9.8: Багато використання води

Окрім загальновідомих побутових застосувань та для зрошення, вода має багато застосувань. Поновлюваний, стійкий зелений ресурс, поруч із повітряною водою, є найдешевшою та найдоступнішою сировиною, і, оскільки вона повністю поновлювана, вона є найзеленішою сировиною. Тут розглядаються лише деякі з величезної кількості водних технологій.

Багато з використання води походять від її унікальних фізичних властивостей, тим більше, що вони стосуються надзвичайно високої здатності води для поглинання та вивільнення теплової енергії. При 100 °С для зміни рідкої води на пару потрібно дуже висока 40.7kilojoules/моль (кДж/моль), і відповідно велика кількість тепла виділяється, коли пара конденсується в рідку воду, найвищу теплоту випаровування будь-якої загальної речовини. Перевага цієї характеристики використовується шляхом випаровування води в котлі, переміщення її як пара та конденсації назад у рідину, дуже ефективний засіб переміщення теплової енергії з одного місця в інше, наприклад, для опалення декількох будівель на університетському містечку, наприклад. Деякі європейські міста використовують таку систему централізованого теплопостачання для обігріву житлових будинків і квартир, часто з котлами, що підживлюються частково муніципальними відходами. Висока теплота плавлення льоду дозволяє використовувати тверду воду для поглинання тепла.

Пар - дуже ефективна робоча рідина для перетворення теплової енергії в механічну. Раніше це робилося з поршневими двигунами, включаючи паровози, але зараз виконується паровими турбінами. Пар виробляється в водотрубних котлах, в яких рідка вода випаровується всередині труб діаметром 2-8 см, навколо яких циркулюють гарячі гази згоряння. Водяні бочки для зберігання води і парові барабани для зберігання пари ізольовані від вогню, щоб запобігти вибуху в разі їх розриву, який трапився б, якщо їх вміст потрапив в топку.

Цікавим застосуванням пари, що значно полегшує стале використання деревини, є паровий вибух целюлози деревини, в якій деревина нагрівається парою під тиском при 180 °С до 210 °С, за цим кроком слідує дуже швидка декомпресія, так що деревина буквально вибухає, випускаючи деревні волокна, які можуть бути використані в численних додатках, включаючи виготовлення паперової маси та волокнистих плит. Целюлозу у волокні можна обробляти для отримання цукрів, які можна ферментувати для отримання алкоголю.

Важливим фактором при виробництві пари для будь-яких цілей є запобігання накипу, забруднення та корозії, що, як правило, вимагає дуже чистої та ретельно обробленої води. Кращим джерелом такої води є сам пар, який конденсується для того, щоб підживлювальна вода повернулася в котел. Подача води в котел обробляється для видалення забруднень, які можуть викликати тверді накопичення в трубах котла. Фосфатні солі додають для видалення розчинених кальцію і магнію (жорсткості) реакціями, такими як:

\[\ce{5Ca^{2+} (aq) + 3PO4^{3-} (aq) + OH^{-} (aq) -> Ca5OH(PO4)3 (s)}\]

Видалення кремнію з живильної води котла потрібно, оскільки він може переноситися парою і викликати пошкодження відкладень SiO ₂ на лопатках турбіни. Як розчинений вуглекислий газ, так і кисень є корозійними. Гідразин можна використовувати для видалення слідів залишкового кисню наступною реакцією:

\[\ce{N2H4 + O2 \rightarrow 2H2o + N2}\]

У живильну воду котла додають антикорозійні засоби, такі як циклогексиламін.

Відео про те, як паводкові води викорчовують споруди та їх виносять, свідчать про здатність води передавати механічну енергію. Перевага використовується цією здатністю за допомогою струменів води під тиском для збору піску та гравію з русел річок, а також для видобутку та переробки деяких видів корисних копалин.

Найбільше використання механічної енергії рухомої води - це застосування waterpower. Працюючи протягом багатьох століть як відновлюване джерело енергії, водна енергія є найстарішим джерелом енергії, що не є тваринами, використовуваної, наприклад, водяними колесами, що живлять зернові шліфувальні програми або лісопилки. Енергія може бути отримана з води, що тече вниз з загребленого потоку і від висхідних і падаючих океанських припливів. Найбільше поточне використання рухомої води - це гідроелектроенергія для запуску генераторів електроенергії. Зараз США мають близько 100 000 мегават гідроелектричної потужності (велика станція на викопному паливі або атомна електростанція зазвичай має потужність 1000 МВт). Ця потужність може бути подвоєна за рахунок використання всіх доступних ділянок в США, включаючи Аляску для гідроелектроенергетики, хоча цього не станеться з економічних та екологічних причин. Корисною адаптацією гідроелектростанції є насосний накопичувач, в якому турбіни змінюються для перекачування води в утримуючі конструкції на більш високих висотах в періоди низької потреби в електроенергії, а накопичена вода використовується для запуску турбін, прикріплених до електричних генераторів. коли попит високий.

Водна енергетика дає економічні та екологічні переваги, включаючи вільне джерело «палива» та відсутність викидів або золи, що робить водопровідну енергію одним з «найзеленіших» джерел енергії. Проблеми можуть виникнути в екстремальних умовах посухи, коли вода просто недоступна.

На жаль, величезні водосховища, необхідні для більшості водно-енергетичних розробок, руйнують сипучі річки і згубно впливають на міграцію риби, наприклад, необхідну для відтворення лосося. Більшість потенційно залишених доступних ділянок знаходяться у віддалених регіонах, з яких для передачі електроенергії населеним пунктам потрібні масивні лінії електропередач, які також представляють екологічні проблеми. Через це зараз спостерігається тенденція до демонтажу гребель для відновлення нормального потоку потоку, естетики річкових долин і ущелин, а також середовища існування дикої природи. (Відкладення, накопичені у водоймах, деякі з яких містять небезпечні матеріали, можуть виділятися при видаленні гребель і викликати проблеми нижче за течією.) Також були розроблені нові технології, які використовують силу переміщення води в руслах річок без необхідності дамб.

Вода як розчинник

Вода є надзвичайно хорошим розчинником для різних матеріалів, і її властивості розчинника можуть бути посилені відповідними добавками, особливо поверхнево-активними речовинами, які зменшують її поверхневий натяг, що робить її потужним миючим засобом. Змішана із зваженими мастилами, вода дуже корисна як мастило та охолоджуючий агент, наприклад, при операціях штампування металів. Заміна належним чином очищеної води на органічні розчинники, які, як правило, надходять з невідновлюваної нафти і є дорогими, розширила використання води для миття дрібних деталей, таких як електронні складові. Як розчинник для хімічних реагентів, вода служить середовищем для багатьох застосувань хімічного синтезу та обробки. Речовини можна очистити, розчиняючи їх у воді, потім випаровуючи частину води, щоб залишити очищену форму речовини; деякі солі очищаються цим засобом.

Вода корисна своїми хімічними властивостями і є хімічним інгредієнтом для ряду промислових хімічних реакцій. Він потрібен для затвердіння портландцементу для виготовлення бетону. Він може бути використаний як реагент при обробці деяких видів небезпечних відходів шляхом гідролізу. Вода служить джерелом елементарного водню, що використовується як паливо в паливних елементах і як сировина при виготовленні деяких хімічних речовин, таких як аміак. Елементарний водень утворюється разом з газом кисню, коли постійний електричний струм пропускається через воду, яка була проведена шляхом додавання солі. Водень виробляється на негативно зарядженому катоді при додаванні електронів (е -) до молекул води,

\[\ce{2H2O + 2e- \rightarrow H2 (g) + 2OH-}\]

а кисень утворюється на позитивно зарядженому аноді шляхом видалення електронів з води:

\[\ce{2H2O \rightarrow O2 (g) + 4H+ + 4e-}\]

Чиста реакція просто наступна:

\[\ce{2H2O \rightarrow 2H2 (g) + O2 (g)}\]

Процес, безумовно, є прикладом зеленої хімії, оскільки єдиним реагентом є вода, а єдиним побічним продуктом є кисневий газ, який має ряд застосувань або може бути випущений нешкідливо для атмосфери. В Ісландії водневий газ, отриманий електролізом води, що утворюється з рясних гідроелектричних та геотермальних джерел електроенергії, використовується для палива автомобілів.