде.
Даже самая незначительная экономия воды может иметь огромное значение — если в ней будет участвовать большое количество людей.
Получение водорода электролизом воды / Статьи и обзоры / Элек.ру
Получение чистого водорода путем электролиза воды — самая очевидная и эффективная технология, и один из наиболее перспективных способов получения альтернативного топлива. Водород добывают из любого водного раствора, а при сгорании он превращается обратно в воду.
По сравнению с прочими методами получения водорода, электролиз воды отличается целым рядом преимуществ.
Во-первых, в ход идет доступное сырье — деминерализованная вода и электроэнергия. Во-вторых, во время производства отсутствуют загрязняющие выбросы. В-третьих, процесс целиком автоматизирован. Наконец, на выходе получается достаточно чистый (99,99%) продукт. Из всех методов электролиза наиболее перспективным считают высокотемпературный электролиз (себестоимость водорода от 2,35 до 4,8 $/кг). Его следует иметь на технологическом вооружении, поскольку при определенных экономических условиях он может быть использован в крупнопромышленном масштабе.
Электролизом воды называется физико-химический процесс, при котором под действием постоянного электрического тока дистиллированная вода разлагается на кислород и водород. В результате разделения на части молекул воды, водорода по объему получается вдвое больше, чем кислорода. Эффективность электролиза такова, что из 500 мл воды получается около кубометра обоих газов с затратами около 4 квт/ч электрической энергии.
Технологический ток для протекания процесса электролиза воды для получения водорода и кислорода получается, как правило, при помощи промышленного выпрямителя с необходимыми рабочими параметрами, Обычно это напряжение до 90В и силой тока до 1500 А. Подходящим агрегатом является Пульсар СМАРТ.
На электронном дисплее выпрямителя Пульсар СМАРТ или в специальном ПО для компьютера можно контролировать все стадии процесса производства, что позволяет оператору следить за параметрами, и круглосуточно журналировать протекание технологического процесса. Полностью автоматическая работа, включающая непрерывный мониторинг всех параметров для безаварийного функционирования без надзора оператора. Все параметры, касающиеся напряжения и силы тока постоянно измеряются и контролируются микропроцессором выпрямителя. Более того, все контролируемые параметры фиксируются устройством, которое в случае сбоя или отклонения может автоматически остановить процесс и сигнализирует об этом при помощи световой колонны.
Выпрямители тока серии Пульсар СМАРТ разработаны в соответствии с самыми высокими требованиями промышленной эффективности и международными стандартами.
При этом технологическое программное обеспечение допускает гибкую адаптацию к требованиям Заказчика, и постоянно совершенствуется.
Кислород и водород на Марсе предложили получать из рассола
Ученые разработали метод получения кислорода и водорода из жидкого солевого раствора в условиях марсианских озер с помощью электролиза. Особенностью эксперимента стало использование оксида свинца-рутения в качестве электрокатализатора выработки кислорода. Выработка кислорода с помощью такой установки оказалась в 25 раз энергоэффективнее, чем в случае MOXIE, запущенной к Красной планете в рамках миссии «Марс-2020», а размер и вес устройства для жизнеобеспечения на основе описанной технологии будет меньше, чем у аналогов. Статья опубликована в журнале PNAS.
Условия на Марсе далеки от благоприятных для человека:
атмосфера разрежена и на 95 процентов состоит из углекислого газа, а перепады
температур превышают 100 градусов Цельсия при средней температуре минус 63
градуса. Поэтому колонизация Красной планеты невозможна без создания системы
жизнеобеспечения, которая бы в таких суровых условиях смогла бы обеспечить людей кислородом для дыхания и топливом (к примеру, водородом) для
энергообеспечения и, в идеале, обратного полета. Для решения первой задачи в NASA создали
MOXIE
(Mars Oxygen ISRU Experiment) — экспериментальную установку для получения кислорода из атмосферного углекислого газа путем электролиза.
Для проверки эффективности такого метода в полевых условиях установка стала
частью марсохода «Персеверанс» (Perseverance),
запуск которого осуществили 30 июля 2020 года в рамках миссии «Марс-2020».
Альтернативным источником не только кислорода, но и водорода на Марсе может стать вода, первые прямые доказательства существования которой на Красной планете были получены еще в 1971 году. Особо привлекательными для использования в прикладных целях, однако, были бы запасы соленой воды, примеси в которой позволили бы ей оставаться в жидком состоянии даже при низких температуре и давлении. Первые следы такого рассола (жидкого соляного раствора) с перхлоратом магния в качестве основного компонента обнаружили на Марсе в 2015 году, а в 2018 году под полярным льдом планеты нашли водоем диаметром около 20 километров, которой мог образоваться из-за вулканической активности. Позже планетологи подтвердили, что такие озера на Марсе правда существуют и могут быть многочисленными.
Теперь же Пралай Гайен (Pralay Gayen) из Университета Вашингтона в Сент-Луисе вместе с коллегами создал установку по получению кислорода и водорода из соляного раствора, близкого по составу и температуре к таковому в марсианских озерах. В качестве рассола в эксперименте использовался раствор перхлората магния в воде с концентрацией 2,8 моль на литр, охлажденный до минус 36 градусов Цельсия и продуваемый углекислым газом (последний играл роль марсианской атмосферы). В качестве электрокатализатора выработки кислорода ученые использовали оксид свинца-рутения Pb 2Ru2O7-δ, эффективность которого они ранее показали для щелочных растворов. В роли электрокатализатора выработки водорода выступала платина на активированном угле — стандартный в этом случае катализатор, а в качестве сепаратора использовалась коммерчески выпускаемая анионообменная мембрана.
Схема установки.
В красной области вырабатывается кислород, в синей — водород.
Pralay Gayen et al. / PNAS
В ходе исследования ученые показали, что оксид свинца-рутения как электрокатализатор действительно в разы эффективнее обычно используемого в подобных установках оксида рутения. После поведение созданной установки изучили в широком диапазоне температур от −36 до 21 градуса Цельсия и не увидели радикальных колебаний в эффективности и темпе выработки. Выход по току экспериментальной установки составил 70 процентов, а энергоэффективность оказалась в промежутке между 36 и 70 процентами (в зависимости от напряжения, подаваемого на пластины). Кроме того, установка оказалась устойчива к деградации катализатора: ученым не удалось найти следы рутения в растворе после 300-минутной работы устройства.Темпы выработки кислорода (синие точки) и водорода (красные точки) в зависимости от плотности катодного тока.
Pralay Gayen et al. / PNAS
Также исследователи сравнили достигнутые темпы выработки кислорода с показателями MOXIE в 10-22 грамм в час: оказалось, что при той же подаче энергии созданная установка производит в 25 раз больше кислорода, чем эксперимент на марсоходе «Персеверанс». Чтобы иметь те же темпы выработки кислорода, что и у MOXIE, устройство должно было бы обладать электродами с площадью 28-62 квадратных сантиметра, а для обеспечения жизнедеятельности спящего и активно двигающегося человека этот параметр должен был бы составить 375 и 1235 квадратных сантиметра соответственно. При этом масса и объем установки будет меньше, чем если использовать технологию, заложенную в MOXIE. Более того, разработанный способ получения кислорода не требует его последующей очистки, в то время как в ходе электролиза в MOXIE вырабатывается и монооксид углерода, который необходимо отфильтровывать.
Зависимость от потребляемой мощности темпа выработки кислорода установки (синяя линия), а также ее мысы и объема для обеспечения различных режимов жизнедеятельности человека (черные линии). Синяя точка — мощность и темп выработки кислорода у MOXIE.
Pralay Gayen et al. / PNAS
Ранее мы рассказывали о еще одном методе получения кислорода из углекислого газа в марсианской атмосфере (как MOXIE): ученые предложили делать это с помощью низкотемпературной плазмы. А о том, какова роль марсохода «Персеверанс» помимо проверки метода выработки кислорода, можно почитать в нашем материале «Марс, туда и обратно». Никита КозыревРасщепление воды с эффективностью 100%: полдела сделано / Хабр
Если найти дешёвый и простой способ электролиза/фотолиза воды, то мы получим невероятно богатый и чистый источник энергии — водородное топливо. Сгорая в кислороде, водород не образует никаких побочных выделений, кроме воды. Теоретически, электролиз — очень простой процесс: достаточно пропустить электрический ток через воду, и она разделяется на водород и кислород. Но сейчас все разработанные техпроцессы требуют такого большого количества энергии, что электролиз становится невыгодным.
Теперь учёные решили часть головоломки. Исследователи из Технион-Израильского технологического института разработали метод проведения второго из двух шагов окислительно-восстановительной реакции — восстановления — в видимом (солнечном) свете с энергетической эффективностью 100%, значительно превзойдя предыдущий рекорд 58,5%.
Осталось усовершенствовать полуреакцию окисления.
Столь высокой эффективности удалось добиться благодаря тому, что в процессе используется только энергия света. Катализаторами (фотокатализаторами) выступают наностержни длиной 50 нм. Они абсорбируют фотоны от источника освещения — и выдают электроны.
В полуреакции окисления производятся четыре отдельных атома водорода и молекула О2 (которая не нужна). В полуреакции восстановления четыре атома водорода спариваются в две молекулы H2, производя полезную форму водорода — газ H2,
Эффективность 100% означает, что все фотоны, поступившие в систему, участвуют в генерации электронов.
На такой эффективности каждый наностержень генерирует около 100 молекул H2 в секунду.
Сейчас учёные работают над оптимизацией техпроцесса, который пока что требует щелочной среды с невероятно высоким pH. Такой уровень никак не приемлем для реальных условий эксплуатации.
К тому же, наностержни подвержены коррозии, что тоже не слишком хорошо.
Тем не менее, сегодня человечество стало на шажок ближе к получению неиссякаемого источника чистой энергии в виде водородного топлива.
Научная работа опубликована в журнале Nano Letters (зеркало).
Новый способ расщепления воды сделает производство водорода «зеленым»
Австралийские ученые разработали более дешевый и эффективный способ получения водорода из воды с использованием железных и никелевых катализаторов, вместо редкоземельных элементов, вроде рутения, платины и иридия, которые по стоимости обходятся в сотни раз дороже.
Развивающаяся концепция «водородной экономики» предполагает, что в скором времени сжатый водород станет таким же распространенным источником энергии, как бензин, а автомобили на топливных элементах будут встречаться не реже, чем электромобили на батареях и машины с двигателями внутреннего сгорания.
Недавно мы писали о первом танкере для транспортировки сжиженного водорода, который был запущен в Японии.
Он предназначен для перевозки газа из Австралии, где его получают совсем не «чистым» способом: сжиганием бурого угля, 160 тонн которого дает всего 3 тонны водорода и 100 тонн выбросов С02.
В перспективе десятилетий рынок водорода как источника «чистой энергии» оценивается в триллионы долларов, и особенно это направление набирает обороты в Японии и Корее. Но его большие деньги становятся уже не такими привлекательными, когда речь заходит о технологиях, не причиняющих вреда окружающей среде.
Читайте также: И хранить, и генерировать энергию для зданий сможет гибридная батарея на основе «реверсивных» топливных элементов
Экологически безопасный способ получения водорода состоит в том, чтобы отделить его от воды с помощью электролиза. Пара электродов помещается в емкость с жидкостью и включается питание. Кислород притягивается к аноду, водород – к катоду, и если при этом электричество, которое участвует в процессе, генерируется возобновляемыми источниками, то на выходе можно получить так называемый «зеленый» водород.
Сегодня проблема промышленного производства водорода заключается в том, что расщепление воды является дорогостоящим и малоэффективным процессом. По этой причине такой вид топлива пока не может конкурировать с бензином. Новая разработка австралийских университетов UNSW, Griffith и Swinburne обещает совершить прорыв в этой области.
В документе, опубликованном в Nature Communications, команда ученых заявила, что им удалось заменить дорогую платину на углеродный катализатор.
«Мы покрываем электроды нашим катализатором, чтобы уменьшить потребление энергии, — уточнил профессор Школы химии UNSW Чуан Чжао. — На этом катализаторе имеется крошечный наноразмерный участок, где железо и никель взаимодействуют на атомном уровне. Именно здесь водород может быть отделен от кислорода, который выделяется в виде экологически чистых отходов».
Исследователи говорят, что наноуровень взаимодействия фундаментально меняет свойства материалов. Таким образом, никель-железный катализатор может быть таким же эффективным, как и платиновый. А дополнительным его преимуществом является возможность применения для катализа как водорода, так и кислорода, что значительно снижает производственные расходы.
Пока неясно, как скоро получится внедрить новую разработку в промышленность и насколько она повлияет на стоимость крупномасштабного производства водорода, но Чжао настроен оптимистично:
«Мы десятилетия говорили об эре водородной экономики, но сейчас эти разговоры могут стать реальностью».
Источник: unsw.edu.au
А вы что думаете по этому поводу? Дайте нам знать – напишите в комментариях!
Понравилась статья? Поделитесь ею и будет вам счастье!
Проблема зеленого водорода, о которой никто не говорит
Гигаватт за гигаваттом зеленой водородной мощности планируется построить в Европе, Азии и Австралии. По мнению сторонников этой технологии, зеленый водород — тот, который вырабатывается электролизом на солнечных батареях, ветре и других возобновляемых источниках энергии, — является лучшим способом обезуглероживания тяжелых загрязнителей окружающей среды. Сейчас много говорят о снижении стоимости солнечной и ветровой энергии и о том, как они очень скоро сделают зеленый водород жизнеспособным. Кажется, никто не хочет говорить о воде. Электролиз — это процесс расщепления воды на составляющие элементы — водород и кислород — с помощью электрического тока. Этот процесс осуществляется в установке, называемой электролизером. Когда сторонники водорода говорят о блестящем будущем технологии, они сосредотачиваются на затратах, связанных с электричеством, необходимым для электролиза. Но для электролиза, кроме электричества, нужна вода.
Тонны воды — буквально.
Для производства одной тонны водорода путем электролиза требуется в среднем девять тонн воды.
Но чтобы получить эти девять тонн воды, недостаточно просто перенаправить течение ближайшей реки. Вода, которую электролизер расщепляет на составные элементы, требует очистки.
В свою очередь, процесс очистки воды довольно расточителен. Системам очистки воды обычно требуется около двух тонн загрязненной воды для производства одной тонны очищенной воды. Другими словами, на одну тонну водорода на самом деле нужно не девять, а 18 тонн воды. С учетом потерь соотношение приближается к 20 тоннам воды на 1 тонну водорода.
Говоря об очистке воды, химики-органики объясняют, что самый простой способ сделать это — дистиллировать. Этот метод дешев, потому что для него требуется только электричество, но он не быстрый. Что касается стоимости электроэнергии, то для дистилляции литра воды требуется 2,58 мегаджоулей энергии, что в среднем составляет 0,717 кВтч.
На первый взгляд это не так уж и много, но давайте посмотрим, как все выглядит в большем масштабе. Германия — страна с самыми амбициозными планами в отношении зеленого водорода. Стоимость электроэнергии для небытовых потребителей в Германии в прошлом году составляла в среднем 0,19 доллара (0,16 евро) за кВтч. Таким образом, при уровне потребления энергии 0,717 кВтч перегонка литра воды будет стоить 0,14 доллара (0,1147 евро). За тонну воды это будет 135,14 доллара (114,72 евро).
Однако для производства одной тонны водорода для электролиза требуется 18 тонн воды, не считая потерь во время процесса. Это означает, что стоимость очистки воды для производства тонны водорода составит 2432 доллара (2065 евро). Это основано на предположении, что вода будет очищаться самым дешевым из доступных методов. Существуют и другие, гораздо более быстрые, но более дорогие методы с использованием ионообменных смол или молекулярного сита. Другие альтернативы дистилляции, по мнению химиков, на данном этапе ненадежны.
Таким образом, обеспечение правильного типа воды для гидролиза стоит денег, и хотя 2400 долларов за тонну водорода могут показаться не такими уж большими, стоимость очистки воды — не единственные связанные с водой расходы в технологии, которая направлена на получение водорода из возобновляемых источников.
Вода, подаваемая в электролизер, не только чистая, но и транспортируется к нему.
Транспортировка тонны за тонной воды к месту установки электролизера означает большие затраты на логистику. Чтобы их сократить, имеет смысл выбрать место, где много воды, например, у реки или моря, или, в качестве альтернативы, рядом с водоочистными сооружениями. Это ограничивает выбор мест, подходящих для крупных электролизеров. Но поскольку электролизер, чтобы быть экологически чистым, должен получать энергию от возобновляемых источников энергии, он также должен располагаться поблизости от солнечной или ветряной электростанции. Их, как мы знаем, невозможно построить где-либо; солнечные фермы наиболее рентабельны в местах с большим количеством солнечного света, а ветряные электростанции лучше всего работают в местах с сильным ветром.
Излишне говорить, что эти места, как правило, не расположены близко к водным путям, за исключением морского ветра, который кажется идеальным для производства зеленого водорода. К сожалению, морской ветер также является наиболее затратной формой из трех возобновляемых источников — солнечной энергии, берегового ветра и морского ветра — обычно упоминаемых в контексте производства зеленого водорода. По данным Rystad Energy, капитальные затраты на оффшорную ферму в два раза выше, чем у ее наземного аналога, и в четыре раза выше, чем затраты на сопоставимую солнечную установку.
Не все затраты, связанные с производством водорода из возобновляемых источников энергии, являются затратами на эти возобновляемые источники энергии. Вода — это товар, в котором нуждается этот процесс, и немного странно, что никто, кажется, не хочет обсуждать стоимость воды.
Возможно, стоимость водоснабжения, хранения и очистки незначительна по сравнению с другими затратами, которые необходимо решить в первую очередь. Тем не менее, это фактические затраты, которые следует добавить к общей сумме при оценке того, насколько далеко продвинулась технология производства водорода из возобновляемой электроэнергии и насколько она стала жизнеспособной.
На данный момент эксперты, похоже, единодушны в том, что это нежизнеспособно — не без значительной государственной поддержки.
Ученые нашли способ добычи кислорода в космосе
Космические агентства и частные компании уже разрабатывают планы по отправке людей на Марс в ближайшие несколько лет, что в конечном итоге приведет к его колонизации. И с увеличением числа открытых землеподобных планет вокруг близлежащих звезд дальние космические путешествия становятся все более актуальными.
Однако людям нелегко выжить в космосе в течение длительного периода времени. Одной из основных проблем космического полета на большие расстояния является транспортировка достаточного количества кислорода для дыхания космонавтов и достаточного количества топлива для работы сложной электроники. К сожалению, в космосе практически нет кислорода, поэтому запасать его нужно на Земле.
Но новое исследование, опубликованное в Nature Communications, показывает, что можно производить водород (для топлива) и кислород (для дыхания) из воды, используя только полупроводниковый материал, солнечный (или звездный) свет и невесомость, что делает далекие путешествия более реальными.
Использование неограниченного ресурса Солнца для питания нашей повседневной жизни — одна из самых глобальных задач на Земле. Поскольку мы медленно отходим от нефти к возобновляемым источникам энергии, исследователи заинтересованы в возможности использования водорода в качестве топлива. Лучшим способом сделать это было бы разделение воды (h3O) на ее составляющие: водород и кислород. Это возможно с использованием процесса, известного как электролиз, который состоит в пропускании тока через воду, содержащую некоторое количество растворимого электролита (например, соли — прим. перев.). В результате вода распадается на атомы кислорода и водорода, которые выделяются каждый на своем электроде.
Электролиз воды.
Хотя этот метод технически возможен и известен уже не одно столетие, он все еще не стал легкодоступным на Земле, поскольку нам нужно больше инфраструктуры, связанной с водородом — например, заправочных станций водорода.
Водород и кислород, полученные таким образом из воды, могут также использоваться в качестве топлива на космическом корабле. Запуск ракеты с водой на самом деле был бы намного безопаснее, чем с дополнительным ракетным топливом и кислородом на борту, так как при аварии их смесь может быть взрывоопасной. Теперь же в космосе специальная технология сможет разделить воду на водород и кислород, которые, в свою очередь, могут быть использованы для поддержания дыхания и работоспособности электроники (например, с помощью топливных элементов).
Для этого есть два варианта. Один из них — это электролиз, как и на Земле, с использованием электролитов и солнечных батарей для получения тока. Но, увы, электролиз — очень энергозатратный процесс, а энергия в космосе и без того «на вес золота».
Альтернативой является использование фотокатализаторов, которые работают путем поглощения фотонов полупроводниковым материалом, размещенном в воде. Энергия фотона «выбивает» электрон из материала, оставляя в нем «дырку». Свободный электрон может взаимодействовать с протонами в воде с образованием атомов водорода. Между тем, «дырка» может поглощать электроны из воды с образованием протонов и атомов кислорода.
Процесс фотокатализа в земных условиях и при микрогравитации (в миллион раз меньше, чем на Земле). Как видно, во втором случае количество появляющихся пузырьков газа больше.
Этот процесс может быть повернут вспять. Водород и кислород могут быть рекомбинированы (объединены) с использованием топливного элемента, в результате чего «вернется» затраченная на фотокатализ солнечная энергия и образуется вода. Таким образом, эта технология — реальный ключ к дальним космическим путешествиям.
Процесс с использованием фотокатализаторов является наилучшим вариантом для космических путешествий, поскольку оборудование весит намного меньше, чем необходимое для электролиза.
В теории, работать с ним в космосе также проще. Отчасти это объясняется тем, что интенсивность солнечного света вне атмосферы Земли существенно выше, так как в последней достаточно большая часть света поглощается или отражается по пути к поверхности.
В новом исследовании ученые сбросили полностью рабочую экспериментальную установку для фотокатализа с башни высотой в 120 метров, создав условия, называющиеся микрогравитацией. По мере того, как объекты падают на Землю в свободном падении, эффект гравитации уменьшается (но сама она никуда не исчезает, поэтому это и называют микрогравитацей, а не отсутствием гравитации — прим. перев.), поскольку нет сил, которые компенсируют притяжение Земли — таким образом, на время падения в установке создаются условия как на МКС.
Экспериментальная установка и процесс эксперимента.
Исследователям удалось показать, что в таких условиях действительно возможно раcщепить воду. Однако, поскольку при этом процессе получается газ, то в воде образуются пузырьки. Важной задачей является избавление от пузырьков материала катализатора, поскольку они препятствуют процессу создания газа. На Земле гравитация заставляет пузырьки всплывать на поверхность (вода около поверхности плотнее пузырьков, что позволяет им плавать на поверхности), освобождая пространство у катализатора для образования следующих пузырьков.
При невесомости это невозможно, и пузырьки газа остаются на катализаторе или около него. Тем не менее, ученые скорректировали форму катализатора в наноразмерных масштабах, создав пирамидальные зоны, где пузырек может легко оторваться от вершины пирамиды и попасть в воду, не препятствуя процессу образования новых пузырей.
Но остается одна проблема. В отсутствие силы тяжести пузырьки останутся в жидкости, даже несмотря на то, что они вынуждены были покинуть катализатор. Гравитация позволяет газу легко выходить из жидкости, что имеет решающее значение для использования чистого водорода и кислорода.
Без гравитации никакие пузырьки газа не плавают на поверхности и не отделяются от жидкости — вместо этого образуется аналог пены.
Это резко снижает эффективность процесса, блокируя катализаторы или электроды. Инженерные решения вокруг этой проблемы будут ключевыми для успешной реализации технологии в космосе — одно из возможных решений заключается в вращении установки: таким образом центробежные силы создадут искусственную гравитацию. Но, тем не менее, благодаря этому новому исследованию мы стали на шаг ближе к длительному космическому полету людей.
Метод получения кислорода из воды в условиях невесомости вселяет надежду на дальние космические путешествия
Следующее эссе перепечатано с разрешения The Conversation, онлайн-публикации, посвященной последним исследованиям.
Космические агентства и частные компании уже разработали планы по отправке людей на Марс в ближайшие несколько лет — окончательной его колонизации. А с ростом числа открытий планет, похожих на Землю, вокруг ближайших звезд, дальние космические путешествия никогда не казались более захватывающими.
Однако людям нелегко выжить в космосе в течение длительного периода времени. Одной из основных проблем дальних космических полетов является транспортировка достаточного количества кислорода, чтобы астронавты могли дышать, и достаточного количества топлива для питания сложной электроники. К сожалению, в космосе очень мало кислорода, а большие расстояния затрудняют быстрое пополнение запасов.
Но теперь новое исследование, опубликованное в Nature Communications, показывает, что можно производить водород (для топлива) и кислород (для жизни) только из воды, используя полупроводниковый материал и солнечный свет (или звездный свет) в условиях невесомости, что обеспечивает устойчивую космические путешествия реальная возможность.
Использование неограниченных ресурсов солнца для питания нашей повседневной жизни — одна из самых больших проблем на Земле. Поскольку мы постепенно уходим от нефти к возобновляемым источникам энергии, исследователей интересует возможность использования водорода в качестве топлива. Лучший способ сделать это — расщепить воду (h3O) на составляющие: водород и кислород. Это возможно с помощью процесса, известного как электролиз, который включает пропускание тока через образец воды, содержащий некоторое количество растворимого электролита.Это расщепляет воду на кислород и водород, которые выделяются отдельно на двух электродах.
Хотя этот метод технически возможен, он еще не стал легкодоступным на Земле, поскольку нам нужно больше инфраструктуры, связанной с водородом, такой как станции заправки водорода, для ее масштабирования.
Солнечная энергия
Водород и кислород, полученные таким образом из воды, также можно использовать в качестве топлива на космических кораблях. На самом деле запуск ракеты с водой был бы намного безопаснее, чем запуск ее с дополнительным ракетным топливом и кислородом на борту, который может быть взрывоопасным.Оказавшись в космосе, специальная технология могла бы разделить воду на водород и кислород, которые, в свою очередь, можно было бы использовать для поддержания жизни или для питания электроники через топливные элементы.
Для этого есть два варианта. Один из них включает в себя электролиз, как мы делаем на Земле, с использованием электролитов и солнечных элементов для захвата солнечного света и преобразования его в ток.
Альтернативой является использование «фотокатализаторов», которые работают за счет поглощения световых частиц — фотонов — полупроводниковым материалом, помещенным в воду.Энергия фотона поглощается электроном в материале, который затем подпрыгивает, оставляя дыру. Свободный электрон может реагировать с протонами (которые вместе с нейтронами составляют атомное ядро) в воде с образованием водорода.
Между тем дыра может поглощать электроны из воды с образованием протонов и кислорода.
Процесс также можно обратить. Водород и кислород можно собрать вместе или «рекомбинировать» с помощью топливного элемента, возвращающего солнечную энергию, полученную в результате «фотокатализа» — энергию, которая может использоваться для питания электроники.В результате рекомбинации в качестве продукта образуется только вода, то есть вода также может быть переработана. Это ключ к дальним космическим путешествиям.
Процесс с использованием фотокатализаторов — лучший вариант для космических путешествий, поскольку оборудование весит намного меньше, чем необходимое для электролиза. По идее должно работать легко. Отчасти это связано с тем, что интенсивность солнечного света намного выше, поскольку атмосфера Земли не поглощает большие количества на своем пути к поверхности.
Управление пузырьками
В новом исследовании исследователи сбросили всю экспериментальную установку для фотокатализа на 120-метровую башню, создав среду, похожую на микрогравитацию.По мере того, как объекты ускоряются к Земле в свободном падении, влияние гравитации уменьшается, поскольку силы, действующие под действием гравитации, компенсируются равными и противоположными силами из-за ускорения. Это противоположно силам G, которые испытывают космонавты и летчики-истребители, когда они ускоряются в своих самолетах.
Исследователям удалось показать, что расщепление воды в этой среде действительно возможно. Однако, когда вода расщепляется, образуя газ, образуются пузырьки. Важно избавиться от пузырьков из однажды образовавшегося материала катализатора — пузырьки препятствуют процессу образования газа.На Земле гравитация заставляет пузыри автоматически всплывать на поверхность (вода у поверхности более плотная, чем пузыри, что делает их буйонантными), освобождая пространство на катализаторе для образования следующего пузыря.
В условиях невесомости это невозможно, и пузырек останется на катализаторе или рядом с ним.
Тем не менее, ученые скорректировали форму наноразмерных элементов катализатора, создав зоны пирамидальной формы, где пузырь мог легко отделиться от наконечника и улететь в среду.
Но остается одна проблема. В отсутствие силы тяжести пузырьки останутся в жидкости, даже если они оттолкнулись от самого катализатора. Гравитация позволяет газам легко выходить из жидкости, что имеет решающее значение для использования чистого водорода и кислорода. Без силы тяжести пузырьки газа не всплывают на поверхность и не отделяются от смеси — вместо этого весь газ остается для образования пены.
Это резко снижает эффективность процесса из-за блокировки катализаторов или электродов.Технические решения этой проблемы станут ключом к успешному внедрению технологий в космос. Одна из возможностей заключается в использовании центробежных сил, возникающих при вращении космического корабля, для отделения газов от раствора.
Тем не менее, благодаря этому новому исследованию мы на шаг приблизились к длительным полетам человека в космос.
Эта статья изначально была опубликована на сайте The Conversation. Прочтите оригинальную статью.
Растворенный кислород | Программа Чесапикского залива
Растворенный кислород (DO) — это количество кислорода, которое присутствует в воде.Он измеряется в миллиграммах на литр (мг / л) — количестве миллиграммов кислорода, растворенного в литре воды.
Почему растворенный кислород важен?
Как и люди, все живые существа Чесапикского залива — от рыб и крабов, которые плавают в его водах до червей, зарывающихся в его илистое дно, — нуждаются в кислороде, чтобы выжить.
Люди используют свои легкие, чтобы вдыхать кислород из воздуха. Но черви, рыбы, крабы и другие подводные животные используют жабры для получения кислорода из воды.
Когда вода движется по жабрам животного, кислород удаляется и попадает в кровь.
Жабры работают лучше, когда в окружающей воде больше кислорода. По мере снижения уровня растворенного кислорода животным становится все труднее получать кислород, необходимый им для выживания.
Сколько растворенного кислорода нужно животным?
Ученые в целом согласны с тем, что обитателям залива необходима концентрация растворенного кислорода 5,0 мг / л или более для жизни и процветания. Однако количество кислорода, в котором нуждается животное, варьируется в зависимости от размера или сложности животного и от того, где оно живет.
- Черви и моллюски, обитающие на илистом дне залива, где уровень кислорода естественно низкий, нуждаются в концентрации растворенного кислорода не менее 1 мг / л.
- Рыбы, крабы и устрицы, которые живут или кормятся на дне, требуют концентрации растворенного кислорода 3 мг / л или более.
- Нересту перелетным рыбам, их икре и личинкам необходимо до 6 мг / л на этих чувствительных этапах жизни.
Чтобы увидеть уровни растворенного кислорода в Чесапикском заливе, посетите Eyes on the Bay (для вод Мэриленда) или Систему наблюдений за устьем и прибрежными районами Вирджинии (для вод Вирджинии).
Как кислород попадает в воду?
Кислород может попасть в воду несколькими способами:
- Кислород из атмосферы растворяется и смешивается с поверхностью воды.
- Водоросли и подводные травы выделяют кислород во время фотосинтеза.
- Вода поступает в залив из ручьев, рек и океана. В океанских водах обычно больше кислорода. Речные воды стремительны, что способствует смешиванию кислорода из воздуха.
Как образуются участки с низким содержанием кислорода?
Области с гипоксией или низким содержанием кислорода — это регионы с менее чем 2 мг / л растворенного кислорода.Бескислородные или бескислородные области — это регионы с менее 0,2 мг / л растворенного кислорода.
Эти области часто называют «мертвыми зонами», потому что большинство животных не могут там выжить. Области в заливе с низким уровнем растворенного кислорода являются результатом сложного взаимодействия нескольких природных и антропогенных факторов, включая температуру, загрязнение питательными веществами, водные потоки и форму дна залива.
Высокие температуры
Температура ограничивает количество кислорода, который может растворяться в воде: вода может удерживать больше кислорода зимой, чем в жаркие летние месяцы.Однако даже при самых высоких температурах, наблюдаемых в заливе (около 91 градуса по Фаренгейту), вода способна иметь концентрацию растворенного кислорода от 6 до 7 мг / л. Таким образом, хотя высокие температуры могут влиять на уровень растворенного кислорода, температура — не единственная причина того, что каждое лето в заливе обнаруживаются области с низким содержанием кислорода.
Загрязнение питательными веществами
Избыток питательных веществ в воде (известный как эвтрофикация) может способствовать росту цветения водорослей. Устрицы, менхаден и другие фильтраторы съедают часть лишних водорослей, но большая их часть не попадает в употребление.Оставшиеся водоросли погибают и опускаются на дно залива, где их разлагают бактерии. Во время этого процесса бактерии потребляют кислород до тех пор, пока в придонных водах не останется совсем мало или совсем ничего.
Расход воды
Разделение воды, вытекающей из океана и пресноводных рек и ручьев залива, также может влиять на уровень растворенного кислорода. Вода, текущая из океана, обычно более соленая и прохладная, а речная вода более теплая и свежая. Из-за этих различий речная вода весит меньше воды океана и плавает на ней, хотя ветер и другие сильные перемешивающие силы могут изменить эту картину.
Граница, где слой пресной воды встречается с нижним слоем соленой воды, называется пикноклином. Пикноклин действует как физический барьер, препятствующий смешиванию двух слоев.
Летом, когда бактерии, потребляющие водоросли, наиболее активны, пикноклин отделяет бедные кислородом придонные воды от богатых кислородом поверхностных вод. Это может создать большие области с низким или нулевым содержанием кислорода на дне залива.
Форма дна бухты
Дно залива не плоское, а скорее мелкое и глубокое.В определенных чашеобразных областях на дне залива пикноклин может действовать как «крышка», которая закрывает придонные воды от поступления кислорода. Это явление часто происходит каждое лето в:
.- Середина центральной части залива, от моста через залив на юг до устья реки Потомак,
- Нижнее течение рек Честер, Потомак и Раппаханнок и
- Нижняя часть Восточной бухты, недалеко от острова Кент.
Откуда берется кислород, которым мы дышим?
«Они бывают разных размеров и форм», — сказал Солер-Фигероа.«Например, некоторые выглядят как чаша с двумя хвостами, или они могут иметь удлиненно-овальную форму или даже форму вилки. У некоторых есть структура шипов, а у других структуры, похожие на корону ».
Фитопланктон, подобно деревьям и другим растениям, может поглощать солнечный свет и превращать его в энергию посредством процесса, называемого фотосинтезом. К счастью для нас, фотосинтез также создает кислород в качестве продукта жизнедеятельности, который вытесняют фитопланктон и растения — точно так же, как люди и другие животные производят углекислый газ при выдохе.
Фитопланктон хоть и крошечный, но его очень много. По словам Солер-Фигероа, в одной капле воды могут быть тысячи фитопланктона. А теперь представьте, что их полный океан испускает маленькие невидимые струи кислорода в течение всего дня.
Конечно, наличие воздуха, которым мы дышим, — не единственное, что делает фитопланктон. Они также служат основой морских пищевых сетей. Фитопланктон поедают многие виды животных, в том числе киты, медузы, креветки и мелкая рыба.
«Хотя фитопланктон очень важен для окружающей среды и водных экосистем, он также может нанести вред окружающей среде», — сказал Солер-Фигероа.
Например, когда в воде слишком много питательных веществ, часто в результате вымывания фермерских удобрений в океан, фитопланктон может быстро размножаться и вызывать так называемое цветение водорослей.
Проблема цветения водорослей, по словам Солер-Фигероа, заключается в том, что многие из этих видов выделяют токсины, которые могут быть смертельными для других обитателей океана.В больших количествах фитопланктон также может вызывать цепную реакцию, которая использует весь кислород в воде и создает то, что морские биологи называют «мертвыми зонами», где большинство из них не может выжить.
«Итак, они важны, но, как и во всей жизни, здесь должен быть баланс», — сказал Солер-Фигероа.
Возможно, самое крутое в фитопланктоне, помимо кислорода, которым мы дышим, — это то, что некоторые из них могут светиться.
В Пуэрто-Рико, который Солер-Фигероа называет своим домом, вы можете кататься на байдарках ночью и наблюдать, как вода освещается крошечными сине-зелеными фейерверками вокруг вашего весла.Фитопланктон использует способность создавать свет, известную как биолюминесценция, как способ отвлечься и убежать от хищников.
«Вы можете описать это, но это не то же самое, что увидеть», — сказал Солер-Фигероа. «Это довольно удивительно».
Исправление: В более ранней версии этой истории фитопланктон упоминался как живые существа. Это растения. История обновлена.
Новые технологии могут получать кислород и топливо из соленой воды Марса | Источник
Когда дело доходит до воды и Марса, есть хорошие и не очень хорошие новости.Хорошие новости: на Марсе есть вода! Не очень хорошие новости?
На Марсе воды .
На Красной планете очень холодно; Незамерзшая вода почти наверняка полна соли из марсианской почвы, что снижает ее температуру замерзания.
Нельзя пить соленую воду, и обычный метод с использованием электричества (электролиз) для разложения ее на кислород (для дыхания) и водород (для топлива) требует удаления соли — обременительное и дорогостоящее мероприятие в суровых и опасных условиях. .
Однако, если бы кислород и водород можно было извлекать непосредственно из соленой воды, этот процесс электролиза рассола был бы намного менее сложным и менее дорогим.
RamaniИнженеры инженерной школы Маккелви Вашингтонского университета в Сент-Луисе разработали систему, которая делает именно это. Их исследование было опубликовано сегодня в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Исследовательская группа, возглавляемая Виджаем Рамани , рома Б.и Раймонд Х. Виткофф, заслуженный профессор факультета энергетики, окружающей среды и химической инженерии, не просто проверили свою систему электролиза рассола в типичных земных условиях; Система была исследована в смоделированной марсианской атмосфере при -33 ⁰F (-36 ⁰C).
«Наш марсианский электролизер солевого раствора радикально меняет логистический расчет миссий на Марс и за его пределы», — сказал Рамани. «Эта технология одинаково полезна на Земле, где она открывает океаны как жизнеспособный источник кислорода и топлива.”
Летом 2008 года космический аппарат НАСА Phoenix Mars « коснулся и попробовал » марсианской воды, испарений растаявшего льда, выкопанного спускаемым аппаратом. С тех пор Mars Express Европейского космического агентства обнаружил несколько подземных водоемов, которые остаются в жидком состоянии благодаря присутствию перхлората магния — соли.
Чтобы жить — даже временно — на Марсе, не говоря уже о том, чтобы вернуться на Землю, астронавтам нужно будет производить на Красной планете некоторые предметы первой необходимости, включая воду и топливо.Марсоход НАСА Perseverance сейчас находится на пути к Марсу с инструментами, которые будут использовать высокотемпературный электролиз.
Тем не менее, Марсианский эксперимент по использованию ресурсов кислорода на месте (MOXIE) будет производить только кислород из углекислого газа в воздухе.
«Наш марсианский электролизер солевого раствора радикально меняет логистический расчет миссий на Марс и за его пределы».
Виджай Рамани
Система, разработанная в лаборатории Рамани, может производить в 25 раз больше кислорода, чем MOXIE, используя такое же количество энергии.Он также производит водород, который может быть использован для поездки космонавтов домой.
«Наш новый электролизер для рассола включает в себя анод из рутената свинца и пирохлора, разработанный нашей командой в сочетании с платиновым на угольном катоде», — сказал Рамани. «Эти тщательно спроектированные компоненты в сочетании с оптимальным использованием традиционных принципов электрохимической инженерии обеспечили такую высокую производительность».
Тщательная конструкция и уникальный анод позволяют системе работать без необходимости нагревания или очистки источника воды.
«Парадоксально, но растворенный в воде перхлорат, так называемые примеси, действительно помогает в такой среде, как Марс», — сказал Шрихари Санкарасубраманян, ученый-исследователь из группы Рамани и первый автор статьи.
«Они предотвращают замерзание воды, — сказал он, — а также улучшают производительность системы электролизера за счет снижения электрического сопротивления».
Обычно в водных электролизерах используется деионизированная вода высокой степени очистки, что увеличивает стоимость системы.Система, которая может работать с «неоптимальной» или соленой водой, такая как технология, продемонстрированная командой Рамани, может значительно повысить экономическую ценность водных электролизеров повсюду — даже прямо здесь, на планете Земля.
«Продемонстрировав эти электролизеры в сложных марсианских условиях, мы намерены также развернуть их в гораздо более мягких условиях на Земле, чтобы использовать солоноватую или соленую воду для производства водорода и кислорода, например, посредством электролиза морской воды», — сказал Пралай Гайен, доктор наук.
научный сотрудник группы Рамани, а также первый автор этого исследования.
Такие приложения могут быть полезны в оборонной сфере, например, для создания кислорода по запросу на подводных лодках. Он также может обеспечивать кислородом, поскольку исследователи исследуют неизведанную среду ближе к дому, в глубоком море.
Технологии, лежащие в основе системы электролизера солевого раствора, являются предметом патентной регистрации Управления технологического менеджмента и доступны для лицензирования в университете.
Инженерная школа Маккелви Вашингтонского университета в Сент-Луисе.Луи продвигает независимые исследования и образование с упором на научное превосходство, инновации и сотрудничество без границ. McKelvey Engineering имеет ведущие исследовательские и аспирантские программы на разных факультетах, особенно в области биомедицинской инженерии, экологической инженерии и вычислений, и имеет одну из самых избирательных программ бакалавриата в стране. Имея 140 штатных преподавателей, 1387 студентов бакалавриата, 1448 аспирантов и 21000 ныне живущих выпускников, мы работаем над решением некоторых из самых серьезных проблем общества; готовить студентов стать лидерами и внедрять инновации на протяжении всей своей карьеры; и стать катализатором экономического развития Санкт-Петербурга.Регион Луи и за его пределами.
Как сделать воду из водорода и кислорода
Вода — это общее название монооксида дигидрогена или H 2 O. Молекула образуется в результате многочисленных химических реакций, в том числе реакции синтеза ее элементов, водорода и кислорода. Сбалансированное химическое уравнение реакции:
2 H 2 + O 2 → 2 H 2 O
Как сделать воду
Теоретически легко сделать воду из газообразного водорода и газообразного кислорода.Смешайте два газа вместе, добавьте искру или достаточно тепла, чтобы получить энергию активации, чтобы начать реакцию, и предварительно растворите воду.
Однако простое смешивание двух газов при комнатной температуре ничего не даст, например, молекулы водорода и кислорода в воздухе не образуют воду самопроизвольно.
Для разрыва ковалентных связей, удерживающих вместе молекулы H 2 и O 2 , необходима энергия. Катионы водорода и анионы кислорода затем могут свободно реагировать друг с другом, что они и делают из-за разницы в электроотрицательности.Когда химические связи реформируются, образуя воду, высвобождается дополнительная энергия, которая способствует развитию реакции. Итоговая реакция является сильно экзотермической, что означает реакцию, которая сопровождается выделением тепла.
Две демонстрации
Одна из распространенных демонстраций химии — наполнить небольшой воздушный шар водородом и кислородом и коснуться воздушного шара — на расстоянии и за защитным экраном — горящей шиной. Более безопасный вариант — заполнить баллон газообразным водородом и зажечь баллон в воздухе.Ограниченный кислород в воздухе реагирует с образованием воды, но в более контролируемой реакции.
Еще одна простая демонстрация — это пузырьки водорода в мыльной воде с образованием пузырьков газообразного водорода. Пузырьки плавают, потому что они легче воздуха. Зажигалка с длинной ручкой или горящая шина на конце метра можно использовать, чтобы зажечь их, чтобы образовалась вода. Вы можете использовать водород из баллона со сжатым газом или из любой из нескольких химических реакций (например, реакции кислоты с металлом).
Как бы вы ни реагировали, лучше надеть средства защиты органов слуха и держаться на безопасном расстоянии от реакции.Начните с малого, чтобы знать, чего ожидать.
Понимание реакции
Французский химик Антуан Лоран Лавуазье назвал водород, по-гречески «образующий воду», на основании его реакции с кислородом, другим элементом, названным Лавуазье, что означает «продуцент кислоты». Лавуазье был очарован реакциями горения. Он изобрел устройство для образования воды из водорода и кислорода, чтобы наблюдать за реакцией.
По сути, в его установке использовались два колпака — один для водорода и один для кислорода, которые подавались в отдельный контейнер.Механизм искрения инициировал реакцию, образуя воду.
Вы можете сконструировать устройство таким же образом, если тщательно контролируете скорость потока кислорода и водорода, чтобы не пытаться образовать слишком много воды за один раз. Также следует использовать термостойкий и ударопрочный контейнер.
Роль кислорода
В то время как другие ученые того времени были знакомы с процессом образования воды из водорода и кислорода, Лавуазье открыл роль кислорода в горении.Его исследования в конечном итоге опровергли теорию флогистона, которая предполагала, что подобный огню элемент, называемый флогистоном, высвобождается из вещества во время горения.
Лавуазье показал, что газ должен иметь массу, чтобы произошло горение, и что масса сохраняется после реакции. Превращение водорода и кислорода в воду было отличной реакцией окисления для изучения, потому что почти вся масса воды происходит из кислорода.
Почему мы не можем просто делать воду?
Согласно отчету ООН за 2006 год, 20 процентов людей на планете не имеют доступа к чистой питьевой воде.Если так сложно очистить воду или опреснить морскую воду, вы можете задаться вопросом, почему мы просто не производим воду из ее элементов. Причина? Одним словом — БУМ!
Взаимодействие с водородом и кислородом — это в основном сжигание газообразного водорода, за исключением того, что вместо использования ограниченного количества кислорода в воздухе вы разжигаете огонь. Во время горения к молекуле добавляется кислород, который в этой реакции образует воду. Сжигание также высвобождает много энергии. Тепло и свет производятся так быстро, что ударная волна распространяется наружу.
По сути, у вас взрыв. Чем больше воды вы сделаете за один раз, тем сильнее будет взрыв. Он работает для запуска ракет, но вы видели видео, где все пошло не так.
Взрыв Гинденбурга — еще один пример того, что происходит, когда вместе собирается много водорода и кислорода.
Итак, мы можем производить воду из водорода и кислорода, что часто делают химики и преподаватели, — в небольших количествах. Нецелесообразно использовать этот метод в больших масштабах из-за рисков и из-за того, что очистка водорода и кислорода для питания реакции намного дороже, чем производство воды другими методами, очистка загрязненной воды или конденсация водяного пара. с воздуха.
Растворенный кислород — RMBEL
Растворенный кислород (DO) — это количество кислорода, растворенного в воде озера. Кислород необходим для выживания всех живых организмов, за исключением некоторых бактерий. Живые организмы вдыхают растворенный в воде кислород. Количество кислорода, которое может удерживать вода в озере, напрямую зависит от температуры. Чем холоднее вода, тем больше растворенного кислорода она может удерживать.
Источники DO
Растворенный кислород поступает в озеро из двух основных источников: фотосинтез растений и водорослей и диффузия из атмосферы.При фотосинтезе растения используют энергию солнца для преобразования углекислого газа и воды в кислород и клеточный материал (рост). Поскольку концентрация кислорода в атмосфере (воздухе) выше, чем в воде, кислород диффундирует на поверхность озера из атмосферы.
Использование DO
Растворенный кислород используется в двух основных процессах: дыхании и разложении. Дыхание — это когда животные вдыхают кислород и используют его для производства энергии, выделяя углекислый газ и воду в качестве побочных продуктов.Проще говоря, это акт дыхания. Разложение — это когда беспозвоночные, бактерии и грибы разрушают мертвый органический материал. В большинстве случаев при разложении используется кислород.
Распределение кислорода
Кислород добавляется в озеро только у поверхности, потому что именно там находятся растения (эвфотическая зона) и происходит диффузия из атмосферы.
Летом и зимой в эвтрофном или мезотрофном озере озеро обычно разделяется на верхний слой и нижний слой (стратификация).Во время стратификации дно озера становится бескислородным, лишенным кислорода. Аноксия возникает из-за того, что на дне озера происходит дыхание и разложение, в результате чего потребляется кислород. Кислород не может быть восполнен на дне озера, потому что он отрезан от верхней части озера. Весной и осенью, когда озеро снова перемешивается, на дне озера пополняется запас кислорода.
Биологические последствия
Всем организмам, за исключением некоторых бактерий, необходим кислород для выживания.Если дно озера становится бескислородным, организмы либо умирают, либо перемещаются со дна туда, где есть кислород. Например, в конце лета рыба обычно приближается к поверхности, потому что на дне озера нет кислорода. В неглубоких озерах летом и зимой все озеро может стать бескислородным, что приведет к гибели рыбы.
Химические последствия
Когда дно озера бескислородное (обычно в конце лета и в конце зимы), химические процессы на границе раздела отложений и воды вызывают выделение фосфора из отложений (см. Ниже).Когда озеро снова перемешивается, этот повышенный уровень фосфора способствует росту водорослей. Это явление называется внутренней нагрузкой, потому что фосфор попадает в озеро изнутри озера (из отложений) (дополнительная информация о перемешивании в озере).
Почему важен растворенный в воде кислород
Растворенный кислород (DO) — это кислород, растворенный в воде. Кислород растворяется путем диффузии из окружающего воздуха; аэрация воды, перевалившейся с водопадов и порогов; и как побочный продукт фотосинтеза.Ниже приводится упрощенная формула:
Фотосинтез (при наличии света и хлорофилла):
Углекислый газ | + | Вода — ————> | Кислород | + | Продукты с высоким содержанием углерода | |
019 CO 2 903 | H 2 O | O 2 | C 6 H 12202 6 H Влияние температуры Если вода слишком теплая, в ней может быть недостаточно кислорода. Когда в этом районе слишком много бактерий или водных животных, они могут перенаселиться, используя DO в больших количествах. Уровень кислорода также можно снизить за счет чрезмерного удобрения водных растений стоками с сельскохозяйственных полей, содержащих фосфаты и нитраты (компоненты удобрений). В этих условиях количество и размер водных растений увеличиваются. Затем, если погода станет пасмурной на несколько дней, дышащие растения будут использовать большую часть доступного DO. Когда эти растения умирают, они становятся пищей для бактерий, которые, в свою очередь, размножаются и используют большое количество кислорода. И это истощает весь кислород. Сколько DO требуется водному организму, зависит от его вида, физического состояния, температуры воды, присутствующих загрязнителей и многого другого. Следовательно, невозможно точно предсказать минимальные уровни DO для конкретных рыб и водных животных. Например, при температуре 5 o ° C (41 o ° F) форель потребляет около 50-60 миллиграммов (мг) кислорода в час; при температуре 25 o ° C (77 o ° F) им может потребоваться в пять или шесть раз больше. Рыбы — хладнокровные животные. Они потребляют больше кислорода при более высоких температурах, потому что скорость их метаболизма увеличивается. Многочисленные научные исследования показывают, что 4-5 частей на миллион (ppm) DO — это минимальное количество, которое будет поддерживать большую и разнообразную популяцию рыб. Уровень DO в хороших для рыбалки водах обычно составляет в среднем около 9,0 частей на миллион (ppm). На приведенном ниже графике вы можете увидеть влияние температуры на DO Влияние на окружающую средуОбщая концентрация растворенного газа в воде не должна превышать 110 процентов.Концентрации выше этого уровня могут быть вредными для водных организмов. Рыба в водах, содержащих чрезмерно растворенные газы, может страдать от «болезни газовых пузырей»; однако это очень редкое явление. Пузырьки или эмболы блокируют кровоток по кровеносным сосудам, вызывая смерть. Внешние пузыри (эмфизема) также могут появляться на плавниках, коже и других тканях. Водные беспозвоночные также страдают от болезни газовых пузырей, но на более высоких уровнях, чем смертельные для рыб. Растворенный кислород необходим для хорошего качества воды.Кислород — необходимый элемент для всех форм жизни. Процессы очистки естественного потока требуют адекватного уровня кислорода для обеспечения аэробных форм жизни. Когда уровень растворенного кислорода в воде падает ниже 5,0 мг / л, водные организмы подвергаются стрессу. Чем ниже концентрация, тем больше стресс. Уровень кислорода, который остается ниже 1-2 мг / л в течение нескольких часов, может привести к большой гибели рыбы. С биологической точки зрения, однако, уровень кислорода является гораздо более важным показателем качества воды, чем фекальные колиформные бактерии.Растворенный кислород абсолютно необходим для выживания всех водных организмов (не только рыб, но и беспозвоночных, таких как крабы, моллюски, зоопланктон и т. Д.). Кроме того, кислород влияет на огромное количество других показателей воды, не только биохимических, но и эстетических, таких как запах, прозрачность и вкус. Следовательно, кислород, пожалуй, самый надежный индикатор качества воды. Загрязнение рек На графике ниже вы можете увидеть процентные уровни кислорода, растворенного в реке «Темза» за период (1890–1974), гавань Нью-Йорка за период (1910–1997) ), и река «Рейн» в период (1945–1997). |
Только зеленые растения и некоторые бактерии могут делать это посредством фотосинтеза и подобных процессов. Практически весь кислород, которым мы дышим, производится зелеными растениями. В общей сложности три четверти кислорода на Земле вырабатывается фитопланктоном океанов.
