7.2. Процессы регенерации веществ

Мы уже рассматривали целесообразную последовательность создания круговорота веществ. Раньше всего (потому что выгоднее всего в весовом отношении) следует осуществлять круговорот воды (Табл. 2).

Табл. 2.

Баланс массообмена человека с окружающей средой

%	Потребляемые вещества	Масса кг/чел.сут	Выделяемые вещества	Масса кг/чел.сут	%
22,5	Кислород	0,9	СО2	1,0	25,0
50,0	Вода: питьевая в пище	2,0 0,5	Пары воды	1,2	30,0
12,5			Урина: вода примеси	1,55 0,05	38,75 1,25
15,0	Пища (сухая масса)	0,6
			Твердые отходы: вода сухая масса	0,15 0,05	3,75 1,25
100,0	Итого	4,0		4,0	100,0

7.2.1. Процессы круговорота газов.

А. Процесс удаления из атмосферы углекислоты (СО₂)

Для этой цели используются адсорбенты (твердые поглотители газов). Они поглощают газы из атмосферы при комфортных для экипажа значениях t и p. С повышением t и понижением р их адсорбционная способность уменьшается. По мере насыщения адсорбента примесью можно его регенерировать, то есть очищать, восстанавливая работоспособность.

Адсорбенты имеют пористую структуру. Есть 3 группы пор: микропоры, мезопоры, макропоры. Микропоры имеют радиус поры 1,5 нм. Такая структура адсорбента приводит к увеличению внутренней поглощающей поверхности до 1000м²/г. На этой поверхности молекулы определенного вида удерживаются за счет молекулярного взаимодействия адсорбционных сил. В космической технике применяются:

- силикагели, удерживающие пары воды,

- цеолиты, удерживающие СО₂,

- активированные угли, удерживающие органические микропримеси.

Если применять цеолит, то он будет поглощать одновременно и пары воды и СО₂. Поэтому в схеме перед цеолитом должен быть установлен поглотитель воды. Обычно применяют силикагель. Он обеспечивает осушку воздуха до температуры росы 60^оС.

Адсорбция протекает с выделением тепла. Поэтому воздух, выходящий из осушителя, необходимо охладить, чтобы повысить емкость цеолита по СО₂. Продолжительность цикла адсорбции – десятки минут (20 - 40). Поэтому адсорберы в схеме устанавливают попарно. Когда одна линия адсорберов работает на поглощение примесей, вторая очищается от них. Регенерацию силикагелей проводят сухим воздухом или нагревом. Регенерация цеолитов проводится термовакуумным методом – нагревом и предварительной откачкой воздуха до меньшего давления из приемной камеры.

Адсорбция СО₂ позволяет накапливать его для разложения. Известно несколько таких химических реакций. В космической технике прошли конструктивную проработку 3 реакции, называемые по имени химика, впервые реализовавшего реакцию.

Б. Процессы получения кислорода из углекислоты

Реакция Сабатье:

СО₂ + 4Н₂ = 2 Н₂О + СН₄

Реакция протекает на катализаторе при температуре 300^оС и давлении 100кПа. Степень превращения около 98%. При реакции происходит выделение тепла, поэтому нагрев требуется только в начале, затем реакция самоподдерживается.

Видно, что для получения кислорода требуются дополнительные реакции разложения Н₂О и СН₄. Однако энергии на реакцию не надо, это привлекательно.

2Н₂О = 2 Н₂О + О₂

СН₄ С + 2Н2

Реакция Боша:

СО₂ + 2Н₂ = 2 Н₂О + С

Реакция протекает на катализаторе при температуре 500^оС и давлении 100кПа. Степень превращения около 30%, поэтому требуется повторная подача непрореагировашего газа в реактор (проточно-рециркуляционная схема). При реакции происходит выделение тепла, но его недостаточно для поддержания реакции, следовательно, необходим нагреватель. Привлекает практическое отсутствие отходов. Ведь уголь, который получается на выходе представляется обычным веществом, с которым легко обращаться. Разложение воды в качестве второй ступени также требуется, но это обычно принимается как должное. Поэтому долгое время реакция Боша считалась предпочтительной, и ее разрабатывали параллельно с реакцией Сабатье все коллективы во всех странах. Но оказалось, что отделить углерод, приставший в молекулярном слое к поверхности твердого тела практически невозможно. А в реакции применяются твердые катализаторы, которые быстро «отравляются» слоем углерода и теряют эффективность. Пришлось от реакции отказаться.

Реакция Бодуара:

2 СО = СО₂ + С

Это – вторая часть схемы, позволяющая замкнуть процесс, перевести в разложение весь выделяющийся экипажем СО₂.

Первая часть схемы – высокотемпературный электролиз углекислого газа. Производится он на твердых электролитах без участия жидких щелочей, используемых в обычных процессах электролиза, например, воды.

Твердые электролиты – керамика, состоящая из окислов циркония ZrO₂ c добавкой окислов иттрия Y₂O₃ или скандия ScO₃. При высокой температуре (700 – 800^оС) эти вещества приобретают свойство эффективной ионной проводимости (называемой «дырочной» проводимостью) по отрицательным ионам О² ˉ .

Элемент электролизера представляет собой керамическую мембрану с толщиной стенки 0,5 – 1 мм, на которую с двух сторон нанесен слой пористого покрытия из платины (ли палладия), служащий одновременно электродом для потока ионов и электронов (электрического тока) и катализатором реакции разложения СО₂. При контакте СО₂ с поверхностью катода при температуре 830оС он разлагается на СО и ион О^2ˉ с приобретением 2-х электронов из потока электричества:

С О₂ + 2е СО + О^{2 ˉ}

Под действием разности потенциалов “катод - анод” ион О^{2 ˉ} мигрирует через проницаемую для него твердоэлектролитную мембрану к аноду и разряжается на нем с выделением чистого молекулярного кислорода в воздух:

О^{2 ˉ} - 2е 1/2 О₂

CО направляется в реактор Бодуара, где при температуре 600^оС в присутствии катализатора происходит рекомбинация молекул СО с образованием сажи.

СО₂, полученный из СО, (составляющий 50% от начального количества), возвращается в электролизер.

Из реактора Бодуара сажа удаляется просто в соответствующий сборник.

В этой схеме количество полученного О2 составляет 84% от потребностей человека в соответствии с дыхательным коэффициентом:

V_уг

k_дых ------ = 0,84

V_кис

Остальные 16% должны быть получены при электролизе воды, выделяющейся человеком с жидкими отходами (КАВ, уриной). В противном случае необходим запас либо О₂ либо Н₂О.

Электрическая мощность, потребляемая системой при данной реакцией, минимальна ввиду высокого энергетического совершенства реакций электролиза при высокой температуре и составляет 220 Вт/чел.

Таким образом, развитие СОГС от ЗСЖО к ФХСЖО заключается в освоении в условиях космического полета реакций (технологий)

- выделения СО₂ из воздуха и концентрация его до 100%,

- разложение СО₂ до Н₂О или СО с дальнейшим электролизом Н₂О,

- электролиза СО₂ на твердом электролите,

- электролиза воды.