Chương 1 NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIOGAS VÀ HHO
1.3. Nghiên cứu nhiên liệu khí HHO
Khí HHO đơn giản là trạng thái mới của nước khi điện phân. Khí HHO cũng được gọi là oxy-hydro hoặc khí Brown. Nó được sản xuất theo quy trình điện phân trong đó một nguồn năng lượng điện được kết nối với hai điện cực và được đặt trong hỗn hợp nước và chất điện phân. Khí HHO là hỗn hợp của khí H2 và O2 thường ở tỷ lệ nguyên tử 2:1, tương tự như tỷ lệ của nước. Ở nhiệt độ và áp suất bình thường oxyhydrogen có thể cháy khi nó nằm trong khoảng từ 4% đến 94% hydro theo thể tích với nhiệt độ ngọn lửa khoảng 2000 °C. Oxyhydrogen sẽ cháy (biến thành hơi nước và giải phóng năng lượng duy trì phản ứng) khi được đưa đến nhiệt độ tự bốc cháy của nó. Đối với hỗn hợp cân bằng hóa học ở áp suất khí quyển bình thường đây là khoảng 570 °C (10650 °F). Năng lượng tối thiểu cần thiết để tạo ra hỗn hợp như vậy với tia lửa là khoảng 002 mJ. Ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn khí HHO có thể cháy khi nó nằm trong khoảng từ 4% đến 95% hydro theo thể tích.
Khi đốt cháy hỗn hợp khí chuyển thành hơi nước và giải phóng năng lượng duy trì phản ứng 2418 kJ năng lượng cho mỗi mol H2 bị đốt cháy. Lượng năng lượng nhiệt được giải phóng không phụ thuộc vào chế độ đốt nhưng nhiệt độ của ngọn lửa khác nhau. Nhiệt độ tối đa khoảng 2.800 °C (5.100 ° F) đạt được bằng hỗn hợp cân bằng hóa học chính xác, nóng hơn khoảng 700 ° C (1.300 ° F) so với ngọn lửa hydro trong
Hình 1.14: Nồng độ mol của các chất chính trong biogas sản xuất từ các nguồn nguyên liệu khác nhau
52,7
67,6
53,9 51,2
10,2 8,5 10
4,9
10 38,8
45,4
27,5 37,1 36,1
46,1
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Bèo tây Hèm bia Phân gà Phân heo Phân bò CH4
CO2 Khác Cmol (%)
không khí. Khi một trong hai khí được trộn vượt quá tỷ lệ này hoặc khi trộn với khí trơ như nitơ nhiệt lan truyền khắp một lượng vật chất lớn hơn và nhiệt độ sẽ thấp hơn.
Khí HHO có nhiều đặc tính khác biệt so với những khí khác. Dưới đây là danh sách một số đặc tính:
- Khí HHO là khí không mùi không màu và nhẹ hơn không khí.
- Trong quá trình sản xuất khí HHO hoàn toàn không có quá trình bay hơi năng lượng điện được sử dụng là không đủ để bay hơi.
- Đặc tính biến đổi của hàm lượng năng lượng của khí HHO là bằng chứng cho thấy nó có cấu trúc độc đáo với thành phần hóa học bao gồm các liên kết vượt ra ngoài các loại hóa trị.
- Khí HHO không tuân theo luật PVT cơ bản đối với khí.
- Khí HHO cho thấy sự kết dính bất thường với các chất khí chất lỏng và chất rắn. HHO liên kết với nhiên liệu khí (như khí tự nhiên nhiên liệu Magie và các loại khác) cũng như nhiên liệu lỏng (như dầu diesel xăng dầu mỏ lỏng và các loại khác).
- Việc tạo ra khí HHO từ nước cất ở nhiệt độ và áp suất khí quyển thông qua một quá trình bay hơi hoặc tách riêng về mặt cấu trúc điều này cho thấy sự tồn tại của một dạng nước mới.
1.3.2. Sản xuất khí HHO.
Cho đến nay điện phân là hương pháp sản xuất khí HHO được sử dụng rộng rãi nhất từ nước. Phương pháp này dùng dòng điện để tách nước thành khí hydro và oxyg.
Quá trình gồm hai phản ứng xảy ra ở hai điện cực. Hydro sinh ra ở điện cực âm và oxy ở điện cực dương:
Phản ứng trên cathode: 2 H2O + 2e- => H2 + 2 OH- (15.3) Phản ứng trờn anode: 2 OH- => H2O + ẵ O2 + 2e- (15.4)
________________________________________________________
Tổng quát: 2 H2O + điện năng => 2 H2 + O2 (15.5) Sau đây là một số các dạng điện phân phổ biến:
a) Điện phân thông thường
Quá trình tiến hành với chất điện phân là nước hay dung dịch kiềm. Hai phần anode và cathode được tách riêng bởi màng ngăn ion để tránh hòa lẫn hai khí sinh ra.
b) Điện phân nước áp suất cao
Điện phân nước áp suất cao có thể sinh ra hydrogen ở áp suất đến 5 MPa. Quá trình vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và hoàn thiện dần.
c) Điện phân nước ở nhiệt độ cao
Ưu điểm của phương pháp này là đưa một phần năng lượng cần thiết cho quá trình điện phân ở dạng nhiệt năng, nhiệt độ 800-10000C vào quá trình, do đó có thể hạn chế bớt lượng điện năng tiêu thụ. Nhiều nghiên cứu đã hướng đến việc thu nhiệt từ các chảo parabol tập trung năng lượng mặt trời hay tận dụng nhiệt thừa từ các trạm năng lượng.
d) Quang điện phân (photoelectrolysis)
Các panel mặt trời, chất bán dẫn (ứng dụng hiện tượng quang điện), chuyển hóa trực tiếp ánh sáng mặt trời thành điện năng. Khí hydrogen được sinh ra khi dòng quang điện này chạy qua thiết bị điện phân đặt trong nước. Sử dụng năng lượng mặt trời để tạo ra điện dùng trong điện phân nước, tương tự, chúng ta cũng có thể sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, thủy điện để điện phân nước tạo ra hydrogen. Như thế việc sản xuất hydrogen sẽ là một quá trình sạch (không khí thải), tái sinh và bền vững.
1.3.3. Ứng dụng khí HHO
Nguồn nước sẵn có và vô hạn khiến khí HHO có thể xem là một nguồn năng lượng thay thế vô cùng tốt được phát triển cho đến thời điểm này. Nó có hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao hơn so với khí hydro thường được coi là sở hữu hiệu suất chuyển đổi cao nhất làm nhiên liệu. Khí HHO không gây ô nhiễm - nó thậm chí không phát ra các oxit nitơ kết quả từ quá trình đốt cháy hydro. Nó có thể tái chế tự nhiên - sản phẩm đốt cháy của nó là nước tinh khiết. Khí HHO có thể thích ứng giống như hydro với hầu hết các công nghệ sử dụng năng lượng hiện có mà không cần sửa đổi gì.
Dưới đây là những ứng dụng phổ biến của khí HHO:
Thắp sáng: Nhiều dạng đèn oxyhydrogen đã được sử dụng chẳng hạn như ánh đèn sân khấu dùng ngọn lửa oxyhydrogen để đốt nóng một mảnh vôi để đốt nóng trắng. Do sự bùng nổ của oxyhydrogen ánh đèn sân khấu đã được thay thế bằng ánh sáng điện.
Thổi oxyhydrogen: Bản thân ống thổi oxy-hydro được phát triển bởi người Pháp Bochard-de-Saron nhà khoáng vật học người Anh Edward Daniel Clarke và nhà hóa học người Mỹ Robert Hare vào cuối thế kỷ thứ mười tám và đầu thế kỷ mười chín.
Nó tạo ra một ngọn lửa đủ nóng để làm tan chảy các vật liệu chịu lửa như bạch kim, sứ, gạch và corundum và là một công cụ có giá trị trong một số lĩnh vực khoa học. Nó được sử dụng trong quy trình Verneuil để sản xuất corundum tổng hợp.
Ngọn đuốc oxyhydrogen: Một ngọn đuốc oxyhydrogen (còn được gọi là ngọn đuốc hydro) là một ngọn đuốc oxy-khí đốt cháy hydro (nhiên liệu) bằng oxy (chất oxy hóa). Nó được sử dụng để cắt và hàn kim loại thủy tinh và nhựa dẻo. Do sự cạnh tranh từ mỏ cắt nhiên liệu axetylen và từ hàn hồ quang mỏ hàn oxyhydrogen hiếm khi được sử dụng ngày nay nhưng nó vẫn là công cụ cắt được ưa thích trong một số ứng dụng thích hợp.