wodór a bezpieczeństwo środowiska naturalnego

WODÓR A BEZPIECZEŃSTWO ŚRODOWISKA
NATURALNEGO
Wiadomości zebrała Anna Szymańska-Węckowska
Na całym świecie naukowcy pracują nad metodami bezpiecznego wykorzystania
wodoru jako nośnika energii. Ponieważ degradacja środowiska naturalnego postępuje wraz
z rozwojem cywilizacji, już teraz zaczęto się zastanawiać nad wpływem wodoru na atmosferę
oraz metodami monitorowania jego stężenia.
Wzrost stężenia wodoru w troposferze może spowodować kilka niekorzystnych dla
środowiska reakcji. Pierwszą z nich jest redukcja grup hydroksylowych:
OH* + H2 → H2O + H*
Konsekwencją tej reakcji może być wydłużenie się czasu przebywania w atmosferze
metanu, jednego z najgroźniejszych gazów cieplarnianych. Spowodowane będzie to
zmniejszeniem się substratu do reakcji rozkładu metanu:
CH4 + OH* → CH3* + H2O
W wyniku reakcji wodoru z różnymi związkami w atmosferze, może ulec zwiększeniu
stężenie pary wodnej, co w efekcie doprowadzić może do oziębienia niższych warstw
stratosfery i dalszej degradacji ozonu.
Z pary wodnej w okresach zimowych w rejonach biegunów formują się chmury polarne.
Na cząsteczkach lodu tworzących owe chmury akumulują się: HCl, HNO 3, ClONO2.
Zachodzą więc reakcje:
HCl + ClONO2 → Cl2 + HNO3
H2O + ClONO2 → HOCl + HNO3
Kwas azotowy z tych reakcji pozostaje w cząsteczkach lodu, natomiast chlor unosi się
ponad chmury. Wiosną, w wyniku zwiększenia się ilości promieniowania słonecznego, chlor
zostaje rozbity na rodniki, które z kolei powodują rozkład ozonu wg reakcji:
Cl* + O3 → ClO* + O2
Emisja wodoru do atmosfery najprawdopodobniej spowoduje spadek temperatury
w okolicach biegunów o ok. 0,5°C, co spowoduje przedłużenie się okresu zachmurzenia oraz
zwiększenie emisji chloru, który będzie rozkładał większe ilości ozonu. W konsekwencji
intensyfikacji tych reakcji, dziura ozonowa na biegunie północnym może się zwiększyć
o ok. 7%, natomiast na biegunie południowym o ok. 4%.
W związku z możliwością wystąpienia wyżej opisanych zjawisk, powstało kilka
projektów mających na celu opracowanie urządzeń mierzących stężenie wodoru
emitowanego do atmosfery.
Polscy naukowcy z Zakładu Fizykochemii i Ekosystemów Instytutu Fizyki Jądrowej
PAN w Krakowie mogą pochwalić się opracowaniem metody chromatograficznej ciągłego
pomiaru stężenia wodoru. Próbka o objętości 1 cm3 jest analizowana w dwóch kolumnach
1
chromatograficznych, wypełnionych sitem molekularnym 5A, które pracują w systemie „backflush”. Do detekcji wodoru używany jest detektor helowy z wyładowaniem impulsowym
(PDHID). Czułość tej metody wynosi 5 pgH2/cm3.
Detektor PDHID (Pulse Discharge Helim Ionization Detector) jest jednym z najbardziej
czułych oraz uniwersalnych detektorów. Między dwoma elektrodami detektora, gdzie
następuje wyładowanie elektryczne, występuje jonizacja doprowadzonego tam helu.
W wyniku działania wyładowania, tworzą się niestabilne atomy helu, dimery helu He 2+,
wzbudzone dimery helu He2* oraz wysokoenergetyczne fotony. Ze wzbudzenia powstają
elektrony, które generują sygnał w detektorze.
Detektor PDHID może być również wykorzystany do pomiarów stężenia wodoru
z użyciem mikropakowanej kolumny chromatograficznej carboxen 1000 o powierzchni
właściwej 1500m2/g. Przy doborze właściwej objętości układu dozującego oraz odpowiednim
ciśnieniu gazu nośnego, czułość metody wynieść może nawet 2 ppb.
Do pomiarów stężenia wodoru w atmosferze służą również urządzenia RGA
(Reduction Gas Analyzer). W części chromatograficznej tego urządzenia następuje
separacja w kolumnie chromatograficznej na poszczególne związki. Tak wydzielony wodór
dostaje się do komory redukcyjnej, zawierającej podgrzane pary tlenku rtęci(II). Zachodzi
reakcja:
HgO + H2 → Hg + H2O(g)
Całość dostarczonego do urządzenia wodoru przereagowuje, a wytworzona rtęć
poddawana jest w kolejnym etapie naświetlaniu światłem ultrafioletowym o długości fali
254 nm. Ilość pochłoniętego przez rtęć promieniowania UV przeliczana jest ostatecznie na
stężenie wodoru. Czułość tej metody wynosi 3 ppb.
Innym sposobem pomiaru stężenia wodoru może być metoda pomiaru w detektorach
ECD (Electron Capture Detector) z dopingiem N2O i promieniotwórczym źródłem izotopów
w postaci 63Ni. Podtlenek azotu dodawany jest do azotu, który stanowi nośnik. Zwiększa to
czułość metody i pozwala na wykrywanie niewielkich stężeń wodoru.
Opisane powyżej metody pomiarów stężenia wodoru w atmosferze są jeszcze w fazie
prób. Ważne jest, aby wybrać metodę, która będzie najlepsza do pomiarów ciągłych,
a zarazem będzie dostatecznie czuła. Bardzo dobrze, że pomyśleliśmy o skutkach wpływu
wodoru na środowisko, zanim jeszcze paliwa wodorowe stały się rzeczywistością.
Literatura:
1. „Nowoczesne Technologie w Przemyśle” nr 12/2008 – 01/2009, artykuł pt. „Po
pierwsze: nie szkodzić”;
2. www.is.pcz.czest.pl;
3. www.imgw.pl.
2