Генерация кислорода

Генерация кислорода — это процесс получения молекулярного кислорода (O₂) из различных источников. Он применяется в промышленности, медицине, авиации, космонавтике и подводных аппаратах. Рассмотрим основные технологии:

1. Электролиз воды

• Принцип: Разложение воды (H₂O) на кислород (O₂) и водород (H₂) под действием электрического тока.
• Реакция:

2H2O→2H2↑+O2↑2H2​O→2H2​↑+O2​↑

• Применение: Производство кислорода на МКС, подводных лодках, водородная энергетика.
• Плюсы: Высокая чистота O₂, побочный продукт — полезный H₂.
• Минусы: Высокое энергопотребление, нужна очищенная вода.

2. Криогенная ректификация воздуха

• Принцип: Сжижение воздуха с последующим разделением на O₂, N₂ и аргон за счёт разницы температур кипения.
• Процесс:

1. Сжатие и охлаждение воздуха до -200°C.
2. Фракционная перегонка в колоннах.

• Применение: Промышленные масштабы (металлургия, медицина).
• Плюсы: Высокая производительность, чистота до 99,9%.
• Минусы: Энергозатратно, требует сложного оборудования.

3. Мембранное разделение газов

• Принцип: Селективное проникновение O₂ через полимерные или цеолитные мембраны под давлением.
• Применение: Медицинские концентраторы кислорода, небольшие установки.
• Плюсы: Компактность, низкие энергозатраты.
• Минусы: Чистота O₂ ниже (30–50%), требует компрессоров.

4. Химические генераторы

• Принцип: Разложение кислородсодержащих соединений (хлораты, пероксиды) при нагреве.
• Пример:

2KClO3→2KCl+3O2↑(катализатор — MnO₂)2KClO3​→2KCl+3O2​↑(катализатор — MnO₂)

• Применение: Аварийные системы (самолёты, подлодки).
• Плюсы: Простота, автономность.
• Минусы: Одноразовость, риск взрыва.

5. Фотосинтез (биологический метод)

• Принцип: Выделение O₂ растениями/водорослями под светом.
• Применение: Экосистемы замкнутого цикла (БИОС-3, MELiSSA).
• Плюсы: Самовосстанавливающийся источник.
• Минусы: Низкая скорость, зависимость от условий.

6. Плазменные и каталитические методы

• CO₂-разложение: В космосе используют реакцию Сабатье (CO₂ + H₂ → CH₄ + O₂).
• MOXIE (Mars 2020): Электролиз CO₂ на Марсе:

2CO2→2CO+O22CO2​→2CO+O2​
Сравнение технологий
Перспективные направления

• Фотоэлектрохимический электролиз: Использование солнечной энергии для расщепления воды.
• Искусственный фотосинтез: Создание катализаторов, имитирующих работу хлоропластов.
• Гибридные системы: Комбинация мембранных и адсорбционных методов.

Выбор технологии зависит от требований к чистоте, объёмам и доступности энергии. Например, для больниц подходит криогенный метод, а для портативных устройств — мембранный или химический.