Удаление оксидов азота из дымовых газов при сжигании водорода методом прямой фотолиза

Почему важно очищать выхлопы водорода

Водород часто позиционируют как чистое топливо, потому что при его сжигании не выделяется углекислый газ. Тем не менее даже пламя водорода в обычном воздухе может образовывать оксиды азота — группу газов, которые раздражают лёгкие, усугубляют смог и способствуют кислотным дождям. В этом исследовании рассматривается, можно ли использовать ультрафиолетовое (УФ) излучение — хорошо знакомое по предупреждениям о солнечных ожогах и по бактерицидным лампам — для удаления этих оксидов азота из выхлопных газов водородных котлов, чтобы сделать отопление на водороде действительно чище для городов и промышленности.

Водородное отопление без скрытых побочных эффектов

Водород предлагает несколько преимуществ как топливо будущего: высокую энергетическую плотность, отсутствие углерода и серы в выхлопе и возможность производства с использованием возобновляемой электроэнергии. Для отопления зданий или промышленных процессов простое сжигание водорода в котле может быть дешевле и эффективнее, чем использование топливных элементов. Загвоздка в том, что при горении водорода в воздухе очень высокая температура пламени заставляет стабильный в нормальных условиях азот воздуха реагировать с кислородом, образуя оксиды азота (часто объединяемые как «NOx»). Эти газы вредят здоровью и окружающей среде, поэтому при широкомасштабном переходе на водородные котлы требуется надёжный способ удаления NOx из их дымовых газов.

Новый взгляд на очистку выхлопов с помощью света

Современные технологии контроля NOx, такие как каталитические нейтрализаторы и рециркуляция отработавших газов, работают хорошо, но добавляют стоимость, сложность и энергопотребление. Авторы изучают иной подход: непосредственное облучение горячего выхлопа от водородной горелки интенсивным УФ‑излучением — процесс, называемый фотолизом. УФ‑фотоны несут достаточно энергии, чтобы разрывать определённые химические связи в молекулах газов. Когда оксиды азота поглощают эти фотоны, они могут распадаться на более простые фрагменты, такие как отдельные атомы азота и кислорода, которые затем вступают в дальнейшие реакции с образованием менее вредных продуктов — например, молекулярного азота, кислорода или азотной кислоты, которую можно захватить водой или щёлочными растворами. Команда сосредоточилась особенно на высокоэнергетических UVC‑длинах волн, наиболее эффективных для разрыва сильных связей в газах.

Создание малого котла и УФ‑колонны для очистки

Чтобы проверить эту концепцию в реальных условиях, исследователи создали лабораторную систему, имитирующую работу небольшого водородного котла при нормальном атмосферном давлении. Водород и кислород производились совместно в электролизёре, поэтому горелка получала нужную смесь газов без подачи внешнего воздуха. По мере того как водородно‑кислородное пламя горело в воздухе, оно формировало горячие выхлопные газы, содержащие водяной пар, избыток кислорода и азота, а также малые количества оксида азота (NO) и диоксида азота (NO₂). Эти газы поднимались вверх через прозрачную колонну высотой два метра, внутри которой располагалась мощная ртутная УФ‑лампа мощностью 160 Вт. Датчики, установленные на разных высотах, измеряли, сколько NO, NO₂ и суммарного NOx оставалось в газе при включённой или выключенной лампе, а также при разных давлениях горелки и скоростях потока.

Что произошло с выхлопными газами

Включение УФ‑излучения последовательно снижало концентрацию оксида азота, в некоторых случаях до нуля в пределах диапазона измерений. Одновременно увеличивалось количество диоксида азота, поскольку часть NO преобразовывалась, а не полностью уничтожалась. То, привело ли это к общей очистке в большей степени, сильно зависело от исходной концентрации NOx и от того, как быстро газ проходил мимо лампы. При более низкой скорости потока выхлопа, когда начальные уровни NOx были выше, система показала реальное чистое снижение: в одной точке работы суммарный NOx снизился примерно на 12 процентов. При более высоком потоке или при очень низких начальных уровнях NOx суммарный NOx, наоборот, увеличивался, что указывает на то, что УФ в основном переконвертировал формы оксидов азота, а не удалял их. Лампа также слегка повышала температуру газов, но это повышение было слишком небольшим, чтобы объяснить химические изменения только нагревом.

Что это означает для более чистого водородного отопления

Исследование показывает, что интенсивное УФ‑излучение может изменять состав оксидов азота в выхлопе водородных котлов и при подходящих условиях умеренно снижать их суммарное содержание. Лучший результат, наблюдавшийся здесь — около 10 процентов удаления — достигался при относительно высоких исходных уровнях NOx и при достаточном времени пребывания выхлопа в свете. Хотя это менее эффективно, чем некоторые передовые плазменные методы, УФ‑подход потребляет гораздо меньше подводимой энергии и может быть проще встраиваем в реальные котлы. Для общественности ключевая мысль такова: отопление на водороде не является автоматически полностью без загрязнений, но новые инструменты, такие как УФ‑фотолиз, при тщательной проработке и оптимизации могут помочь держать скрытые выбросы под контролем.

Цитирование: Kreft, D., Szczodrowski, K. & Marszałkowski, K. Nitrogen oxides removal from hydrogen flue gas by direct photolysis. Sci Rep 16, 13238 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39200-4

Ключевые слова: водородные котлы, оксиды азота, ультрафиолетовая обработка, очистка дымовых газов, контроль загрязнения воздуха