Способ и устройство для получения водорода из воды


 

C25B1/02 - Электролитические способы; электрофорез; устройства для них (электродиализ, электроосмос, разделение жидкостей с помощью электричества B01D; обработка металла воздействием электрического тока высокой плотности B23H; обработка воды, промышленных и бытовых сточных вод или отстоя сточных вод электрохимическими способами C02F 1/46; поверхностная обработка металлического материала или покрытия, включающая по крайней мере один способ, охватываемый классом C23 и по крайней мере другой способ, охватываемый этим классом, C23C 28/00, C23F 17/00; анодная или катодная защита C23F; электролитические способы получения монокристаллов C30B; металлизация текстильных изделий D06M 11/83; декоративная обработка текстильных изделий местной

Владельцы патента RU 2520490:

Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ) (RU)

Изобретение относится к области химии. Реактор 1 для получения водорода содержит корпус 2, патрубок 10 для подачи воды, патрубок 11 для выхода водорода и патрубок 12 для удаления продуктов реакции водного окисления. Внутри реактора 1 расположен контейнер 6 с металлом 9, который установлен на изоляторах 8. Электрический ввод 5 соединен с высоковольтным выводом 13 трансформатора Тесла 14. Низковольтная обмотка 15 трансформатора Тесла 14 вместе с емкостью 16 образует последовательный резонансный контур, который присоединен к высокочастотному источнику питания 17. При подаче потенциала от высоковольтного вывода 13 трансформатора Тесла 14 на металл 9 на поверхности металла возникают плазменные высокочастотные разряды, которые разрушают пленку окислов на поверхности металла, и происходит реакция водного окисления металлосодержащего вещества с водой с выделением водорода. Изобретение позволяет снизить энергозатраты. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области химической технологии, а более конкретно к способам и устройствам для получения водорода путем экзотермической реакции водяного пара с металлами.

Известен способ и устройство получения водорода электролизом воды, где электролитом служит водный раствор KOH (350-400 г/л), давление в элекролизерах от атмосферного до 4 МПа (Химическая энциклопедия в 5 томах под редакцией Н.П. Кнунянца. - М.: Сов. энциклопедия, 1988 г., т.1, с.401).

Производительность электролизеров в известном способе составляет 4-500 м3/ч, а расход электроэнергии для получения 1 м3 водорода равен 4,0-5,6 кВт/ч.

Недостатком известного способа является большой расход электроэнергии.

Известен способ получения водорода методом конверсии, которым в настоящее время получают более половины промышленного водорода (Путилова И.Н. Курс общей химии. Высшая школа, 1964, с.208). Этот способ включает получение водяного газа (смеси СО и H2) из кокса и водяного пара при температуре 1000°C (C+H2O=CO-H2).

Чистый водород получают, используя реакцию СО и H2O в присутствии катализатора Fe2O3 (CO+H2O=CO2+H2). Образующуюся смесь H2, CO2 и СО растворяют в воде под давлением.

Данный способ, несмотря на относительную дешевизну, многостадиен, экологически ущербен и сложен в управлении.

Известен способ и устройство получения водорода при химической реакции воды (H2O) и алюминия (Al), в результате которой получается водород (H2) как топливо и гидроокись алюминия (AlOH) как сырье, пригодное для дальнейшей переработки и использования в промышленных целях:

Al+3H2O=Al(ОН)3+1,5H2.

В обычных условиях эта реакция не протекает из-за наличия на поверхности алюминия очень тонкой, но большой плотности оксидной пленки, образующейся почти мгновенно по реакции:

2Al+1,5O2=Al2O3.

В известном способе и устройстве используют сплав алюминия и едкого натра, благодаря которому оксидная пленка вокруг алюминия растворяется, и к поверхности алюминия открыт доступ для воды (патенты РФ МПК С01В 3/08, №2407701, опубл. 27.12.2010, №2410325, опубл. 27.01.2011). В качестве растворителя в данном сплаве используется щелочь, а именно едкий натр (NaOH):

2Al+2NaOH+10H2O=2Na[Al(OH)4(H2O)2]+3Н2.

Недостатком известного способа и устройства является использование химически вредного вещества - щелочи для получения водорода.

Известен способ получения водорода, заключающийся в подаче в реактор металлосодержащих веществ и водной среды и последующем осуществлении взаимодействия металлосодержащих веществ с водной средой, в котором перед подачей в реактор металлосодержащих веществ осуществляют покрытие последних водорастворимой полимерной пленкой, а при осуществлении взаимодействия с водной средой в качестве последней используют водную среду, параметры которой соответствуют параметрам ее сверхкритического состояния для обеспечения возможности создания процесса послойного горения металлосодержащих веществ с выделением водорода. В качестве металлосодержащих веществ используют порошкообразный алюминий, а в качестве водорастворимой полимерной пленки - раствор полиэтиленоксида в диоксане или метиловом спирте, а давление сверхкритического состояния водной среды составляет более 22,12 МПа, температура - более 647,3K (Мазалов Ю.А. Способ получения водорода. Патент РФ №2165888, опубл. 20.04.2001).

Недостатком известного способа является необходимость использования ультрадисперсного порошка алюминия с размером частиц 0,2 мкм, а также высокое давление и большая температура в реакторе, что увеличивает затраты энергии и создает проблемы безопасности при осуществлении процесса.

Задачей, на решение которой направлен предлагаемый способ и устройство, является безопасное экологически чистое получение водорода путем одностадийной реакции с возможностью регенерации исходного сырья.

Технический результат от использования заключается в реализации прямого окисления металла без предварительного его нагревания, требующего энергозатрат и использования растворов щелочи в воде.

Вышеуказанный технический результат достигается за счет того, что в способе получения водорода путем подачи в реактор металла с водяной средой согласно изобретению металл изолируют от стенок реактора и подают на него высоковольтный потенциал напряжением 1-100 кВ и частотой 1-100 кГц от трансформатора Тесла и с помощью микроплазменных разрядов в воде удаляют с поверхности металла окисную пленку и активизируют реакцию водного окисления металлов.

В варианте способа получения водорода в качестве металла используют алюминий.

В другом варианте способа получения водорода в качестве металла используют магний.

Еще в одном варианте способа получения водорода в качестве металла используют сплав алюминия с магнием.

В устройстве для получения водорода из воды, содержащем реактор с металлом с водяной средой с патрубками для подвода воды, отвода водорода и продуктов реакции окисления металла, металл помещен в контейнер, электроизолированный от стенок реактора, и соединен через проходной изолятор с высоковольтным резонансным высокочастотным трансформатором Тесла и источником электрической энергии с напряжением на высоковольтном выводе трансформатора 1-100 кВ и частотой 1-100 кГц.

В варианте устройства для получения водорода из воды в качестве образцов металла используют пластины, обрезки, стружку и опилки из алюминия, магния и сплавов алюминия с магнием.

Способ и устройство для получения водорода из воды иллюстрируется фиг.1, на которой представлена блок-схема для получения водорода.

Реактор 1 для получения водорода содержит корпус 2 с устройством заземления 3, проходным изолятором 4 с электрическим выводом 5, который внутри реактора 1 соединен с контейнером 6 и со стенками 7 из металлической сетки. Контейнер 6 установлен на изоляторах 8 внутри реактора 1 и содержит металл 9 из алюминия. Реактор 1 содержит патрубок 10 для подачи воды, патрубок 11 для выхода водорода и патрубок 12 для удаления продуктов реакции водного окисления, содержащих окислы алюминия. Электрический ввод 5 соединен с высоковольтным выводом 13 трансформатора Тесла 14. Низковольтная обмотка 15 трансформатора Тесла 14 вместе с емкостью 16 образует последовательный резонансный контур, который присоединен к высокочастотному источнику питания 17.

Способ и устройство для получения водорода из воды реализуется следующим образом. При подаче потенциала от высоковольтного вывода 13 трансформатора Тесла 14 на металл 9 на поверхности металла 9 возникают плазменные высокочастотные разряды, которые разрушают пленку окислов на поверхности металла, и происходит реакция водного окисления металла с водой с выделением водорода. Согласно реакции водного окисления алюминия:

2Al+3H2O=Al2(ОН)3+3H2+921,8 кДж.

При окислении 1 кг алюминия получают 17,1 МДж тепла и 1,4 м3 водорода, а также 2 кг оксидов и гидрооксидов алюминия. При сжигании полученного водорода тепловая энергия увеличивается до 30,57 МДж/кг и превышает энергозатраты на регенерацию алюминия из оксида алюминия, которые составляют 26,3 МДж/кг. Скорость реакции окисления алюминия в воде и выделения водорода регулируется изменением потенциала от трансформатора Тесла 14.

Кроме реакции водного окисления металла происходит электролиз воды, что увеличивает выход водорода из реактора 1.

Пример осуществления способа и устройства получения водорода из воды.

Реактор 1 представляет цилиндрическую емкость из нержавеющей стали диаметром 200 мм и высотой 400 мм с толщиной стенок 0,6 мм. Внутри корпуса реактора 1 на изоляторах 8 установлен контейнер 6 со стенками из сетки из алюминия. В качестве образцов металла 9 использую пластины, обрезки, стружку и опилки из алюминия. Напряжение на высоковольтном электроде трансформатора Тесла составляет 10 кВ, частота 25 кГц, выход водорода 1 м3/ч.

Использование предложенного способа позволит снизить энергозатраты при производстве водорода, повысить управляемость и безопасность процесса, а также осуществлять регенерацию исходного сырья. Изобретение может быть использовано в промышленности для получения водорода и на транспорте. При добавке водорода в количестве 5% к топливу количество вредных примесей в выхлопе двигателя внутреннего сгорания снижается в 10 раз, повышается кпд двигателя и снижается расход топлива на 8-10%. Использование водорода как 100% топлива в двигателе Стирлинга, газотурбинном двигателе или в топливных элементах позволяет исключить вредные выбросы и обеспечить движение электромобиля без подзарядки аккумуляторов на расстояние до 500 км.

1. Способ получения водорода путем подачи в реактор металла с водяной средой, отличающийся тем, что металл изолируют от стенок реактора и подают на него высоковольтный потенциал от трансформатора Тесла с напряжением 1-100 кВ при частоте 1-100 кГц и с помощью микроплазменных разрядов в воде удаляют с поверхности металла окисную пленку и активизируют реакцию водного окисления металлов.

2. Способ получения водорода по п.1, отличающийся тем, что в качестве металла используют алюминий.

3. Способ получения водорода по п.1, отличающийся тем, что в качестве металла используют магний.

4. Способ получения водорода по п.1, отличающийся тем, что в качестве металла используют сплав алюминия с магнием.

5. Устройство для получения водорода из воды, содержащее реактор с металлом с водяной средой с патрубками для подвода воды, отвода водорода и продуктов реакции окисления металла, отличающееся тем, что металл помещен в контейнер, электроизолированный от стенок реактора, и соединен через проходной изолятор с высоковольтным резонансным высокочастотным трансформатором Тесла, с источником электрической энергии с напряжением на высоковольтном выводе трансформатора 1-100 кВ и частотой 1-100 кГц.

6. Устройство для получения водорода из воды по п.5, отличающееся тем, что в качестве образцов металла используют пластины, обрезки, стружку и опилки из алюминия, магния и сплавов алюминия с магнием.



 

Похожие патенты:

Изобретение может быть использовано в химической промышленности, в системах производства топлива для транспорта и в стационарных энергоустановках. Способ преобразования солнечной энергии в химическую и аккумулирования ее в водородсодержащих продуктах включает производство биомассы с использованием солнечной энергии, которую подвергают реакции парокислородной каталитической конверсии с получением продуктов реакции, содержащих водород и диоксид углерода.
Изобретение относится к способу активации катода в электролитической ячейке для получения хлората щелочного металла. Способ включает стадию, в которой проводят электролиз электролита, содержащего хлорид щелочного металла, в электролитической ячейке, в которой размещены по меньшей мере один анод и по меньшей мере один катод.
Изобретение относится к способу изготовления материала электрода для электрохимического получения водорода, который заключается в том, что на поверхность электрода наносят порошкообразную композицию Fe-C и осуществляют синтез нанокристаллических элементов Fe-C со средним размером в пределах 10-15 нм обработкой лазерными импульсами с длиной волны 1-1,5 мкм при плотности излучения 107-109 Вт/см2, скорости сканирования лазером 8-15 см/с, частоте импульсов 33-60 кГц в вакууме или в среде аргона, не доводя при этом процесс до плавления и появления карбида железа Fe3C.

Изобретение относится к энергетике, к системе энергоснабжения космических аппаратов и напланетных станций. Электрохимическая система энергоснабжения космического аппарата с замкнутым по воде рабочим циклом включает электролизер воды и кислородо-водородный генератор, гидравлически связанные друг с другом через резервуар сбора воды и пневматически сообщающиеся с баллонами хранения водорода и кислорода, последний из которых соединен с системой обеспечения жизнедеятельности космического аппарата пневмомагистралью с запорным элементом, металло-водородный аккумулятор, имеющий штуцер для водорода, через который он соединен с баллоном хранения водорода пневмомагистралью с запорным элементом.

Изобретение относится к области органической химии, в частности, к способам получения элементной серы из сероводородсодержащих газов и газоконденсатных смесей, и может быть использовано на предприятиях химической, нефтехимической, газоперерабатывающей и металлургической промышленности.

Изобретение относится к устройствам для электрохимической обработки водных растворов и может быть использовано в процессах электрохимического получения различных химических продуктов путем электролиза водных растворов, в частности смеси оксидантов при электролизе водного раствора хлоридов щелочных или щелочноземельных металлов.

Изобретение относится к устройствам для электрохимической обработки водных растворов. Установка содержит электрохимический реактор, выполненный из проточных электрохимических снабженных корпусом модульных ячеек, каждая из которых содержит один или несколько вертикальных катодов и три или более анода.

Изобретение относится к устройству получения газового водородно-кислородного топлива из воды методом электролиза, содержащем электролизер с двумя электродами и источник питания, электроды выполнены в виде двух, внешнего и внутреннего цилиндров с общей осью симметрии, внешний цилиндр совмещен с рубашкой водяного охлаждения электролизера и заземлен, а внутренний цилиндр выполнен в виде стакана с боковыми стенками и сплошным дном, закреплен на изоляторе внутри корпуса электролизера и имеет входное отверстие, совмещенное с отверстием в корпусе электролизера для подвода дистиллированной воды, выходной патрубок электролизера расположен осесимметрично относительно цилиндрических электродов за сплошным дном внутреннего цилиндрического электрода и снабжен рубашкой водяного охлаждения, а высокочастотный источник питания соединен через первый высокочастотный конденсатор с резонансным высокочастотным трансформатором Тесла с выходным напряжением 1-500 кВ, частотой 0,5-100 кГц, высоковольтный вывод которого через высоковольтный диод соединен с внутренним цилиндрическим электродом и с одной обкладкой второго высокочастотного конденсатора, другая обкладка конденсатора соединена с внешним цилиндрическим электродом.

Изобретение относится к электрохимическим производствам, в частности к технологии получения хлора и гидроокисей щелочных металлов электролизом раствора хлорида щелочного металла в электролизере с синтетической ионообменной мембраной.
Изобретение относится к способу активации воды, заключающемуся в ее электролизе между двумя электродами, разделенными между собой пористой диафрагмой, между которыми подано напряжение, отрицательный и положительный потенциалы которого соединены соответственно с катодным и анодным электродами.

Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Способ получения водород-метановой смеси включает использование в качестве источника сырья двух параллельных потоков, содержащих низшие алканы.

Изобретение может быть использовано в химической промышленности, в системах производства топлива для транспорта и в стационарных энергоустановках. Способ преобразования солнечной энергии в химическую и аккумулирования ее в водородсодержащих продуктах включает производство биомассы с использованием солнечной энергии, которую подвергают реакции парокислородной каталитической конверсии с получением продуктов реакции, содержащих водород и диоксид углерода.

Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Для получения синтез-газа из биомассы проводят предварительную обработку биомассы, включающую измельчение биомассы до получения частиц размером 1-6 мм и высушивание сырья до влажности 10-20 вес.%.
Изобретение относится к области химии. Метан подвергают конверсии с водяным паром на катализаторе, в качестве которого используют жидкий шлак медного производства, через который продувают парогазовую смесь в течение 1-1,5 с и температуре расплава 1250-1400°С с последующей регенерацией катализатора периодической продувкой его кислородом воздуха.
Изобретение касается улучшенного способа получения водорода путем реакции углеродсодержащего сырья с паром и/или кислородом. Способ обогащения синтез-газа по водороду, при этом синтез-газ содержит водород, монооксид углерода и пар, заключается в конверсии монооксида углерода и пара над катализатором.

Изобретения могут быть использованы в энергетике и химическом синтезе. Способ получения синтез-газа с низким содержанием смол из биомассы включает разложение биомассы в первом реакторе кипящего слоя (3) на пиролизный газ и пиролизный кокс.

Изобретение относится к области химии. В первом реакторе производят экзотермически-генерированный продукт 4 синтез-газа, преобразуя первую часть потока углеводородного сырья.

Изобретение относится к когенерационной установке на металлсодержащем горючем. Установка содержит по меньшей мере одну реакционную камеру, средства для ввода по меньшей мере одного жидкого окислителя на водной основе и средства для подачи по меньшей мере одного металлсодержащего топлива в камеру, при этом окислитель и топливо являются способными вызывать экзотермическую реакцию окисления для получения газообразного водорода и по меньшей мере одного оксида металла, средства для ввода выполнены с возможностью ввода в указанную камеру окислителя в количестве, которое значительно больше, чем стехиометрическое количество для образования пара, и содержит по меньшей мере один движущий блок на жидкостной основе, в который подается на входе, по меньшей мере, пар для приведения во вращательное движение приводного вала, средства отделения и извлечения для, по меньшей мере, пара, находящиеся между камерой и входом в движущий блок, и средства для отвода указанного водорода, подаваемого на хранение или потребителю.
Изобретение относится к способу получения богатой водородом газовой смеси из галогенсодержащей газовой смеси, включающей водород и по меньшей мере 50 об.% монооксида углерода, в пересчете на сухую массу, путем взаимодействия галогенсодержащей газовой смеси с водой, имеющей температуру от 150 до 250°C, чтобы получить газовую смесь, бедную галогеном и имеющую мольное отношение пара к монооксиду углерода от 0,2:1 до 0,9:1, и подвергают указанную газовую смесь, бедную галогеном, реакции сдвига водяного газа, в котором часть или весь монооксид углерода конвертируют с паром до водорода и диоксида углерода в присутствии катализатора, который присутствует в одном реакторе с неподвижным слоем или в каскаде из более чем одного реактора с неподвижным слоем, и в котором температура газовой смеси, которая поступает в реактор или реакторы, равна от 190 до 230°C.

Изобретение относится к области химии. Водород получают в комбинированном трубчатом каталитическом реакторе с распределенными в реакционном объеме зонами эндотермических и экзотермических реакций получения водорода и теплоты, необходимой для проведения каталитических эндотермических реакций получения водорода.

Изобретение относится к области химии. Газообразную смесь воздуха или кислорода с водяным паром готовят в смесителе путем подачи компонентов смеси вдоль оси смесителя, представляющего собой цилиндрический канал, разделенный перегородками. Углеводородный газ пропускают через систему охлаждения камеры, разогревая его и одновременно охлаждая реакционную зону камеры, смешивают полученный парокислородный окислитель с подогретым углеводородным газом путем ступенчатого ввода парокислородного окислителя в поток углеводородного газа. Образовавшуюся реакционную смесь разогревают путем теплообмена с полученным синтез-газом на выходе из реактора, одновременно охлаждая синтез-газ. Проводят парциальное окисление в камере горения, оборудованной вставками, образующими внутренний проход, обеспечивающий пропуск охладителя из охлаждающего тракта корпуса. Изобретение позволяет снизить расход сырья и обеспечить безопасность процесса. 1 ил., 1 табл.
Наверх