Общая схема цикла серы

Упрощенная диаграмма серно-йодного цикла

Серно-йодный цикл (цикл S-I) – трехступенчатый термохимический цикл, используемый для производства водорода.

Цикл S-I состоит из трех химических реакций, чистым реагентом которых является вода, а чистыми продуктами – водород и кислород. Все остальные химические вещества могут повторно использоваться в цикле. Процесс S – I требует эффективного источника тепла.

Описание процесса[править | править код]

Три реакции, которые производят водород, следующие:

1. I2 + SO2 + 2H2O + нагрев до 120 °C → 2 HI + H2SO4 – Реакция Бунзена.
   • Затем HI отделяют дистилляцией или гравитационным разделением жидкость/жидкость.
2. 2 H2SO4 + нагрев до 830 °C → 2 SO2 + 2 H2O + O2.
   • Воду, SO2 и остаточную H2SO4 необходимо отделить от кислорода путем конденсации.
3. 2 HI + нагрев до 450 °C → I2 + H2.
   • Йод и любая сопутствующая вода или SO2 отделяются путем конденсации, а водород остается в виде газа.

Чистая реакция: 2 H 2 O → 2 H 2 + O 2

Соединения серы и йода восстанавливаются и повторно используются, поэтому процесс рассматривается как цикл. Этот процесс S-I представляет собой химический тепловой двигатель. Тепло входит в цикл в высокотемпературных эндотермических химических реакциях 2 и 3, а выходит из цикла в низкотемпературной экзотермической реакции 1. Разница между теплотой, входящей в цикл и выходящей из него, выходит из цикла в виде теплоты сгорания произведенного водорода.

Характеристики[править | править код]

Преимущества:

• Все вещества (жидкости, газы) повторно используются, поэтому хорошо подходят для непрерывной работы;
• Высокий коэффициент использования тепла (около 50%)
• Полностью закрытая система без побочных продуктов (кроме водорода и кислорода);
• Подходит для использования с солнечными, ядерными и гибридными источниками тепла;
• Технически более отработанный процесс, чем конкурирующие термохимические процессы.

Недостатки:

• Требуются очень высокие температуры (минимум 850 °C);
• Коррозионные реагенты, используемые в качестве посредников (йод, диоксид серы, иодоводородная кислота, серная кислота); следовательно, для изготовления технологического оборудования необходимы коррозионно-стойкие материалы.
• Требуется значительная доработка, чтобы наладить производство в больших масштабах.

Исследования[править | править код]

Цикл S-I был изобретен в General Atomics в 1970-х годах[1]. Японское агентство по атомной энергии (JAEA) провело успешные эксперименты с циклом S-I в высокотемпературном испытательном реакторе[2][3][4][5], запушенном 1998 году, JAEA имеет намерение использовать новые ядерные высокотемпературные реакторы поколения IV для производства водорода в промышленных масштабах. Планируется испытать более крупномасштабные автоматизированные системы для производства водорода. В соответствии с соглашением Международной инициативы по исследованиям в области ядерной энергии (INERI), французская CEA, General Atomics и Sandia National Laboratories совместно разрабатывают серно-йодный процесс. Дополнительные исследования проводятся в Национальной лаборатории Айдахо в Канаде, Корее и Италии.

Требования к материалам[править | править код]

Цикл S-I включает операции с агрессивными химикатами при температурах до 1000 °C. Выбор материалов с достаточной коррозионной стойкостью имеет ключевое значение для экономической жизнеспособности этого процесса. Предлагаемые материалы включают следующие классы: тугоплавкие металлы, химически активные металлы, суперсплавы, керамика, полимеры и покрытия[6][7]. Некоторые предлагаемые материалы включают сплавы тантала и ниобия, благородные металлы, стали с высоким содержанием кремния, несколько суперсплавов на основе никеля, муллит, карбид кремния (SiC), стекло, нитрид кремния (Si3N4) и другие. Недавние исследования масштабного прототипирования показывают, что новые технологии танталовых поверхностей могут быть технически и экономически целесообразным способом создания крупномасштабных установок[8].

Водородная экономика[править | править код]

Серно-йодный цикл был предложен как способ поставки водорода для водородной экономики. Он не требует углеводородов, как современные методы паровой конверсии, но требует тепла от сгорания топлива, ядерных реакций или от солнечной энергии.

См. также[править | править код]

• Цикл оксид церия (IV) – оксид церия (III)
• Медно-хлорный цикл
• Гибридный цикл серы
• Высокотемпературный электролиз
• Цикл оксида железа
• Цикл цинк-оксид цинка

Примечания[править | править код]

1. ↑ Besenbruch, G. 1982. General Atomic sulfur iodine thermochemical water-splitting process. Proceedings of the American Chemical Society, Div. Pet. Chem., 27(1):48-53.
2. ↑ HTTR High Temperature engineering Test Reactor. Httr.jaea.go.jp. Дата обращения: 23 января 2014.
3. ↑ https://smr.inl.gov/Document.ashx?path=DOCS%2FGCR-Int%2FNHDDELDER.pdf (недоступная ссылка). Progress in Nuclear Energy Nuclear heat for hydrogen production: Coupling a very high/high temperature reactor to a hydrogen production plant. 2009
4. ↑ us report 101 – Gas Turbine High Temperature Reactor (GTHTR300C)
5. ↑ JAEA’S VHTR FOR HYDROGEN AND ELECTRICITY COGENERATION : GTHTR300C (недоступная ссылка). Дата обращения: 10 июня 2021. Архивировано 10 августа 2017 года.
6. ↑ Paul Pickard, Sulfur-Iodine Thermochemical Cycle 2005 DOE Hydrogen Program Review
7. ↑ Wonga, B. (2007). “Construction materials development in sulfur-iodine thermochemical water-splitting process for hydrogen production”. International Journal of Hydrogen Energy. 32 (4): 497-504. DOI:10.1016/j.ijhydene.2006.06.058.
8. ↑ T. Drake, B. E. Russ, L. Brown, G. Besenbruch, “Tantalum Applications For Use In Scale Sulfur-Iodine Experiments”, AIChE 2007 Fall Annual Meeting, 566a. (недоступная ссылка). Дата обращения: 10 июня 2021. Архивировано 24 июля 2011 года.

Источники[править | править код]

• Paul M. Mathias and Lloyd C. Brown “Thermodynamics of the Sulfur-Iodine Cycle for Thermochemical Hydrogen Production”, presented at the 68 th Annual Meeting of the Society of Chemical Engineers, Japan 23 March 2003. (PDF).
• Atsuhiko TERADA; Jin IWATSUKI, Shuichi ISHIKURA, Hiroki NOGUCHI, Shinji KUBO, Hiroyuki OKUDA, Seiji KASAHARA, Nobuyuki TANAKA, Hiroyuki OTA, Kaoru ONUKI and Ryutaro HINO, “Development of Hydrogen Production Technology by Thermochemical Water Splitting IS Process Pilot Test Plan”, Journal of Nuclear Science and Technology, Vol.44, No.3, p. 477-482 (2007). (PDF).

Внешние ссылки[править | править код]

• Hydrogen: Our Future made with Nuclear (недоступная ссылка) (in MPR Profile issue 9)
• Use of the modular helium reactor for hydrogen production (World Nuclear Association Symposium 2003)

Источник

Цель урока: систематизировать знания учащихся 9 класса о соединениях серы, их окислительно-восстановительных свойствах, месте в биогеохимическом круговороте.

Задачи урока:

• на примере круговорота химического элемента серы конкретизировать знания учащихся о важнейших соединениях серы; выявить степень овладения умением составлять окислительно-восстановительные реакции и подбирать коэффициенты методом электронного баланса;
• используя интегративный подход, осуществляя экологическое воспитание и обучение, развивать у учащихся умение сравнивать, сопоставлять факты, находить аналогии, предсказывать результаты на основании теоретических рассуждений; проводить лабораторные опыты с соблюдением правил техники безопасности;
• используя приёмы здоровьесберегающих технологий, способствовать формированию валеологических знаний; создавая ситуацию успеха, способствовать преодолению психологической инерции учащихся, использовать знания учащихся, полученные на занятиях элективного курса «Химические элементы и здоровье человека».

Тип урока: урок коррекции знаний с элементами интеграции знаний.

Вид урока: урок-семинар.

Метод обучения: проблемно-дискуссионный.

Оборудование и реактивы: набор минералов, карточки №1 и №2 (Приложение 1, Приложение 2 ), видеофрагмент (Современный Гуманитарный Университет. Школьный эксперимент. Неорганическая химия. Сера.)

На столах учащихся: сенной настой, раствор хлорида бария, белок куриного яйца, 40% раствор гидроксида натрия, раствор соли свинца ( II) или меди (II).

На доске: вопросы к семинарскому занятию (известны учащимся за две недели до урока).

1. Соединения серы в природе.

2. Этапы круговорота химического элемента серы.

3. Последствия антропогенного вмешательства человека в биогеохимический круговорот серы.

Девиз:

«В природе постоянно идут превращения веществ, которые выражаются с помощью химических уравнений. » В.И.Вернадский.

« Понять что-либо значит открыть вновь. » Пиаже.

Ход урока

Целеполагание. Мотивация деятельности

Учитель. Для глубокого понимания современной экологической ситуации (как на всей планете, так и в региональном, местном масштабе) человеку совершенно необходимы химические знания. Внимание к круговоротам химических элементов в биосфере особенно важно, поскольку от изменений в них зависит будущее человечества. Сегодня мы определим место и взаимосвязь соединений серы в биогеохимическом круговороте, который сопровождается окислительно-восстановительными реакциями. Необходимую информацию приготовили наши эксперты в ходе предварительной подготовки. Справочную экологическую информацию можно получить из карточки №1 «Словарь». В конце урока вы сдадите карточку №2 с выполненными в ходе урока заданиями. Я не сомневаюсь в том, вас ждут сегодня открытия, потому- что по словам Пиаже «Понять что-либо значит открыть вновь»

Актуализация знаний учащихся. ( I этап)

? В виде каких соединений химический элемент сера встречается в природе? (По ответам учащихся, которые оформлены на цветных листах, на доске начинаем составлять схему).

Схема 1

? Какие степени окисления может проявлять сера в соединениях? (На закрытой магнитной доске сильный ученик оформляет ответы, класс работает с карточкой №2)

? Оцените окислительно-восстановительные возможности серы в различных степенях окисления. Демонстрация коллекции минералов.

Диагностика усвоения материала предыдущей темы. В ходе взаимопроверки учащиеся проверяют правильность выполнения задания по схеме на магнитной доске, оценивают работы друг друга. Учитель определяет результаты по количеству поднятых рук и делает вывод о готовности класса к уроку.

??? Проблемный вопрос: Существуют ли взаимосвязи между соединениями серы в биосфере?

Учащиеся предполагают возможность взаимопревращений соединений серы на основе окислительно-восстановительных процессов. Возникающая ситуация затруднения связана с явной недостаточностью или отсутствием информации об условиях превращений соединений серы в биосфере, особенностях этих процессов. Обращаем внимание учащихся на карточку № 1 «Словарь», где предложены необходимые для проведения рассуждений сведения, известные учащимся из курса «Экологии».

Учитель. Круговорот серы в природе сложен и до конца не ясен, тем не менее, интересно познакомиться с его особенностями. Второй вопрос плана семинара рассмотрим вместе с экспертами, а по двум последним вам предстоит сделать самостоятельные выводы. На карточке №2 предложены схемы уравнений химических реакций, которые осуществляются в круговороте серы, коэффициенты в которых вы подберёте самостоятельно.

Введение новых знаний. (II этап)

Сообщение 1. На планете существуют организмы, которые, создавая органические вещества пищи, обходятся без солнечной энергии. Вероятно, первыми легкодоступными источниками энергии для древних анаэробных бактерий были окислительно-восстановительные процессы с участием соединений серы. Экзотический процесс, например, катализируют серобактерии, получая энергию при восстановлении сульфатов с помощью водорода:

2-

SO4 +H2 +H+ H2S + H2O + 154 кдж.

Благодаря этому процессу в толщах морей и океанов формируются слои, содержащие сероводород в высоких концентрациях. Так, например, в Чёрном море «сероводородные» воды занимают около 90% объёма моря. Получающийся сероводород выходит на поверхность в газообразном состоянии или растворяется в подземных водах. Подобные «серные» источники есть в Пятигорске, Мацесте, Тбилиси и др.

? Для чего используют «серные воды»? (Для лечения кожных заболеваний, ревматизме, остеохондроза и др.)

Сообщение 2. Бактериальные микроорганизмы, участвующие в движении серы могут приносить как пользу, так и вред. Установлено, что эти организмы разрушают места, не устойчивые к воздействию сероводорода. Подсчитано, что 50% ущерба от коррозии подземных трубопроводов вызвано активной жизнедеятельностью этих бактерий. В то же время серосодержащие бактерии играют существенную роль на первом этапе геологического процесса образования месторождений серы и сульфидных руд. В ходе круговорота серы может образовываться серная кислота, которая, взаимодействуя с различными солями почвы и воды, переводит их в сульфаты:

CaCO3 + H2SO4 = CaSO4 + SO2 + H2O.

Так образуются различные минералы, содержащие серу. Процесс восстановления сульфатов в сероводород протекает в меньшей степени. Залежи сульфатов в результате геологических смещений могут попасть в более глубокие слои земли, где при высокой температуре реагируют с органическими веществами:

CH4 + CaSO4 = CaCO3 + H2S+ H2O.

(Демонстрация видеофрагмента «Окисление сероводорода в избытке и недостатке кислорода». Обсуждение результатов эксперимента.)

Учитель. Продолжим движение по циклу серы. Что может произойти с сероводородом?

Сообщение 3. Первичное накопление сероводорода протекало в рамках анаэробных процессов. В атмосфере кислорода сероводород легко окисляется до свободной серы или оксида серы (IV).

H2S + O2 S + H2O + 527кдж

В вулканических газах: H2S + SO2 S + H2O.

Избытком кислорода воздуха в водоёмах сера переводиться в серную кислоту:

S + O2 + H2O H2SO4 + 1051кдж.

Этот процесс осуществляют специальные микроорганизмы.

В воздухе среднее время жизни сероводорода около 2 суток. Cероводород- сильный восстановитель, поэтому он не накапливается в воздухе. Образующийся при окислении оксид серы (VI) H2S + O2 SO2 + H2O, приводит к образованию аэрозолей и кислотных дождей. Время жизни SO2 в атмосфере составляет 4 суток. Основной вред окружающей среде наносит не столько сам оксид серы (VI), сколько продукт его окисления – оксид серы (IV) SO3. Он растворяется в капельках воды с образованием серной кислоты:

SO3 + H2O == H2SO4.

Образование в атмосферной влаге серной кислоты приводит к выпадению кислотных дождей. Из-за этого увеличивается кислотность пресных водоёмов, что приводит к гибели рыб и других водных организмов. Под действием кислотных дождей ускоренно корродируют металлоконструкции, разрушаются здания и памятники архитектуры. В кислой среде возрастает растворимость гидроксида алюминия. Избыток ионов алюминия в воде токсичен для рыб, к тому же алюминий связывает фосфаты, что приводит к снижению питательных запасов в водоёме. Это создаёт опасность токсического загрязнения водных и почвенных экосистем. Кислотные дожди приводят к гибели растений, особенно хвойных пород. При закислении почв происходит выщелачивание кальция, магния и калия, возрастает подвижность токсичных металлов, меняется состав почвенных микроорганизмов.

Задание классу.

• В карточке №2 отметьте химическое уравнение образования сероводорода при металлургическом производстве.
• Предложите эффективные способы обезвреживания сероводорода и оксида серы (VI).

Первое, что могут предложить учащиеся в отношении оксида серы (VI), — поглощение газа раствором щёлочи или известковым молоком. Для лабораторных опытов оба метода приемлемы, однако в промышленных масштабах они не рентабельны, так как производство щелочей обходиться достаточно дорого, а в случае использования известкового молока образующийся сульфид кальция идёт в отвал, занимая большие территории и выводя серу из её круговорота. К наиболее эффективным методам утилизации оксида серы (VI) можно отнести:

а) аммиачный:

SO2 + 2NH3 + H2O = (NH4)2SO3;

(NH4)2SO3 + SO2 + H2O = 2NH4HSO3;

2NH4HSO3 + (NH4)2SO3 = 2( NH4)2SO4 + S + H2O.

(сульфат аммония – удобрение);

б) улавливание оксида серы (VI) сероводородом и получением свободной серы, либо при дальнейшем окислении серной кислоты:

2H2S + SO2 = 3S + 2H2O.

Этот способ позволяет утилизировать и другой загрязнитель – сероводород.

Учитель. Вновь обратимся к схеме 1 и дополним её. Cделайте вывод о характере перехода от сероводорода через свободную серу и оксид серы (VI) к серной кислоте и сульфатам.

(По итогам обсуждения в схеме 1 фиксируем « анаэробное окисление» переход – S—сульфаты, «аэробное окисление» переход H2S — S)

Учитель. Основная доступная для растений форма соединений серы – сульфат-ион, образующийся в почве в результате деятельности микроорганизмов. Докажем это, проведя качественную реакцию на сульфат-ион в пробах из настоя сенной палочки.

Опыт 1. (Приложение 3)

Сообщение. При ассимиляции часть серы усваивается и фиксируется в организме:

2-

SO4 S (орган.). Сера входит в состав трёх аминокислот – метионина, цистеина и цистина; белков, алкалоидов, витамина В1 (тиамина), гормона инсулина. Она играет основную роль в образовании четвертичной структуры белков. Входит в состав хрящевой ткани, волос, ногтей. При недостатке серы в организме наблюдается хрупкость костей и выпадение волос. Сера необходима для обезвреживания в печени ядовитых веществ, поступающих из толстого кишечника в результате гниения. В сутки человеку необходимо около 1г серы и это удовлетворяется обычным рационом питания. Содержание серы в пищевых продуктах пропорционально содержанию в них белков. Серой богаты бобовые растения (горох, фасоль), овсяные хлопья, пшеница, яйца, мясо, рыба и молоко. Большая часть серы поступает в организм в составе аминокислот, а выводиться в основном с мочой в виде сульфат-иона. Интересен такой факт: аллицин – едкое соединение серы, выделяемое чесноком. Это вещество губительно влияет на бактерии, предотвращает раковые заболевания, замедляет старение и предохраняет от сердечных заболеваний. А среди растений уникальной способностью поглощать из почвы и накапливать серу обладает тысячелистник, корень хрена, горчица.

Опыт 2. Обнаружение серы в составе белков. (Приложение 3)

Учитель. Как в схеме 1 обозначить переход, определяющий этап « сульфаты — белок»? (Ассимиляция.)

Сообщение. В организме человека сероводород образуется в нижнем отделе кишечника в процессе распада серусодержащих аминокислот при действии микроорганизмов, после смерти организма или в процессе кулинарной обработки. Он имеет характерный запах тухлых яиц. Важно, что человек довольно быстро теряет способность ощущать запах сероводорода; это очень опасно, т.к. сероводород более ядовит, чем цианистый водород. В очень небольших концентрациях – приятный запах свежесваренных яиц; сероводород, действительно, образуется при разложении богатых серой молекул белка яичного альбумина. Другим признаком присутствия сероводорода является светло-жёлтая окраска на границе, разделяющей белок и желток варёного яйца; она обусловлена сульфидом железа(II), образующимся при взаимодействии сероводорода и железосодержащими белками желтка.

Учитель. Перед нами законченный вариант схемы круговорота серы в природе.

Схема 2

Закрепление нового материала. (III этап)

1. Назовите причины нарушения круговорота серы. (Ответ: сжигание ископаемого топлива и переработка сульфидных руд привели к существенному увеличению содержания оксида серы (VI) в воздухе, что во много раз превышает уровень природного загрязнения биосферы этим оксидом.)

2. Перечислите последствия антропогенного воздействия на процессы в окружающей среде. (Ответ: снижается биологическая продуктивность из-за угнетения процессов фотосинтеза и закисление почвы).

3. Вы – директор предприятия. Экологами были обнаружены отклонения от нормы состава воды из ближайшего озера и установлена причина: большие выбросы оксида серы (VI) вашим предприятием.

Что вы предпримете:

а) закроете предприятие;

б) усовершенствуете очистные сооружения;

в) займётесь очисткой воды в озере?

Обоснуйте выбранный вами вариант ответа.

(Размышление над этим вопросом важно в плане выявления степени осознанного отношения учащихся к проблемам сохранения окружающей среды.)

Контроль знаний. (VI этап)

Дифференцированное выполнение заданий по карточке №2.

Рефлексия

Подводя итог, делаем вывод: круговорот веществ в природе – важнейшее экологическое понятие, отражающее взаимосвязь веществ. В условиях экологического кризиса внимание к природным круговоротам веществ особенно велико, поскольку от изменений в них зависит будущее человечества. На материалах круговоротов можно изучать свойства веществ и условия протекания химических реакций, составлять уравнения реакций, знакомиться с областями применения веществ, используя валеологические сведения.

Учащиеся оценивают свою работу на уроке и заполняют таблицу. (Приложение 1)

Домашнее задание

По материалу урока составьте тест, который можно будет предложить одноклассникам. Подготовьтесь к практической работе «Экспериментальные задачи по теме «Подгруппа кислорода».

Литература для учащихся при подготовке к семинару

1. Егоров А.С., Ивченко Н.М., Шацкая К.П. Химия внутри нас: Введение в бионеорганическую и биоорганическую химию. – Ростов н ? Д: Феникс, 2004.

2. Немчанинова Г.Л. Путешествие по шестой группе. Пособие для учащихся. М., Просвещение.

3. Шустов С.Б., Шустова Л.В. Химические основы экологии. – М., Просвещение, 1994.

4. Хомченко Г.П., Севастьянова К.И. Окислительно – восстановительные реакции. – М., Просвещение, 1989.

5. Эткинс П. Молекулы: Пер. с англ. – М.: Мир, 1991.

6. Материалы сайта « Контрен – Химия для всех» ( kontren.narod,ru )

Литература для учителя

1.Кульневич С.В., Лакоценина Т.П. Современный урок. Часть III: Проблемные уроки. – Ростов н ? Д: Изд – во «Учитель», 2006.

2. Скурлатов Ю.И. и др. Введение в экологическую химию. – М.: Высш. Шк., 1994.

3. Журнал « Химия в школе» №2, 1994.

Источник