Синтетическая вода: технологии создания искусственной воды
Обычная вода в химии также называется монооксидом водорода, что отражает суть ее молекулярного строения. Вода является соединением, образованным из элементарных веществ водорода и кислорода, в связи с чем возникает вопрос о возможности получения и применения воды, синтезированной из этих двух веществ. Легко предположить, что получение воды простой реакцией между этими двумя элементами может стать прекрасным источником чистой воды, но на практике столкнуться с подобными системами практически невозможно.
Существует целый ряд технических проблем даже при простейшей реакции, которой является эффективное проведение реакции между кислородом и водородом. Пределы взрываемости смеси водорода с кислородом составляют от 4,1 до 96 объемных процентов, при этом водородное пламя излучает очень небольшой процент выделившейся тепловой энергии из-за чего температура получающегося водяного пара приближается к 3000˚ C. Создание аппаратуры для проведения пламенного сжигания водорода с реакцией, идущей по радикально-цепному механизму становится нетривиальной задачей, как из-за склонности данной газовой смеси к взрыву, так и из-за огромной тепловой нагрузки на конструктивные элементы горелок. В то же время известно, что реакция между водородом и кислородом может происходить при комнатной температуре на катализаторе, состоящем из равных долей палладия и платины. Проволока из подобного сплава способна не только эффективно влиять на скорость реакции, но и стабилизирует фронт распространения пламени на своей поверхности препятствуя возникновению детонации. Но стоимость подобных катализаторов достаточно высока, а катализаторы, основанные на переходных металлах, требуют значительно более высоких температур для своей работы и склонны к отравлению такими примесями как сера, мышьяк и некоторые другие. Одним из реализованных способов проведения данной реакции являются так называемые топливные элементы. Они непосредственно преобразуют энергию, выделяющуюся при окислении водорода кислородом в электрическую энергию, аналогично тому, как это происходит в гальванических элементах, но расходуемыми материалами катода и анода являются кислород и водород соответственно. Именно такой тип источника энергии (Fuel Cells) использовался на космических орбитальных аппаратах программы «Спейс Шаттл» до самого ее закрытия в 2011 г.
Другой более значительной проблемой на пути к получению синтетической воды является получение исходных кислорода и водорода. Хотя кислород является самым распространенным элементом в земной коре, на который приходится около 60% ее массы и вторым по распространённости после азота элементом в атмосфере 23,1% от его массы, его извлечение представляет собой сложную задачу. Разделение воздуха на отдельные компоненты производится с применением селективных мембран, специальных сорбентов и криотехнологии. Первые два способа предназначаются для извлечения азота, а кислород выбрасывается как побочный продукт вместе с примесью других газов присутствующих в воздухе. Криогенный способ состоит из операций сжатия воздуха с последующим сбросом давления на турбодетандере. Расширяющийся воздух приводит в движение ротор турбодетандера и охлаждается из-за потери части внутренней энергии расходуемой на совершение механической работы. Турбодетандер в свою очередь может использоваться для вращения электрогенератора или турбокомпрессора, рекуперируя часть энергии, затраченной на сжатие воздуха. Многократное повторение этих двух операций позволяет достичь температур, при которых газообразные компоненты воздуха переходят в жидкость. Полученный жидкий воздух дистиллируют с использованием ректификационных колон, что позволяет разогнать газы в виде отдельных фракций в зависимости от их температуры кипения и выделить кислород высокой чистоты. К сожалению, данный метод требует значительного расхода энергии, а количество произведенного кислорода не настолько велико чтобы использовать его для производства воды.
Водород является самым распространенным элементом в солнечной системе, но в свободном виде на Земле встречается в очень незначительных количествах в виде примесей в природном газе, а также в биогазе, который образуется при анаэробном распаде органических веществ. Большая часть водорода находится в связанном виде в составе воды и природных углеводородов. Промышленными способами добычи водорода является конверсия природных углеводородов, для которой как правило используется метан и его реакция с водяным паром и кислородом, в результате этой реакции образуется смесь водорода, диоксида и оксида углерода, а также не прореагировавших исходных компонентов. В дальнейшем водород отделяют от этой смеси и очищают. Другим способом является электролиз воды позволяющий получить более чистые водород и кислород. К сожалению, энергоэффективность данного метода низкая, что связанно с низкой проводимостью чистой воды и значительным перенапряжением выделения водорода на катоде. В результате из-за высокого потребления электроэнергии метод электролиза имеет значимость только для получения небольших объемов водорода.
Из-за высокой стоимости получения синтетической воды, единственным разумным применением было ее использование из топливных ячеек орбитальных аппаратов для пополнения системы очистки и регенерации воды входящую в состав Environmental Control and Life Support System (ECLSS) Международной Космической Станции. Но качество этой воды всегда оставляло желать лучшего, да и сами топливные ячейки, содержащие гидроксид натрия и асбест, представляют собой угрозу для здоровья людей.
Не оправдывается и надежда на синтез воды из водорода и кислорода для получения воды высокой чистоты, так как получаемая вода неизбежно содержит в себе все загрязнения, содержащиеся в исходных веществах, а также загрязнения попадающие в реактор из материалов конструкции и окружающей среды. На сегодняшний день методы, используемые для получения сверхчистой воды, значительно опережают методы очистки газов, как по эффективности, так и по стоимости и позволяют достичь теоретических пределов чистоты воды при значительно меньших расходах.
И в то же самое время человечество постоянно генерирует огромные объемы синтетической воды сжигая природные углеводороды для получения энергии. При сжигании природного газа или жидкого углеводородных топлив содержащийся в них водород соединяется с кислородом воздуха и образует водяные пары. Водяной пар может быть сконденсирован в жидкость путем охлаждения дымовых газов в теплообменниках, при этом дополнительно утилизируется значительный объем низкопотенциальной тепловой энергии, которую можно использовать для обогрева жилых помещений или подачи горячей воды населению. Создание теплообменников, способных утилизировать тепло из отходящих дымовых газов и электростанций требует значительного расхода как площадей, так и материалов, и на сегодняшний день находят применение только в бытовых системах отопления. К тому же вода, полученная при сжигании углеводородного топлива, содержит значительное количество примесей, захватываемых из дымовых газов, таких как диоксид углерода, оксиды азота и серы и некоторые другие, и не пригодна для использования.
Несмотря на все существующие наработки в направлении создания искусственной воды, единственным практически реализуемым способом является ее получение путем утилизации образующейся воды в топливных ячейках для обеспечения потребностей людей при длительном пребывании в условиях открытого космоса.