CN1031790C - 用铝炭嵌合物制备氢气的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用铝炭嵌合物制备氢气的方法和装置，通过将裁径为2～8mm的铝粒与裁径1～3mm的无定形炭粒按Al∶C＝1∶0.1～0.3重量比嵌合后，经活化液活化后，置于制氢气装置中，再加入水，在光照或加温条件下，使水分子解离收集氢气。所说的制氢装置包括二个上、下相扣的U形筒体，筒体底中部设有滑杆或滑杆导管，上U形筒体底上设有带塞的投料管和带开关的输氢气管，制氢装置内设有原料盘。用本方法和装置生产的H2纯度高，产率高，工艺和设备简单，所需原材料易得，经济效益高。
Description
本发明涉及一种非金属元素的制备方法及其装置，特别是一种氢气的制备方法和装置。
氢气作为一种重要的化工合成原料及高能量、无污染能源日益受到人类重视，人们先后研究出多种制备氢气的方法及其装置，在工业上制氢气主要以水为原料，如电解法制备氢气，通过电解NaOH溶液使在阴极上H+被还原，放出H2，电解法制得的H2纯度较高，可达99.9％，但用这种方法耗电太多。因而目前使用电解法制H2在工业上应用很少，目前工业上大量H2的来源是利用炭还原法(水煤气法)来制取的： ， ，这种方法虽然能耗有所下降，但总的来说能耗仍然高，设备和工艺比较复杂。近年来人们研究用光化学，催化分解水的方法来制备H2，如高等教育出版社出版的《无机化学》第三版第468页中报导，有人发现金属钌的配位化合物，如三(2，2-联呲啶)合钌(II)的化合物对于光解水有特殊的催化作用，这种方法目前尚未达到应用于生产的程度，同时钌资源较少，价格较贵。
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种生产工艺筒单，能源消耗小，原材料易得的氢气生产方法及其装置。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：
取纯度在95％以上，裁径2-8mm的铝粒与裁径1-3mm的无定形炭粒按Al∶C＝1∶0.1-0.3重量比混合后，置于一容器中摇撞或捣砸，使炭粒嵌于铝粒中，将铝炭混合物浸泡于活化液中活化8-25分钟，用清水冲洗除去活化液后，经投料管投放于二个上下相扣的非金属U形筒体组成的氢气生产装置内，并按铝炭嵌合物∶水＝1∶80-100重量比将水注于氢气生产装置内，在光照或加温条件下，水即开始分解产出氢气，待所产出氢气将上U形筒体上顶形成气室后，打开输氢气管开关并与贮氢气容器相连，收集H2。
活化液可以是1/1000-5/1000重量比的HgSO4水溶液，可以是饱和FeCL3或FeSO4水溶液，或者20％pb(NO3)2重量百分比水溶液。无定形炭为石墨、炭黑任一种。
在无光照或每目光照不足8小时时，可用提高水温至25-40℃来维持氢气产出。
氢气生产装置包括二个上下相扣的非金属U形筒体，上U形筒体外径小于下U形筒体内径2-10mm，上下U形筒底中心部位分另设有与筒体底固接的滑杆或与滑杆相匹配的导管，上、下U形筒体相扣时，滑杆置于滑杆导管内，上U形筒体底设有带开关的输氢气管和带塞的投料管，下U形筒体底或上U形筒体口部设有存料盘。
下U形筒体高于上U形筒体3-8cm，以便于制氢装置容腔内充满水。
上U形筒体为无色玻璃或透明不漏氢气的塑料或树脂材料制成，以便吸收光能和氢气收集。
本发明中使用的铝粒纯度过低或粒度过大，在水分解产氢气过程中产生的AL(OH)3不易从铝炭嵌合物中分散出来，而影响H2产出率。铝粒过小或炭粒过大，及炭粒过少，均影响铝粒与炭粒的嵌合，炭粒过多则造成不必要的浪费。
使用HgSO4或pb(NO3)2水溶液作活化液时，如果浓度过低，或时间过短则铝表面氧化层去除不完全，浓度过大或时间过长，则在水洗时即可产生大量AL(OH)6 -3附于铝炭嵌合物表面，而影响H2产率。铝炭嵌合物与水的比例，一般水所占比例不少于80倍为好，水量过少，铝炭嵌合物在夺取OH-离子时产生大量的热量，水温升高太快，反应激烈，短时间内产生大量AL(OH)6 -3而成糊状物附于铝炭嵌合物表面，而影响H2产生，另一方面水量过少，铝炭嵌合物催化水分解的能力发挥不出来，也影响H2的产出率。
在制氢时应注意选择容量适当的氢气生产装置，使水能充满制氢气装置和输氢管道，只有这样才能保证氢气的纯度。
附图及图面说明：
附图为本发明的一种生产氢气用的装置。
下面结合附图对由铝炭嵌合物制备氢气用的装置作进一步描述：
如图所示，氢气生产装置含有非金属材料制成的上U形筒体1和下U形筒体6，其中上U形筒体由无色玻璃或透明不漏氢气的塑料或树脂材料制成，其外径小于下U形筒体的内径2-10mm，上、下U形筒体相扣后，上U形筒体外壁与下U形筒体内壁间隙以1-5mm为宜，过大则影响H2的收集，过小给装配增加困难，上U形筒体也难于上、下滑动自如，上、下U形筒体中心部位设有与其底固接并与筒体壁相平行的非金属滑杆4或非金属滑杆导管5，上U形筒体底部设有带塞的非金属投料管2和带开关的输氢气管3，在下U形筒底或上U形筒体口部设一与筒体壁垂直的存料盘7，为便于排除废液，可在下U形筒体底设一带阀门的排污管8。
下面结合实施例对铝炭嵌合物制备氢气的方法作进一步叙述：
实施例1
取纯度95％，裁径为8mm的铝粒1kg与裁径3mm炭黑0.3kg混合后装入玻璃瓶，置于洗衣机的甩干桶内旋转撞击15分钟，使炭粒嵌于铝粒中，炭粒嵌于铝粒中越深越均匀，效果越好，取出铝炭嵌合物浸泡于1/1000重量比的HgSO4水溶液中浸泡10分钟。捞出铝炭嵌合物用清水冲洗除去HgSO4水溶液后备用，取一容积为130升的氢气生产装置安装于户外阳光可照射的场地，安装时将上U形筒体口向下扣于下U形筒体内，并将滑杆置于滑杆导管内，关闭排污阀门，打开进料管塞和氢气输气开关，从进料管将铝炭嵌合物置于存料盘，再将水从输气管输入下U形筒，使水充满上下U形筒相扣而形成的腔体和输气管，塞上进料管塞，关闭输气开关，在阳光作用下，装置内即产生氢气，当H2气体产出并上顶上U形筒体形成气室后，打开输气开关，放出输气管中的水，并将输气管与贮H2容器相连，输气管开关开放的大小视产气速度快慢而定。
实例施2
取纯度95％裁径为5mm的铝粒0.1Kg与裁径2mm炭黑0.02Kg混合后，装入玻璃瓶，置于洗衣机的甩干桶内旋转撞击15分钟，使炭粒嵌于铝粒中，炭粒嵌于铝粒中越深越均匀，效果越好，取出铝炭嵌合物浸泡于3/1000重量比的HgSO4水溶液中浸泡10分钟。捞出铝炭嵌合物用清水冲洗除去HgSO4液后备用，取一容积为9.6升的氢气生产装置安装于户外阳光可照射的场地，安装时先将上U形筒体口向下扣于下U形筒体内，并将滑杆置于滑杆导管内，关闭排污阀门，打开进料管塞和氢气输气开关，从进料管将铝炭嵌合物置于存料盘，再将水从输气管输入下U形筒，使水充满上下U形筒体相扣而形成的腔体和输气管，塞上进料管塞，关闭输气开关，在阳光作用下，装置内即产生氢气，当H2气体产出并上顶上U形筒体形成气室后，打开输气开关，放出输气管中的水，并将输气管与贮氢气容器相连，输气开关开放的大小视产气速度快慢而定。
实施例3
取纯度95％，最大裁径为2mm的铝粒10kg与裁径1mm炭黑1kg混给后装入石舀捣砸10分钟，使炭粒嵌于铝粒中，炭粒嵌于铝粒中越深越均匀，效果越好，取出铝炭嵌合物浸泡于5/1000重量比的HgSO4水溶液中浸泡8分钟。捞出铝炭嵌合物用清水冲洗除去HgSO4液后备用，取一容积为0.9m3的氢气生产装置，安装时先将上U形筒体口向下扣于下U形筒体内，并使滑杆置于滑杆导管内，关闭排污阀门，打开进料管塞和氢气输气开关，从进料管将铝炭嵌合物置于存料盘，再将40℃水从输气管输入下U形筒，使水充满上下U形筒体相扣而形成的腔体和输气管，塞上进料管塞，关闭输气开关，装置内即产生氢气，当H2气体产出并上顶上U形筒体形成气室后，打开输气开关，放出输气管中的水，并将输气管与贮H2容器相连，输气开关开放的大小视产气速度快慢而定。
实例施4
按实施例1进行，仅将原铝炭嵌合物浸泡于1/1000的HgSO4溶液中15分钟，改为浸泡于饱和Fecl3水溶液中25分钟。
实施例5：
按实施例2进行，仅将铝炭嵌合物浸泡于20％重量百分比pb(No3)2的水溶液中20分钟代替铝炭嵌合物浸泡于3/1000HgSO4中10分钟。
实施例6按实施例3进行，仅将原铝炭嵌合物浸泡于5/1000重量比的HgSO4水溶改为浸泡于饱和FeSO4水溶液中，并将原加入40℃水改为加入25℃水。
用本发明制备的H2经称量0℃时的密度为89.9克/m3，燃烧时火焰为白兰色，说明H2的纯度较高.
从试生产情况看，1000克纯铝粒与100-300克炭粒嵌合后，水量在80Kg以上，每天光照达8-10小时可连续产气7-14昼夜，其中温度在15-20℃时产气时间可维持10-14天，而温度在25℃以上时产气时间为7-10天。在标准大气压下产H2量最低为1240升，最高超过10300升。
如果无光照，用提高水温的办法即将水温提高到25-40℃，产气量也可达1240-4960升。如果既无光照，水温又低于15℃时，H2产出极微，且二小时即钝化且停止反应。
本发明主要是利用铝炭嵌合物，经活化液去除铝表面的氧化层后，铝原子上的电子被炭原子吸附，铝炭接触部位产生很大的电位差，接近铝炭嵌合物之间的水分子被电离，而使OH-与AL+化合，水分子中H+解离出来后，吸附炭原子上电子而还原生成H2，炭原不断从光照或加温的水中获取能量，且不断被活化，使这种氧化还原过程得以继续，由于光照供给炭原子的能量比较平缓，使AL原子在反应过程中缓慢形成AL(OH)6 -3而从铝炭嵌合物中不断粉化分离，而显露出未成为AL(OH)6 -3的AL继续与炭间产生电位差，使水解较为彻底，用人工提高水温，往往因温度短时间上升较快使上述反应激烈，在短时间内形成大量AL(OH)3，铝耗量大，不能达到AL(OH)6 -3，使这种反应不彻底，同时短时间内形成大量AL(OH)6 -3来不及粉化分离而呈糊状附于铝炭嵌合物表面，导致产氢率下降。
从上述情况中可以看出，本发明的方法和装置是可行的，用本法生产H2所需能源极少，工艺十分简单，制H2纯度较高，生产用的装置也不复杂，所用原材料来源广，可利用一切纯度较高铝材加工后的边角废料，因而成本较低。
由于氢气不易长期贮存，压缩后贮藏十分困难且危险，因而氢气作为能源使用受到限制，而本发明使用的生产设备可大可小，氢气生产装置可以用于家庭或工业作燃料生产，又可安装于活动的交通工具上作为交通工具的动力能源，为氢气能源使用开辟了新的途径。
Claims (7)
1、一种由铝炭嵌合物制备氢气的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：取纯度95％以上，裁径2-8mm的铝粒与裁径1-3mm的无定形炭粒按AL∶C＝1∶0.1-0.3重量比混合后，摇撞或捣砸，使炭粒嵌于铝粒中，将铝炭粒嵌合物浸泡于活化液中8-25分钟，用清水冲洗除去活化液后，置于制氢气装置中，并按铝炭嵌合物：水＝1∶80～100重量比将水加到制氢装置中，光照或提高水温将水解离，收集H2。
2、根据权利要求1所说的由铝炭嵌合物制备氢气的方法，其特征在于：活化液为1/1000-5/1000重量比的HgSO4水溶液，20％重量百分比的pb(NO3)2水溶液，FeSO4饱和水溶液，FeCl3饱和水溶液中任一种。
3、根据权利要求1所说的由铝炭嵌合物制备氢气的方法，其特征在于：无定形炭为石墨、炭黑任一种。
4、根据权利要求1所说的由铝炭嵌合物制备氢气的方法，其特征在于：每天光照时间不少于8-10小时，如果光照不足或无光照时可用将水温提高到25-40℃来替代光照不足。
5、一种由铝炭嵌合物制备氢气用的装置，其特征在于该装置包括容器与带开关的管道，容器由二个上、下相扣的非金属U形筒体组成，上U形筒体外径小于下U形筒体内径2-10mm，上、下U形筒底中心部位设有一与筒体底固接的滑杆或与其相匹配的滑杆导管，上下U形筒体相扣时，滑杆置于滑杆导管内，上U形筒体底部设有带开关的输氢气管和带塞的投料管，下U形筒底或上U形筒口部设有存料盘。
6、根据权利要求5所说的由铝炭嵌合物制备氢气用的装置，其特征在于下U形筒体高于上U形筒体3-8cm。
7、根据权利要求5所说的由铝炭嵌合物制备氢气用的装置，其特征在于上U形筒体为无色玻璃或透明不漏氢气的塑料或树脂材料制成。
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