CN202146770U

CN202146770U - 一种手控制氢实验装置

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Publication number: CN202146770U
Application number: CN 201120248681
Authority: CN
Inventors: 夏鸣; 孙运兰; 余萍萍
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-07-15
Filing date: 2011-07-15
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2021-07-15

Abstract

本实用新型涉及一种手控制氢实验装置，属于金属置换制氢领域，旨在提高实验效率并减小系统误差。本实用新型包括三叉戟瓶、滤网圆筒、手控装置、氢气收集装置，手控装置由注射器、塑料细软管、塑料尖嘴导管、乳胶管顺次连接而成，乳胶管与三叉戟瓶的中央圆管出口连接；氢气收集装置由橡胶塞、玻璃弯管、乳胶管、尖嘴玻璃弯管、量筒顺次连接而成，玻璃弯管穿过橡胶塞伸入三叉戟瓶内的一端作为氢气出口；三叉戟瓶内装入反应溶液，金属原料放在滤网圆筒中，滤网圆筒置于三叉戟瓶内。本实用新型结构简单，操作方便，可控性强；实验过程直观，实验参数与反应效果便于记录和调整，且能够提高实验效率，减小系统误差。

Description

一种手控制氢实验装置

技术领域

本实用新型涉及一种实验用的制氢装置，属于金属置换制氢领域，更具体地说，涉及一种可以提高实验效率并减小系统误差的手控制氢实验装置。

背景技术

目前，全球经济面临着巨大的能源危机，各国都在寻找可替代能源。氢能有许多优点，如燃烧热值大，燃烧速度快；氢气本身无毒且燃烧产物只是水，可反复循环使用，不会造成环境污染。氢能的利用形式很多，既可通过燃烧产生热能，在热力发动机中产生机械功，又可作为能源材料用于燃料电池。可以预见，氢能将会成为21世纪世界能源舞台上一种举足轻重的二次能源，成为人类社会可持续发展的基础。

制氢的方法很多，如金属置换制氢就是一种行之有效的制氢方式，这种制氢方式具有成本低、储氢材料性能稳定、制取的氢气纯度高且能够实现现场制氢和供氢等优点。迄今为止，镁、锌、铁、铝等金属与酸溶液或碱溶液反应制氢，或者它们与某些低熔点金属形成的合金与水反应制氢等方式已被大量的研究。

例如铝在氢氧化钠溶液中会发生如下反应：

2Al + 6H₂O + 2NaOH → 2NaAl(OH)₄+ 3H₂↑

NaAl(OH)₄→ NaOH + Al(OH)₃↓

从上面两式可以看出，NaOH反应前后没有变化，消耗的仅是铝和水，所以NaOH只起催化剂的作用。在实验室里，国内外的研究者们在研究金属置换制氢时，大多使用的反应器皿为密封金属罐、圆底烧瓶、锥形瓶等常用实验仪器或者一些利用启普发生器原理改造的反应装置（E.D.Wang ,P.F.Shi ,C.Y. Du .A mini-type hydrogen generator from aluminum for proton exchange membrane fuel cells[J] ,Journal of Power Sources ,2008 ,181:144 – 148）。

这些实验仪器或装置在利用排水集气法原理收集氢气时，存在如下不足：

（1）每次只能做一组样品实验，而且在每个条件下，还要做多组实验以求平均值来确保实验的准确性；

（2）若是要考察反应溶液的种类和浓度、金属原料的种类和粒径等因素对制氢效果的影响，研究人员不仅要付出大量体力劳动，而且在每次实验过程中，由于人为操作及其他外界环境影响，数据的系统误差就会无形中变大；

（3）在这些器皿中，当制氢反应开始后，就很难控制反应的进行或结束，即制氢的可控性不强。

发明内容

实用新型要解决的技术问题

本实用新型的目的是要克服现有制氢实验仪器或装置的局限和缺陷，提供一种可控性强，能够提高实验效率并减小系统误差的金属置换制氢实验装置。

技术方案

为达到上述目的，本实用新型提供的技术方案为：

一种手控制氢实验装置，包括三叉戟瓶、滤网圆筒、手控装置和氢气收集装置，其中：手控装置由注射器、塑料细软管、塑料尖嘴导管、乳胶管顺次连接而成，乳胶管与三叉戟瓶的中央圆管出口连接；氢气收集装置由橡胶塞、玻璃弯管、乳胶管、尖嘴玻璃弯管、量筒顺次连接而成，玻璃弯管穿过橡胶塞伸入三叉戟瓶内的一端作为氢气出口；三叉戟瓶内装入反应溶液，金属原料放在滤网圆筒中，滤网圆筒置于三叉戟瓶内。

所述的三叉戟瓶两边的上圆管和下圆管都关于中央圆管成轴对称并与中央圆管相通，中央圆管与圆锥底座相通；中央圆管和上圆管的直径相同，上圆管的直径比下圆管的直径大,上圆管与下圆管之间有过渡圆角；三叉戟瓶材质为玻璃，便于观察反应溶液的液面高度的变化和金属原料的反应特征。

所述的滤网圆筒的底部和筒壁均为不锈钢滤网，顶部敞口；滤网圆筒的直径介于上圆管与下圆管的管径之间，高度低于上圆管的管高；滤网的孔径要以加入金属原料后不致于漏下并且能让反应溶液自由透过为原则；滤网圆筒材质为不锈钢，能够耐酸、碱、盐等浸蚀性介质的腐蚀。

所述的塑料尖嘴导管的粗端与乳胶管连接，细头与塑料细软管连接。

本实用新型的原理是：推动注射器，三叉戟瓶中央圆管内的压力增大使得反应溶液的液面降低，根据连通器原理，此时两边下圆管内的反应溶液的液面同时升高，反应溶液到达上圆管并透过滤网圆筒后便与金属原料发生制氢反应；同理，抽吸注射器，三叉戟瓶中央圆管内的压力减小使得反应溶液的液面升高，此时两边上圆管内的反应溶液的液面同时降低，便能够实现反应溶液与金属原料分离，制氢反应即停止。由于氢气不溶于水，故利用排水集气法原理收集氢气，并记录时间和量筒内水面高度从而获得实验数据。可以考察反应溶液的种类和浓度、金属原料的种类和粒径对金属置换制氢效果的影响。

有益效果

本实用新型与现有技术相比，其显著优点为：

（1）本实用新型的提供的手控制氢实验装置，结构简单，操作方便，可控性强；

（2）由于利用了连通器原理，可以同时完成两个实验样品（即一组平行样品）的制氢实验，从而提高了实验效率并减小了系统误差；

（3）实验过程直观，实验参数与反应效果便于记录和调整，可广泛应用于相关教学和实验，也可作为燃料电池提供氢源，适用范围广。

附图说明

图1是本实用新型的一种手控制氢实验装置的结构示意图；

图2是本实用新型三叉戟瓶的结构示意图；

图3是本实用新型滤网圆筒的结构示意图。

示意图中标号说明：

量筒1；水槽2；尖嘴玻璃弯管3；乳胶管4；玻璃弯管5；橡胶塞6；滤网圆筒7；三叉戟瓶8；反应溶液9；塑料尖嘴导管10；塑料细软管11；注射器12；中央圆管801；上圆管802；过渡圆角803；下圆管804；圆锥底座805。

具体实施方式

为进一步了解本实用新型的内容、特点及功效，结合附图对本实用新型作详细描述。

图1是本实用新型手控制氢实验装置的结构示意图，包括三叉戟瓶8、滤网圆筒7、手控装置、氢气收集装置；其中：手控装置由注射器12、塑料细软管11、塑料尖嘴导管10、乳胶管4顺次连接而成，乳胶管4与三叉戟瓶8的中央圆管801出口连接；氢气收集装置由橡胶塞6、玻璃弯管5、乳胶管4、尖嘴玻璃弯管3、量筒1顺次连接而成，玻璃弯管5穿过橡胶塞6伸入三叉戟瓶8内的一端作为氢气出口；三叉戟瓶8内装入反应溶液9，金属原料放在滤网圆筒7中，滤网圆筒7置于三叉戟瓶8内。

图2是本实用新型三叉戟瓶的结构示意图，三叉戟瓶8两边的上圆管802和下圆管804都关于中央圆管801成轴对称并与中央圆管801相通，中央圆管801与圆锥底座805相通；中央圆管801和上圆管802的直径相同，上圆管802的直径比下圆管804的直径大,上圆管802与下圆管804之间有过渡圆角803，三叉戟瓶8材质为玻璃，便于观察反应溶液的液面高度的变化和金属原料的反应特征。

图3是本实用新型滤网圆筒的结构示意图，滤网圆筒7底部和筒壁均为滤网，顶部敞口；滤网圆筒7的直径介于上圆管802与下圆管804的管径之间，高度低于上圆管802的管高；滤网圆筒7材质为不锈钢，能够耐酸、碱、盐等浸蚀性介质的腐蚀。

下面结合实施例对本实用新型作进一步的描述。

实施例：

结合图1、图2和图3，本实施例的一种手控制氢实验装置，包括三叉戟瓶8、滤网圆筒7、手控装置、氢气收集装置。

三叉戟瓶8两边的上圆管802和下圆管804都关于中央圆管801成轴对称并与中央圆管801相通，中央圆管801与圆锥底座805相通；中央圆管801直径为30mm，上圆管802的直径与中央圆管801直径相同，上圆管802的管高为50mm，下圆管804的直径为20mm，上圆管802与下圆管804之间有过渡圆角803，三叉戟瓶8材质为玻璃，便于观察反应溶液的液面高度的变化和金属原料的反应特征。手控装置与三叉戟瓶8连接，手控装置由注射器12、塑料细软管11、塑料尖嘴导管10、乳胶管4顺次连接而成，通过乳胶管4与三叉戟瓶8的中央圆管801出口相连接，手控装置控制着实验反应的启停。三叉戟瓶8内装入氢氧化钠，作为反应溶液9，金属原料选用粒径为2 ~ 5 mm的铝颗粒，放在滤网圆筒7中，滤网圆筒7置于三叉戟瓶8内。滤网圆筒7底部和筒壁均为滤网，顶部敞口；滤网圆筒7的直径为25mm，滤网圆筒7的高度为26mm；滤网圆筒7材质为不锈钢，能够耐酸、碱、盐等浸蚀性介质的腐蚀。通过氢气收集装置收集氢气，氢气收集装置由橡胶塞6、玻璃弯管5、乳胶管4、尖嘴玻璃弯管3、量筒1顺次连接而成，玻璃弯管5穿过橡胶塞6伸入三叉戟瓶8内的一端作为氢气出口。

具体实验过程如下：

（a）向三叉戟瓶8内加入浓度为0.5 mol/L的氢氧化钠溶液，使得液面高度低于过渡圆角805，此时中央圆管802、上圆管802、下圆管804内的氢氧化钠溶液处于同一液面高度；

（b）称取两份质量为0.1 g的铝颗粒分别放入两个相同规格的滤网圆筒7内；

（c）将这两个滤网圆筒7分别放入三叉戟瓶8两边对称的上圆管802内，并按照图1中所示，将三叉戟瓶8与手控装置和氢气收集装置连接好，量筒1由铁架台固定，量筒1内装入水并倒置在水槽2内；

（d）推动注射器12，三叉戟瓶8中央圆管801内的压力增大使得氢氧化钠溶液的液面降低，根据连通器原理，此时两边下圆管804内的氢氧化钠溶液的液面同时升高，氢氧化钠溶液到达上圆管802并透过滤网圆筒7后便与铝颗粒发生制氢反应，如下式：

2Al + 6H₂O + 2NaOH → 2NaAl(OH)₄+ 3H₂↑

NaAl(OH)₄→ NaOH + Al(OH)₃↓

（e）利用排水集气法原理收集氢气，并记录时间和量筒内水面高度从而获得实验数据；

（f）若要停止制氢，抽吸注射器12，三叉戟瓶8中央圆管801内的压力减小使得氢氧化钠溶液的液面升高，此时两边上圆管802内的氢氧化钠溶液的液面同时降低，便能够实现氢氧化钠溶液与铝颗粒分离，制氢反应即停止；

（g）观察尖嘴玻璃弯管3出口，当出现第一个气泡时开始计时，10分钟后停止制氢，记录两边量筒1内收集的氢气量；做两组平行样品（即四个实验样品）的制氢实验，得到的氢气量分别为105.3 ml、104.1 ml、106.8 ml、107.5 ml，经过计算得出反应率分别为84.65%、83.68%、85.85%、86.41%，标准偏差为1.524。

重复上述实验步骤，便可以考察反应溶液的种类和浓度、金属原料的种类和粒径对金属置换制氢效果的影响。

本实施例的手控制氢实验装置结构简单，能方便的控制制氢反应，可控性强，提高了实验效率并减小了系统误差。

以上示意性的对本实用新型及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种手控制氢实验装置，包括三叉戟瓶（8）、滤网圆筒（7）、手控装置和氢气收集装置，其特征在于：所述的手控装置由注射器（12）、塑料细软管（11）、塑料尖嘴导管（10）、乳胶管（4）顺次连接而成，乳胶管（4）与三叉戟瓶（8）的中央圆管（801）出口连接；氢气收集装置由橡胶塞（6）、玻璃弯管（5）、乳胶管（4）、尖嘴玻璃弯管（3）、量筒（1）顺次连接而成，玻璃弯管（5）穿过橡胶塞（6）伸入三叉戟瓶（8）内的一端作为氢气出口；三叉戟瓶（8）内装入反应溶液（9），金属原料放在滤网圆筒（7）中，滤网圆筒（7）置于三叉戟瓶（8）内。

2.根据权利要求1所述的一种手控制氢实验装置，其特征在于：所述的三叉戟瓶（8）两边的上圆管（802）和下圆管（804）都关于中央圆管（801）成轴对称并与中央圆管（801）相通，中央圆管（801）与圆锥底座（805）相通。

3.根据权利要求2所述的一种手控制氢实验装置，其特征在于：所述的中央圆管（801）和上圆管（802）的直径相同，上圆管（802）的直径比下圆管（804）的直径大，上圆管（802）与下圆管（804）之间有过渡圆角（803）。

4.根据权利要求1或2所述的一种手控制氢实验装置，其特征在于：所述的三叉戟瓶（8）材质为玻璃。

5.根据权利要求1所述的一种手控制氢实验装置，其特征在于：所述的滤网圆筒（7）的底部和筒壁均为滤网，顶部敞口。

6.根据权利要求5所述的一种手控制氢实验装置，其特征在于：滤网圆筒（7）的直径介于上圆管（802）与下圆管（804）的管径之间，滤网圆筒（7）的高度低于上圆管（802）的管高。

7.根据权利要求1或5所述的一种手控制氢实验装置，其特征在于：滤网圆筒（7）材质为不锈钢。

8.根据权利要求1所述的一种手控制氢实验装置，其特征在于：所述的塑料尖嘴导管（10）的粗端与乳胶管（4）连接，细端与塑料细软管（11）连接。