Управление образования города Батайска

Ростовской обл.

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа № 16 города Батайска

МБОУ СОШ № 16 г. Батайска

Проектная работа

по предмету «Технология»

Электроплазменный диссоциатор дипольных газов

«ЭПЛАДИС»

Автор:

Тарасов Илья Николаевич,

Руководитель:

К.А. Фоменко,

учитель технологии

МБОУ СОШ № 16  г.Батайска                      

                                                         г. Батайск

                                                              2022 г

1. Введение

1.1 Актуальность. В наши дни, человечество использует нефть, природный газ и каменный уголь для производства топлива и синтетических изделий (пластмасс, растворителей, химических реактивов, лекарств и т.п.).  Большая часть энергетической промышленности основана на сжигании горючих ископаемых, и превращении их энергии в электрическую.  Получаемые из нефти углеводороды, используются в качестве топлива для транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания (далее ДВС), с дизельными и газотурбинными двигателями.  Из нефтепродуктов производят различного рода пластмассы, лекарства и косметику, без которых трудно представить современный мир.

1.2 Обоснование проблемы проекта. Такое повсеместное применение угля и углеводородов обусловлено их дешевизной, лёгкостью добычи и переработки при максимальной эффективности эксплуатации. К примеру, при сжигании 1 кг нефти, в среднем, выделяется 45 МДж тепловой энергии; текущие запасы нефти в мире на 2021 год составляют 1,726 трлн. баррелей, объёма, которого, согласно статистике, хватит ещё на 53 года при нынешнем потреблении. Но, при всех плюсах использования горючих ископаемых, их потребление очень дорого обходится для экологии всей планеты. Дело в том, что при сжигании угля, газа и нефтепродуктов, в атмосферу выделяется большое количество парниковых газов, которые ведут к усилению парникового эффекта.

Парниковый эффект – это особое состояние атмосферы, при котором, накопление определённых газов в атмосфере, ведёт к повышению температуры. В связи с физическими и химическими свойствами, парниковые газы не являются преградой для ультрафиолетового излучения, поступающего от Солнца, а инфракрасное излучение Земли задерживается молекулами этих газов, что становится причиной повышения температуры планеты, приводя к глобальному потеплению.

К парниковым газам относятся:

• Водяной пар (H₂O). На его долю приходится более 36-72% влияния на терморегуляцию нашей планеты. Потепление климата провоцирует усиленное испарение влаги, повышающее парниковый эффект. При этом образуются облака, частично отражающие прямой солнечный свет.

Происходят атмосферные процессы, противоположные парниковому эффекту. Уменьшается суммарная солнечная радиация, удаётся избежать перегрева тропосферы. Не стоит забывать, что количество влаги в атмосфере непостоянно и может уменьшаться с выпадением осадков.

• Углекислый газ (CO₂). Он составляет 0,04% атмосферы. Источниками диоксида углерода (CO₂) в воздухе служат выбросы веществ при антропогенной деятельности человека (производственные процессы и сжигание топлива). Его влияние на терморегуляцию планеты составляет 9-26%, но в отличие от воды, углекислый газ накапливается в атмосфере и уменьшается только благодаря растениям в процессе фотосинтеза.

• Метан (CH₄). Данный газ продуцируется микроорганизмами, появляется вследствие биологических процессов на болотах, небольшая часть выделяется при горении лесов, антропогенным источником является сельское хозяйство. Период распада составляет 10-12 лет, но, несмотря на сравнительно короткий период жизни и небольшую концентрацию, в сравнении с двуокисью углерода, парниковый эффект от метана в 25 раз сильнее. Из-за деятельности человека, газ накапливается быстрее, чем поглощается естественным образом, увеличивая угрозу возникновения глобального потепления. Его влияние на температуру атмосферы составляет 4-9%.

•  Оксид азота (IV) (N₂O). Газ выделяется в атмосферу при переработке нефти, выплавке металлов, а также при производстве минеральных удобрений для сельского хозяйства, в промышленности известен как «Лисий хвост» за свой оранжевый дым, выходящий из труб. Парниковый эффект этого газа в 298 раз сильнее, чем от CO₂. За прошедшие 250 лет концентрация N₂O в атмосфере возросла на 22%. При реакции с атмосферной влагой образует Азотную кислоту (HNO₃), выпадающую вместе с осадками.

• Тропосферный озон (O₃). Озоновый слой находится в стратосфере на высоте 20-25 км и защищает нашу планету от УФ-излучения. В отличие от него, тропосферный озон (O₃) приводит к локальному усилению парникового эффекта, так как озон быстро разлагается на кислород.

1.2.1 Статистика использования ископаемого топлива и количества производимых выбросов парниковых газов (статистика по проблеме проекта):

Основным и самым доступным способом получения электрической энергии является сжигание угля и горючих углеводородов на тепловых электростанциях. В мире, на долю тепловой энергетики приходятся 66,3% всей производимой электроэнергии (уголь / торф – 39,3%; природный газ – 22,9%; нефть – 4,1%). Оставшиеся 33,7% – это использование альтернативной энергетики (гидроэнергетика – 16%; ядерная энергетика – 10,6%, ветряные и солнечные электростанции (возобновляемые) – 7,1%). При этом, КПД Тепловых электростанций в среднем, 40-50%. По общему количеству выбросов парниковых газов в атмосферу, теплоэнергетика стоит на первом месте и составляет 53,2% всех выбросов.

Для подогрева воды и отопления зданий, а также для бытовых нужд, человек сжигает природный газ. На долю котельных и, отчасти, теплоэлектроцентралей, приходятся 12% от общего объёма всех выбросов парниковых газов в атмосферу.

Переработанную нефть (бензин, керосин, лигроин, дизель) используют в качестве топлива для транспорта на ДВС, дизельных и газотурбинных двигателях, а также реактивных двигателях. В мире насчитывается 1,3 млрд. автотранспорта, из которых около 500 млн. ежедневно выходят на дороги. При этом, каждый автомобиль за сутки вырабатывает около 9 кг углекислого газа. По общему количеству выбросов парниковых газов в атмосферу автотранспорт занимает второе место, и составляет 28,4% всех выбросов.

Процентное соотношение парниковых газов от общего объёма выбросов при сжигании топлива:

• Углекислый газ (CO₂) (в среднем 75-80% от общего объёма выбросов (для транспорта 3,1-17%)
• Водяной пар (H₂O) (5,5-15% от общего объёма выбросов)
• Оксиды серы (SO_x) (0,1-2% от общего объёма выбросов)
• Оксиды азота (NO_x) (до 1% от общего объёма выбросов)
• Другие (менее 0,1% от общего объёма выбросов)

Добывающая и перерабатывающая промышленность (нефтегазовая, металлургическая, химическая) в процессе работы, помимо CO₂, производит в больших объёмах вредные выбросы оксидов серы, фосфора и азота (SO₂, SO₃, N₂O₅, N₂O₃, P₂O₅), которые, при взаимодействии с атмосферной влагой, образуют кислоты, выпадающие вместе с осадками на землю, отравляя почву и грунтовые воды. Перерабатывающая промышленность занимает 6,4% от общего количества всех выбросов парниковых газов в атмосферу.

 На сегодняшний день, решений проблемы глобального потепления не так уж и много. Самые рациональные из способов представлены ниже.

1) «Природный». В природе, благодаря растениям и зелёным водорослям, углекислый газ, в процессе фотосинтеза, преобразуется в сахар, необходимый для растений, и, как побочный продукт, образуется кислород, которым мы дышим. Но, на сегодняшний день, растения не способны справиться с текущими объёмами углекислого газа в атмосфере, это положение усугубляется ещё тем, что с каждым днём происходит вырубка лесов.

2) «Сокращение потребления горючих ископаемых». Самый эффективный способ уменьшения выбросов парниковых газов – это частичный или полный отказ от использования нефти, газа и угля в качестве топлива для ТЭС и автотранспорта. Хоть и роль угля и горючих углеводородов как топлива отходит на второй план и вытесняется альтернативной энергетикой, на сегодняшний день, сжигание горючих ископаемых остаётся самым выгодным источником энергии для человечества.

3) «Переход на альтернативную энергетику». Альтернативная энергетика активно развивается в наши дни, постепенно вытесняя тепловую. Самыми эффективными альтернативными источниками электрической энергии являются Гидроэлектростанции (ГЭС), с КПД 70% и более, и Атомные электростанции (АЭС), КПД которых 33-34%. Использование ГЭС не повсеместно, для их установки требуются реки и большие площади под затопление. Развитие атомной промышленности тормозится общественными волнениями в связи с катастрофами на АЭС в Чернобыле, Фукусиме и Три-Майл-Айланде.

Ветряные и солнечные электростанции имеют невысокую мощность и КПД, а также зависят от погодных условий. Для питания целого города требуется площадь в несколько десятков гектар, заполненных только солнечными панелями. Ветряные электростанции при работе издают шум и не подходят для установки в жилых районов.

Делая вывод из сказанного, данные способы — это долгосрочная перспектива решения проблемы глобального потепления, не гарантирующая полного устранения таковой и зависящая от многих факторов развития науки, техники и общества в целом.

1.3 Формулировка темы проекта. Исходя из проблемы проекта, темой становится поиск альтернативного и более оптимального способа решения проблемы глобального потепления, с применением школьных и внешкольных знаний.

Я хочу предложить альтернативный способ решения проблемы, с помощью повсеместного использования моего изобретения в местах выбросов CO₂. Принцип работы устройства основан на «Электроплазменной диссоциации дипольных газов», описанный в главе 2 (см. гл. 2).

Внедрение моего устройства не только сможет предотвратить угрозу глобального потепления, но и обратить вспять, так как мой способ позволяет получить из углекислого газа чистый кислород.

Темой проекта также послужило то, что на протяжении прошлых лет моего участия во Всероссийской олимпиаде школьников по технологии в теоретической части олимпиады (в тестах) встречаются вопросы, так или иначе связанные с экологией, парниковым эффектом и способами уменьшения или противодействия выбросам парниковых газов в атмосферу.

2. Теоретическое обоснование принципа работы

2.1 Предисловие. Моё внимание привлёк один интересный эксперимент, в котором в пламя парафиновой свечи были помещены два высоковольтных электрода с постоянным напряжением в 4 кВ. На отрицательном электроде стала появляться сажа, то есть углерод (С). Механизм образования сажи был такой: пламя свечи, – это очень низкотемпературная плазма, а в плазме вещества ионизируются, то есть распадаются на положительные и отрицательные ионы. Положительный катион углерода (C⁺⁴) притягивается к отрицательному электроду, восстанавливается на нём (восполняет недостающие 4 электрона) и становится электрически нейтральной сажей.

2.2 Обоснование теории. С этого момента, у меня родилась гипотеза: «Что, если искусственно создать плазму, но с большей температурой и плотностью, с помощью высоковольтного разряда, и пропустить через неё газообразное вещество с чётко выраженными зарядами на концах молекул – дипольный газ (таким газом может быть любое газообразное вещество с ковалентной полярной связью), то газ, в плазме, разложится на ионы. Под действием электростатических сил, катионы притянутся к отрицательно заряженному электроду, а анионы к положительно заряженному электроду, каждый из анионов восстанавливается и становится электрически нейтрален». Этот процесс я назвал «Электроплазменной диссоциацией дипольных газов».

Обращаясь к курсу химии 8-9 класс, похожий процесс, но проходящий в растворах электролитов и расплавах солей, называется «Электролитическая диссоциация», процесс распада молекул вещества с ионной связью на ионы при его растворении или плавлении.

2.3 Определение объекта исследования. Возвращаясь к проблеме сжигания горючих ископаемых, выяснилось, что большинство парниковых газов являются дипольными. Для проверки своей гипотезы, я выбрал Углекислый газ, по соображениям с точки зрения экологии (при сжигании, на него приходится самый большой объём выбросов) и химических свойств (молекула углекислого газа симметрична, что усложняет эксперимент. Диполь имеет положительный заряд в центре, а по краям отрицательный (O^δ-←C^δ+→O^δ-), где C^δ+ – катион-углерод (+),  O^δ- – анион-кислород (–), стрелками показано смещение электронной плотности).

И так, имея газ, состоящий из двух анионов кислорода (2O^-2) и одного катиона углерода (C⁺⁴), у которого с каждой стороны двойная σ-связь длиной 116,3 пм. Попадая в плазму, углекислый газ ионизируется в ней, и под действием электростатических сил между двумя высоковольтными электродами, катион углерода (C⁺⁴) притягивается к отрицательному электроду, восстанавливаясь до (C⁰), оседает в виде сажи, а два аниона кислорода (2O^-2) притягиваются к положительно заряженному электроду, окисляются на нём до одноатомного кислорода (2O⁰) и сразу же реагирует с другим кислородом, образуя нейтральную молекулу O₂. Хочу отметить, что при окисление углерода (сжигании и образовании молекулы CO₂) выделяется 394 кДж энергии, следовательно, чтобы не нарушать закон сохранения энергии, для разрыва связей молекуле CO₂ нужно сообщить такое же количество энергии.

2.4 Теоретическое решение проблемы проекта. Таким образом, была рождена теория, которая сможет решить одну из проблем 21 века – глобальное потепление. Для её подтверждения требуется собрать прототип устройства, работающее по принципу «Электроплазменной диссоциации».

Если верность теории подтвердится, то следующим этапом развития данной технологии фильтрации будет создание аналогичного по принципу действия устройства, но уже предназначенного для повсеместного использования на промышленных предприятиях с большим выбросом в атмосферу указанных выше парниковых газов.

3. Основная часть проектной работы

3.1 Анализ исторических прототипов. Изучая материалы по теме моего проекта, я нашел несколько ссылок, подтверждающих мою теорию (см. прил.2 дополнение1), но устройства, подобного моему, работающего на основе электрической плазмы не нашел, поэтому было решено в качестве прототипов рассмотреть различные виды фильтров, т.к. они наиболее близки к моему проекту. На данный момент как в промышленности, так и в быту используют шесть основных видов фильтров:

1. Механические, работающие на основе отстаивания, просеивания и т.д.
2. электрические
3. магнитные
4. электромагнитные
5. Воздушные, на основе пористых материалов
6. Абсорбционные
7. Фильтры на основе обратного осмоса в виде наномембран
8. Каталитические
9. Дистилляционные

Любой из фильтров работает по принципу удерживания или «отсеивания» вещества, но не разделения его на атомы, поэтому я считаю, что моя разработка имеет все шансы на широкое применение, так как в основе ее работы лежит принцип диссоциации молекул газа (СО₂) с последующим восстановлением атомов веществ (С и О₂)

4.2. Анализ возможных идей и выбор оптимальной. Начало работы было положено с обоснования теории о «Электроплазменной диссоциации дипольных газов», далее требовалось разработать конструкцию, которая позволила бы проверить данную теорию на практике. Первым делом были выявлены требования к готовому изделию:

- Обеспечение температуры дуги равной не менее 4000К

- Обеспечение напряжения дуги равным 30кВ

- Надёжная и исправная работа при длительном использовании в условиях агрессивной среды (термостойкость, износостойкость)

- Прочность ответственных узлов и корпуса

- Безопасность эксплуатации

(предотвращение опасности ударов тока, ожогов, травм)

- Конкурентоспособность готового изделия

Сразу было определено, что само устройство должно состоять из 5-и модулей: блока питания, высокочастотного драйвера, высоковольтного трансформатора, умножителя напряжения и «реактора».

Начать я решил с изготовления реактора. Первая конструкция выглядела так: трубка диаметром 6 мм изогнута в двух местах под углом в 60° в форме буквы N. В уголках трубки просверлены отверстия и вставлены вольфрамовые электроды.

При изготовлении возникли определённые сложности, послужившие отказом от данной идеи. Вот почему: после сгибания в пламени газовой горелки, в уголках трубки стекло становилось очень хрупким, и при сверлении алмазной фрезой, стекло трескалось, даже после отпуска в пламени свечи. Поэтому, изготовить данную деталь не представлялось возможным.

Следующее решение намного практичнее предыдущего, так как представляет собой широкую стеклянную трубку (пробирка без донышка) с сужением в центре, заглушённая с двух сторон резиновыми пробками с электродами (подробнее см. п. 4.3.3). Такая конструкция самая оптимальная и соответствует эстетическим и практическим требованиям. На этом варианте я и остановился.

Определившись с конструкцией реактора, следующим шагом стал подбор источника высокого напряжения способного обеспечить плазму нужной температуры и плотности. По предварительным оценкам, в теории, для разложения углекислого газа на ионы и их последующее восстановление, достаточно использовать источник, на выходе которого ~30 кВ и ток не менее 2 мА, в данном случае температура плазмы должна составить не менее 4000К. Исходя из тех же параметров был подобран блок питания, мощностью не менее 60 Вт. Долго думать с выбором схемы источника высокого напряжения не пришлось и в  интернете была найдена популярная схема ZVS-драйвера (подробнее см. п.4.3.2) с высоковольтным трансформатором и умножителем напряжения.

После анализа возможных идей я приступил к сборке данного устройства. Процесс изготовления, а также подробное описание изложено ниже в               пунктах 4.3 - 4.5.

3.3 Описание устройства

3.3.1 Название. Название устройства «ЭПЛАДИС» образовано от слов «ЭлектроПЛАзменная ДИСсоциация».

3.3.2 Электроника. Повторюсь, принцип основывается на пропускании дипольного газа через высоковольтную электроплазму. Следовательно, данное устройство должно иметь источник высокого напряжения (далее ИВН), он состоит из высоковольтного трансформатора (TV₂) ТВС-110 ПЦ от советского чёрно-белого телевизора, эти трансформаторы отлично подходят для создания ИВН, так как рассчитаны на относительно большую мощность и не имеют в своей конструкции встроенного каскада умножителей напряжения. Для работы трансформатора требуется переменный ток высокой частоты (140-250 кГц), в интернете была найдена популярная схема ZVS-драйвера (см. прил. 1 схема 1 и      п. 4.4.1) на полевых транзисторах IRFP260N (VT₁, VT₂), которая идеально подходит для создания ИВН, так как способна обеспечить стабильную работу трансформатора без перегревов компонентов схемы. Питается такой драйвер постоянным напряжением 18В и силой тока до 6А от железного сетевого трансформатора (TV₁), рассчитанного на мощность в 150Вт, далее, ток с трансформатора выпрямляется на 50А диодном мосту (VD₁) и конденсаторе (C₁), ёмкостью 4500мкФ и напряжением до 30В. Схема защищена двумя плавкими предохранителями, стоящими по питанию от сети (FU₁ на 3А) и на лини после диодного моста (FU₂ на 8А), каждый предохранитель находится в доступном месте для их быстрой замены. После высоковольтного трансформатора (TV₂) следует трёхкаскадный умножитель напряжения, состоящий из 3-х высоковольтных конденсаторов (C₃, C₄, C₅) и   3-х высоковольтных диодов (D₅, D₆, D₇), на выходе после умножителя, напряжение составляет около 30кВ. Весь умножитель погружён в диэлектрическое трансформаторное масло для предотвращения высоковольтного пробоя, а также для пассивного охлаждения высоковольтных диодов и конденсаторов.

Для охлаждения активных компонентов, таких как транзисторы, резисторы, диоды, предусмотрено активное охлаждение, состоящее из двух компьютерных кулеров на 12В по бокам устройства, питающихся от отдельной линии дежурного напряжения (12В), стабилизированного микросхемой LM317. Для охлаждения активной зоны (участок стеклянной трубки, где происходит электрический пробой) используется малый кулер (12В) спереди устройства, воздуховод которого, подключён независимо от двух других кулеров. Устройство оснащено световой индикацией включения «Сеть» красного цвета и индикацией «Охлаждение» зелёного цвета.

3.3.3 Внутренняя часть реактора. Стеклянная трубка – реактор, выполнена из пробирочного боросиликатного стекла. Реактор герметично закрывается двумя резиновыми пробками со стеклянными трубками, для подачи и выведения газов, и заострёнными высоковольтными электродами из вольфрама, так как медные или стальные электроды плавятся в месте контакта с плазмой.

Сужение в середине реактора – активная зона, место образования плазмы, через которую проходит углекислый газ и распадается на ионы. Активная зона ограничена двумя губками из нержавеющей стали для увеличения площади взаимодействия (губки не контактируют с плазмой. Положительный электрод расположен со стороны выводящей трубки, так как анионы кислорода будут притягиваться к нему, такое расположение предотвращает повторное взаимодействие кислорода с углеродом, и позволяет двухатомному кислороду (O₂) быстрее покинуть систему. Отрицательный электрод расположен со стороны входа углекислого газа, чтобы не препятствовать выведению кислорода из системы, также углерод осаждается на металлической губке, что упрощает очищение реактора от образовавшейся сажи.

4. Наблюдения и эксперименты

Испытания устройства проходили в «технических» условиях. Была подготовлена установка для получения углекислого газа. Она состояла из аппарата Киппа, силиконовых трубок, переходников, запирающих кранов и колбы для сбора газообразного кислорода (см. прил. 1 схема 2). В качестве реагентов использовались: соляная кислота 20% (НСl) и технический мрамор (СаСО₃).

Выход аппарата Киппа подключён к вводной трубке реактора, а выводная трубка опущена в сборочную колбу объёмом 800 мл. В момент включения аппарат работал исправно, дуга горела ровным пламенем без прерываний розово-голубым цветом. После открытия крана поток углекислого газа устремился в реактор, дуга на мгновение поменяла цвет на сине-голубой и после вернулась к прежнему цвету. Углекислый газ подавался в течении 30 секунд. Не имея специального оборудования, которое могло бы фиксировать наличие кислорода, мы прибегли к традиционному методу оценки наличия кислорода – тлеющая лучина. После отключения ЭПЛАДИСа, помещённая в колбу, лучина не воспламенилась повторно, что может свидетельствовать об отсутствии или слишком малой концентрации молекулярного кислорода (О₂).

Исходя из полученных данных проведённого эксперимента, я не могу утверждать, что прибор не работает, а теория опровергнута, скорее напротив, этих данных недостаточно и требуются новые серии опытов, но уже в лабораторных условиях с наблюдением специалистов физиков и химиков в данной области.

Ниже описаны возможные причины отсутствия или низкой концентрации молекулярного кислорода.

Возможные причины:

• быстрая и неравномерная подача в реактор СО₂;
• отсутствие герметичности в приемной колбе;
• отсутствие анализатора концентрации газа;
• недостаточное напряжение, сила тока и температура плазмы, отличное от расчётного;
• несовершенство конструкции реактора.

На страницу проекта