Способ получения водорода



Способ получения водорода
Способ получения водорода
Способ получения водорода
Способ получения водорода
Способ получения водорода
Способ получения водорода
Способ получения водорода

 


Владельцы патента RU 2602905:

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение"Институт природно-технических систем" РАН (RU)
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) (RU)

Изобретение относится к способу получения водорода для различных потребностей народного хозяйства. Способ заключается в том, что сплав на основе алюминия, содержащий алюминий 92-98%, медь 1-8%, помещают в водный раствор щелочи, содержащий щелочь 0,4%, вода - остальное, и осуществляют химическую реакцию при температуре раствора 15-70°C, при этом в реакции используют воду с pH от 7 до 12. Изобретение обеспечивает повышение скорости выделения водорода, удешевление производства и безопасность процесса. 1 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к способам получения водорода для различных потребностей народного хозяйства, в том числе в установках для получения водорода транспортных средств.

Известен способ получения водорода с помощью алюминия из концентрированного раствора щелочей в воде: 2Al+2NaOH+6H2O=2Na[Al(OH)4]+3Н2 (Р.А. Лидин, Химия, справочник, изд-во «Астрель», Москва, 2011, стр. 60). В этом источнике информации подробно описана химическая реакция, которая проводится при растворении в 108 г воды 80 г щелочи, т.е. 2 моля щелочи на 6 молей воды. В литре (1000 г) воды содержится 55,55 молей воды, т.е. в литре воды надо будет растворить 18,5 молей щелочи или 740 грамм. Существенным недостатком такого способа является высокий концентрат щелочи, что, разумеется, небезопасно в обращении и использовании его в какой-либо установке.

Известен способ получения водорода на основе гидрореагирующих композиций, содержащих алюминий и активизирующие группы металлов, в том числе галлий, индий, олово, цинк (Патент РФ №2394753, МПК C01B 3/08, 2009 г.). К недостаткам этого способа относится использование, или чистого алюминия, или дорогостоящих сплавов, например, с индием, галлием или с другими редкими металлами. Чистый алюминий весьма медленно реагирует из-за образования прочной окисной пленки, и чтобы ускорить химическую реакцию, прибегают к порошкам и даже нанопорошкам алюминия, чтобы увеличить реакционную поверхность, что существенным образом усложняет технологию получения водорода.

В предлагаемом техническом решении задачи получения водорода на основе химической реакции алюминиевого сплава в щелочном растворе использован сплав алюминия и меди в качестве химического реагента с безопасным раствором щелочи. В основу решения поставленной задачи положена теоретическая предпосылка, что при взаимодействии алюминия с различными средами его коррозия и выделение водорода необязательно зависят от дорогостоящих добавок, какие были использованы в прототипе. С этой целью может быть использован сплав, состоящий из алюминия и меди при соответствующем соотношении компонентов.

Предлагаемый способ получения водорода на основе химической реакции алюминиевого сплава и щелочного раствора заключается в том, что сплав на основе алюминия с содержанием алюминия 92-98%, меди 1-8% помещают в водный раствор щелочи с содержанием 0,4% щелочи и осуществляют химическую реакцию при температуре раствора 15-70°С, при этом в реакции используют воду с рН от 7 до 12.

Получение технического результата, выбор состава сплава алюминия и меди, а также определение условий проведения реакции осуществлялось экспериментальным путем проведения испытаний сплавов с разным процентным содержанием компонентов.

На фиг. 1 представлена схема установки, на которой проводились эксперименты.

В лабораторных условиях проводились испытания со сплавами, состав которых представлен в таблице 1.

Как показали эксперименты, чем больше содержание меди в сплаве, тем выше скорость выделения водорода. Но, с другой стороны, сама медь при реакции со щелочью не выделяет водород, поэтому, чем больше ее в сплаве, тем меньше удельная газопроизводительность с 1 кг сплава. Так если с 1 кг Al получаем 1244 л водорода, то соответственно с 1 кг сплава, где, например, 8% меди, на столько же уменьшится удельная газопроизводительность и составит 1144 л. На эксперименте получено с 1 г такого сплава 1100 мл водорода или в пересчете на 1 кг - 1100 л водорода, т.е. полнота реакции составляет 96%.

Кроме того, для удаления окисной пленки исследованные сплавы не нуждаются в концентрированном растворе NaOH, а всего 2-4 г/л - это еще удешевляет производство водорода и делает безопасным эксплуатацию такого раствора. При такой концентрации NaOH скорость реакции для получения водорода будет зависеть в основном от количества меди в сплаве.

Чтобы не зависеть на испытаниях от состава воды, специально на каждый опыт приготовлялся свежий раствор 0,1 H NaOH в дистиллированной воде. Первые испытания для сравнения с предлагаемым сплавом были проведены на чистом Al марки АД00 (стружка), на гранулированном Al ЧДА (изготовление август 2000 г. - гарантийный срок хранения 3 года - хранился в негерметичном полиэтиленовом пакете при комнатных условиях), Al листовой электротехнический (изготовление июнь 1988 г.) толщиной 0,5 мм. Наиболее интенсивное газовыделение наблюдалось на последнем образце, и выделение водорода началось сразу же. Чуть похуже реакция шла со стружкой. Гранулы Al в среднем имели толщину 3,5 мм и диаметр 12 мм. Выделение водорода началось только через 19 минут, и скорость выделения была незначительна по сравнению с предыдущими образцами.

Задача в данной серии экспериментов состояла в получении и испытании алюминиевых сплавов, которые корродировали бы с наибольшим эффектом с выделением водорода. Для этого были изготовлены сплавы на основе Al с добавками меди, магния, цинка и железа, увеличивающими коррозию Al и исключающими стабилизирующие добавки Mn, Ti, Ni, содержащиеся в Д16. Составы заказанных сплавов по последовательности их изготовления и испытания (см. их нумерацию) приведены в табл. 1. Для сравнения на растворе такой же концентрации был испытан сплав Д16.

Для полноты исследования был проведен эксперимент, где на сплаве с 4% меди концентрация щелочи в растворе была уменьшена в 2 раза. Интересен также опыт, где процент меди в сплаве был уменьшен до 1% (концентрация раствора как и на большинстве испытаний 0,1H NaOH).

В начале и в конце каждого испытания образец сплава взвешивался и по разности массы находилось теоретическое значение объема водорода и сравнивалось с тем, которое получалось в эксперименте. После каждого испытания образец тщательно высушивался.

На всех экспериментах полнота выделения водорода была близка к 100%, за исключением Д16, где она составила 87%. Анализируя результаты экспериментов, можно заметить, что полученные зависимости четко разделяются на две группы: группа сплавов Al-Cu с повышенной газопроизводительностью от 4,6 л/м2·мин (сплав №8) до 0,9 л/м2·мин (сплав №2) и группа чистого Al от 0,02 л/м2·мин (пластины электротехнического А10) до 0,01 л/м2·мин (гранулированный Al), т.е. наблюдаемая разница на два порядка при одной и той же температуре (15-20°С).

Как показали испытания, уменьшение содержания меди в сплаве с 4% до 1% примерно во столько же раз снижает газопроизводительность. Дополнительно был проведен опыт с содержанием меди в сплаве с Al 8%, что привело к увеличению скорости газовыделения по сравнению с 4% меди в сплаве еще в 2 раза.

Уменьшение концентрации раствора щелочи в два раза приводит к тройному уменьшению газопроизводительности, т.е. на одном и том же составе можно в широких пределах регулировать величину газопроизводительности за счет концентрации раствора щелочи.

Безопасную концентрацию щелочи можно довести до 1%.

В процессе этой серии экспериментов пассивации образцов не было выявлено. Особенностью экспериментов является идеальное изготовление заказанных сплавов, когда стружка корродировала настолько равномерно, что оставалась гладкой и после опыта никаких следов язвенной, питтинговой, растрескивающейся коррозии не было обнаружено.

На отдельных испытаниях проводился нагрев щелочного раствора до 50°С. При этом скорость реакции возрастала в 2 раза.

Схема установки, на которой проведена данная серия испытаний, приведена на фиг. 1.

Способ получения водорода состоит в помещении испытуемого образца 4 в реакционную колбу 7, в которую наливается реакционный раствор 6. Колба устанавливается на регулируемую электроплитку 5, и замер температуры раствора осуществляется термопарой 8. Из реакционной колбы по боковому ее отводу водород по стеклянной или резиновой трубке 3 отводится в мерный цилиндр 2, помещенный в ресивер с водой 1. Замер осуществляется методом вытеснения воды из мерного цилиндра. Технические результаты испытаний представлены в Приложении 1.

По результатам проведенных экспериментов можно сделать вывод, что для достижения поставленной задачи получения водорода необязательно использовать многокомпонентные сплавы, а ограничиться простейшим двухкомпонентным сплавом алюминия с небольшой добавкой меди, при этом используя слабощелочной раствор.

Приложение 1.

Результаты испытаний алюминиевых сплавов

В табличном варианте даны результаты испытаний, которые наиболее продуктивны и вошли в формулу изобретения:

Стружка из сплава Al марки АДО с 4% Cu марки M1, толщина стружки 0,4 мм, вес = 7,176 г. Раствор тот же. Температура раствора = 16°C. Sпов=128,14 см2.

Результаты в виде зависимости газопроизводительности от времени приведены на рис 1.

Полнота выделения водорода близка к 100%.

Реакция идет сразу и очень бурно и температура в конце опыта повышается с 15°С до 17°С. Такая скорость реакции, на наш взгляд, обуславливается образованием множества микрогальванопар, усиливающих коррозию, т.е. растворение Al.

В следующем опыте при той же концентрации раствора 0,1Н NaOH был испытан сплав Al с добавкой 1% меди. Температура раствора приведена в таблице. Раствор вначале искусственно подогревался, чтобы идентифицировать с предыдущим опытом.

Начальный вес стружки = 8,204 г. Толщина стружки = 0,45 мм.

Поверхность 130 см2.

Реакция пошла сразу.

Результаты в виде зависимости газопроизводительности от времени - на рис. 1.

Вес стружки данного сплава после испытания составляет 7,834 г, т.е. прореагировало 0,37 г из них чистого Al: 0,37×0,99=0,366 г. Поэтому теоретически должно выделиться 455 мл водорода. Экспериментальная величина с учетом погрешностей близка к теоретической. Из сравнения двух последних экспериментов при равенстве реакционных поверхностей четко прослеживается прямо пропорциональная зависимость скорости реакции от содержания меди в Al. Содержание меди уменьшили в 4 раза и во столько же раз изменилась скорость реакции.

Дополнительное испытание на газопроизводительность с добавкой в алюминиевый сплав 8% меди. Алюминиевая стружка весом 1 г, толщина стружки 0,025 см, поверхность 15,2 см2, раствор как и на предыдущих испытаниях NaOH 4 г/л, начальная температура раствора 15°С. Испытание длилось 2 часа. Приводится таблица на 34 мин.

В остальное время скорость газовыделения водорода 0,46 мл/см2мин.

Способ получения водорода на основе химической реакции алюминиевого сплава и щелочного раствора воды, отличающийся тем, что сплав на основе алюминия с содержанием алюминия 92-98%, меди 1-8% помещают в водный раствор щелочи, содержащий, %:

щелочь 0,4
вода остальное,

и осуществляют химическую реакцию при температуре раствора 15-70°C, при этом в реакции используют воду с pH от 7 до 12.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу получения водорода из биомассы и может быть использовано для получения водородсодержащих продуктов путем получения водорода из продуктов пиролиза растительного биотоплива, а также в системах аккумулирования и транспорта энергии, в системах производства топлива для транспорта и в стационарных энергоустановках.

Изобретение относится к физической химии, газовому анализу, вакуумной технике и может быть использовано для выделения атомов и ионов водорода, а также его изотопов из газовых смесей.
Изобретение относится к катализатору для разложения углеводородов, способу его получения и к батарее топливных элементов. Катализатор содержит соединение, содержащее по меньшей мере никель и алюминий, и металлический никель, имеющий диаметр частиц от 1 до 25 нм, в котором энергии связи между металлическим никелем и соединением, содержащим по меньшей мере никель и алюминий, в катализаторе составляют от 874,5 до 871,5 эВ (Ni 2p1/2), от 857 до 853 эВ (Ni 2p3/2) и от 73,5 до 70 эВ (Al 2p), и энергия активации катализатора составляет от 4×104 до 5×104 Дж/моль.

Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Способ извлечения фторида водорода из его водных растворов включает восстановление воды углеродом при повышенной температуре.

Изобретение относится к области переработки углеродсодержащих материалов. Проводят газификацию биомассы.

Изобретение относится к водородной энергетике. Устройство содержит полый цилиндр, в котором ближнее торцевое отверстие цилиндра закрыто крышкой, а дальнее торцевое отверстие цилиндра открыто, один мощный энергетический источник, функционально соединенный с полым цилиндром и способный генерировать высокоэнергетическое поле с температурой между 20000 и 40000°F внутри высокоэнергетического поля во внутреннем пространстве полого цилиндра, средство подачи в высокоэнергетическое поле во внутреннем пространстве полого цилиндра водяного пара.

Изобретение относится к способу производства водорода посредством парового риформинга нефтяной фракции, в котором используют горячий газ-носитель. Паровой газ, получаемый в рамках способа, полностью используют для упомянутого способа.

Изобретение относится к насытителю для добавления водяного пара к газу и системе риформинга природного газа, снабженной таким насытителем. Насытитель содержит путь движения потока, по которому течет первая текучая среда, первый теплообменный блок, который вызывает теплообмен между первой текучей средой и второй текучей средой, второй теплообменный блок, который вызывает теплообмен между третьей текучей средой и первой текучей средой, после того как первая текучая среда прошла через первый теплообменник, увлажняющий блок для добавления воды к первой текучей среде, текущей по пути движения потока на сторонах выше по потоку от первой текучей среды из первого теплообменного блока и второго теплообменного блока, и транспортировочную линию для транспортировки третьей текучей среды после теплообмена во втором теплообменном блоке из второго теплообменного блока на сторону выше по потоку от первой текучей среды из первого теплообменного блока таким образом, чтобы третья текучая среда протекала по пути прохождения потока в качестве первой текучей среды.

Изобретение относится к производству водорода и этана из метана. Способ селективного получения водорода или этана включает выбор подходящей температуры, составляющей свыше 300˚С, при которой металлический катализатор и исходный газ, содержащий метан, дают продукт, имеющий регулируемое отношение водород/этан.

Изобретение относится к усовершенствованному способу оксосинтеза с рециркуляцией преобразованных отходов масел. Способ включает гидроформилирование олефина с синтез-газом в реакторе с полученим продукта оксосинтеза и побочного продукта - отходов масел, характеризующегося более низкой или более высокой температурой кипения, чем продукт оксосинтеза, отделение продукта оксосинтеза от отходов масел, преобразование отделенных отходов масел в синтез-газ, включающее испарение отходов масел газообразным углеводородом в резервуаре испарителя с получением смешанного парообразногопотока газообразного углеводорода и испаренных отходов масел и прямое окисление смешанного парообразного потока с получение синтез-газа, и рециркуляцию синтез-газа.

Изобретение относится к способу и системе для извлечения диоксида углерода на установке для синтеза метанола из углеводородного газа или синтеза бензина из углеводородного газа через метанол. Способ включает стадию риформинга для получения конвертированного газа посредством реакции парового риформинга углеводородного газа, стадию синтеза метанола для синтеза метанола из конвертированного газа, стадию сжигания для сжигания топливного газа с получением источника тепла для реакции парового риформинга, стадию извлечения диоксида углерода для извлечения диоксида углерода с использованием поглощающей жидкости из отходящих газов сжигания, генерируемых посредством сжигания, стадию получения множества нагревающих сред конвертированного газа или нагревающих сред конвертированного газа и метанола с разными температурами из конвертированного газа или из конвертированного газа и метанола и стадию регенерации поглощающей жидкости для регенерации поглощающей жидкости посредством ступенчатого нагрева поглощающей жидкости, содержащей поглощенный в ней диоксид углерода, для удаления диоксида углерода из поглощающей жидкости, причем нагрев выполняется с использованием множества нагревающих сред с разными температурами. Изобретение позволяет эффективно использовать отходящее тепло низкотемпературного конвертированного газа. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 9 ил., 9 табл.

Изобретение относится к способам получения катализатора на основе оксидов и гидроксидов меди и никеля, нанесенных на твердый раствор сульфидов кадмия и цинка, применяемого преимущественно в качестве фотокатализатора для процессов фотокаталитического выделения водорода из водных растворов Na2S/Na2SO3 под действием видимого излучения. Способ получения композитного фотокатализатора заключается в нанесении гидроксидов переходных металлов на твердый раствор сульфидов кадмия и цинка Cd0.3Zn0.7S с последующей сушкой. Предлагаемый способ позволяет получать композитные фотокатализаторы состава: x%MO/M(OH)2/Cd0.3Zn0.7S, где M=Cu, Ni, x - 0,06-1,0, с высокой активностью. 3 н.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл., 6 пр.

Изобретение относится к способу приготовления катализаторов для среднетемпературной конверсии оксида углерода водяным паром, которые могут быть использованы в промышленности при получении азотоводородной смеси для синтеза аммиака. Способ заключается в механической активации железосодержащего компонента, сушке, формовании и прокаливании гранул, при этом в качестве железосодержащего компонента используют порошок металлического железа, механическую активацию осуществляют сначала в воде до достижения степени окисления железа 65÷85%, затем добавляют хромовый ангидрид, далее в полученную массу вводят смесь оксидов меди и никеля в количестве 1,0÷3,0% при массовом соотношении CuO:NiO=1:0,2÷0,5 и перемешивают. Техническим результатом заявляемого изобретения является снижение в процессе эксплуатации количества синтезируемого аммиака и аминов. 1 табл., 3 пр.

Изобретение относится к области химической технологии, а именно к высокотемпературным каталитическим окислительным способам превращения метана с получением синтез-газа. Способ заключается в подаче в реактор, в который помещен катализатор, свободный объем которого заполнен инертной насадкой, исходной газовой смеси, содержащей смесь метана и кислорода. Процесс проводят при температуре на катализаторе 761-966°С, в качестве катализатора используют катализатор пеноникелевого типа, а именно пеноникель с PPI - количество пор на линейный дюйм выше 80, пеноникель с нанесенным на его поверхность электрохимическим способом гидроксидом никеля с последующей сушкой поверхности с образованием на ней гидроксида никеля или с последующей сушкой и термообработкой поверхности с образованием на ней оксида никеля, или пеноникель с нанесенным на его поверхность электрохимическим способом переходным металлом VI группы Периодической системы Менделеева с последующей сушкой и термообработкой поверхности. Термообработку поверхности проводят на воздухе при температуре 500-600°С. Технический результат заключается в повышении конверсии метана, селективности по оксиду углерода и водороду, упрощении технологии проведения способа и сокращении затрат на процесс. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 43 пр.

Изобретение относится к области неорганической химии, а именно к установкам для получения водорода и гидроксидов алюминия. Установка содержит бак, выполненный с двумя штуцерами для входа холодной и вывода нагретой воды. Бак соединен со стеклянным трубопроводом. Реакционные колбы расположены внутри бака с водой, и каждая содержит сетку, имеющую размеры ячеек 1 мм и дроссельную заслонку, располагающуюся в горловой части. Каждая колба выполнена с боковым отводом для вывода водорода, нижними и верхними выводами. Нижний вывод выполнен в дне реакционной колбы и соединен со стеклянным трубопроводом, по которому полученная в результате экзотермической реакции суспензия Na[Al(OH)4] с помощью насоса направляется в колбу Бунзена. На колбу Бунзена надета воронка Бюхнера с бумажным фильтром. Колба Бунзена имеет два отвода, один из которых соединен с вакуумным насосом, а второй отвод соединен стеклянным трубопроводом с верхним выводом, выполненным в горловине реакционной колбы. Обеспечивается упрощение конструкции установки за счет отсутствия датчиков, контроллеров и использования более простого способа охлаждения, в результате которого повышается эффективность охлаждения раствора в реакционных колбах. 1 ил.

Изобретение относится к области неорганической химии, а именно к установкам для получения водорода и гидроксидов алюминия. Установка содержит бак, в котором в воде располагаются реакционные колбы, выполненный с двумя штуцерами для входа холодной и вывода нагретой воды. Штуцер для вывода нагретой воды соединен со стеклянным трубопроводом, по которому осуществляется подача нагретой воды в колбу Бунзена. Реакционные колбы выполнены с боковым отводом для вывода водорода и содержат сетку, имеющую размеры ячеек 1 мкм. В горловой части реакционных колб вмонтирована дроссельная заслонка и инфракрасный датчик, регулирующий положение дроссельной заслонки. При этом горловая часть реакционных колб соединена со стеклянным трубопроводом, связанным со стеклянной трубкой насосом, на который установлен инфракрасный датчик, регулирующий подачу суспензии в колбу Бунзена и взаимодействующий с инфракрасными датчиками, регулирующими положение дроссельных заслонок. В дно реакционных колб вмонтирован стеклянный трубопровод, связанный с колбой Бунзена насосом, предназначенным для подачи водного раствора NaOH в реакционные колбы. Обеспечивается упрощение конструкции установки и повышение ее надежности. 1 ил.
Наверх