RU2342470C2 - Method of obtaining hydrogen and products of oxidation of aluminium and device to this end - Google Patents
Method of obtaining hydrogen and products of oxidation of aluminium and device to this end Download PDFInfo
- Publication number
- RU2342470C2 RU2342470C2 RU2007103411/15A RU2007103411A RU2342470C2 RU 2342470 C2 RU2342470 C2 RU 2342470C2 RU 2007103411/15 A RU2007103411/15 A RU 2007103411/15A RU 2007103411 A RU2007103411 A RU 2007103411A RU 2342470 C2 RU2342470 C2 RU 2342470C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrodes
- electrolyte
- products
- electrolysis
- aluminum
- Prior art date
Links
Landscapes
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
- Compounds Of Alkaline-Earth Elements, Aluminum Or Rare-Earth Metals (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области электрохимии, а именно к конструкциям электролизеров для получения кислородоводородной смеси, водорода и кислорода путем электролиза растворов электролитов в центробежном поле, и может быть использовано при создании гибридных, например бензоводородных, двигателей. В частности, в рамках настоящего изобретения рассматривается способ окисления неактивированного алюминия в водной среде в проточном центробежном электролизере с целью получения водорода и мелкодисперсных продуктов окисления алюминия ALOOH, Al(ОН)3.The invention relates to the field of electrochemistry, and in particular, to designs of electrolyzers for producing an oxygen-hydrogen mixture, hydrogen and oxygen by electrolysis of electrolyte solutions in a centrifugal field, and can be used to create hybrid, for example, gasoline-hydrogen engines. In particular, in the framework of the present invention, a method for the oxidation of non-activated aluminum in an aqueous medium in a flowing centrifugal electrolyzer with the aim of producing hydrogen and finely dispersed aluminum oxidation products ALOOH, Al (OH) 3 is contemplated.
Известно устройство для преобразования энергии путем разложения воды электролизом, содержащее вращающуюся емкость с валом, заполненную раствором электролита, установленную на остове и связанную с приводом вращения, обеспечивающим определенную угловую скорость вращения емкости с валом, расположенные внутри емкости электроды, короткозамкнутые между собой или соединенные в контур через потребитель электроэнергии, каналы подвода раствора электролита и отвода продуктов электролиза и теплообменник. В устройстве происходит параллельное преобразование механической и тепловой энергии в электрическую и химическую энергии. Интенсификация электролиза происходит за счет утилизации тепла любого природного или техногенного происхождения (RU №2174162, C25B 9/00, 1/02, F02M 21/02, опубл. 27.09.2001).A device is known for converting energy by decomposing water by electrolysis, comprising a rotating vessel with a shaft, filled with an electrolyte solution, mounted on a core and connected to a rotation drive, providing a certain angular velocity of rotation of the vessel with a shaft, electrodes located inside the vessel, short-circuited between themselves or connected to the circuit through an electricity consumer, channels for supplying an electrolyte solution and removal of electrolysis products and a heat exchanger. The device is a parallel conversion of mechanical and thermal energy into electrical and chemical energy. The intensification of electrolysis occurs due to the utilization of heat of any natural or technogenic origin (RU No. 2174162, C25B 9/00, 1/02, F02M 21/02, publ. 09/27/2001).
Недостатками известного устройства являются его низкая производительность и нестабильность работы, обусловленные невысокой активной поверхностью электрода, установленного на валу, т.к. граница раздела раствора электролита и газовой среды во вращающейся емкости во времени непостоянна.The disadvantages of the known device are its low productivity and instability due to the low active surface of the electrode mounted on the shaft, because the interface between the solution of the electrolyte and the gas medium in the rotating container is not constant in time.
Известна установка для разложения воды электролизом в центробежном поле, содержащая электролизер, включающий корпус, внутренняя поверхность которого снабжена, по меньшей мере, одной направляющей канавкой, выполненный из токопроводящего материала, снабженный нижней и верхней крышками и установленный на соединенном с приводом вращения вертикальном валу с каналами подвода раствора электролита и отвода продуктов электролиза, размещенном в верхнем и нижнем подшипниковых узлах, электроды, один из которых расположен на валу, а другой образован внутренней поверхностью корпуса, и внешний контур циркуляции раствора электролита, содержащий кольцевую камеру раствора электролита с внутренней поверхностью в форме улитки, установленную на верхнем подшипниковом узле неподвижно, датчик наличия раствора электролита, соединенный с устройством регулирования расхода воды и приводом вращения вала, теплообменник и смеситель раствора электролита, соединенный с линиями подачи электролита и воды и каналом подвода раствора электролита, канал отвода раствора электролита, выполненный в верхней крышке корпуса и снабженный регулятором интенсивности циркуляции расхода электролита, сообщающимся с кольцевой камерой раствора электролита (RU №2224051, С25В 1/04, 9/12, опубл. 20.04.2004).A known installation for the decomposition of water by electrolysis in a centrifugal field, containing an electrolyzer, comprising a housing, the inner surface of which is provided with at least one guide groove made of conductive material, provided with lower and upper covers and mounted on a vertical shaft with channels connected to the rotation drive supply of an electrolyte solution and removal of electrolysis products located in the upper and lower bearing units, electrodes, one of which is located on the shaft, and the other image van the inner surface of the housing, and the outer circuit of the circulation of the electrolyte solution, containing an annular chamber of the electrolyte solution with an inner surface in the form of a cochlea, mounted on the upper bearing assembly motionless, an electrolyte solution presence sensor connected to a water flow control device and a shaft rotation drive, a heat exchanger and a mixer an electrolyte solution, connected to the supply lines of the electrolyte and water and the channel for supplying the electrolyte solution, the channel for removing the electrolyte solution, made in the upper housing lid and equipped with a regulator for the intensity of circulation of the electrolyte flow rate, communicating with the annular chamber of the electrolyte solution (RU No. 2224051, С25В 1/04, 9/12, publ. 04/20/2004).
Недостатками известной установки являются высокие энергетические затраты, поскольку для начала разложения воды на водород и кислород должны обеспечиваться скорости вращения электролизера до 10000 об/мин, и сложность аппаратурного исполнения.The disadvantages of the known installation are the high energy costs, since to start the decomposition of water into hydrogen and oxygen, the electrolyzer rotation speed up to 10,000 rpm and the complexity of the hardware design must be provided.
Известна установка для электролиза воды в центробежном поле, содержащая электролизер, состоящий из токопроводящего корпуса, верхней и нижней крышек из электроизолирующего материала и электродов, которые могут быть снабжены пористым покрытием, устройство преобразования и распределения электроэнергии с внешней электрической цепью, электрически соединенное с приводом вращения вала, и контур циркуляции раствора электролита, электролизер установлен на соединенном с приводом вращения вертикальном валу, в котором выполнены канаты подвода раствора электролита в корпус электролизера и отвода продуктов электролиза, в верхней крышке электролизера выполнен канал отвода раствора циркулирующего электролита, один из электродов электролизера установлен на валу, а другой образован внутренней поверхностью корпуса электролизера, при этом электролизер снабжен устройством для распределения потока раствора циркулирующего электролита, выполненным из электроизоляционного материала и расположенным над электродом, установленным на валу, тоководом, электрически соединенным с корпусом электролизера и изолированным от вала, и двумя неподвижными скользящими контактами, соединенными с устройством преобразования и распределения электроэнергии, при этом скользящие контакты электрически соединены один - с тоководом, а другой - с валом (RU №2253700, С25В 1/04, 9/12, опубл. 10.06.2005).A known installation for the electrolysis of water in a centrifugal field, containing an electrolyzer consisting of a conductive housing, upper and lower covers of electrically insulating material and electrodes that can be provided with a porous coating, a device for converting and distributing electricity with an external electrical circuit, electrically connected to a shaft rotation drive , and the circulation circuit of the electrolyte solution, the electrolyzer is mounted on a vertical shaft connected to the rotation drive, in which the supply ropes are made the electrolyte solution into the electrolyzer body and the removal of electrolysis products, a channel for circulating electrolyte solution is made in the upper cover of the electrolyzer, one of the electrodes of the electrolyzer is mounted on the shaft, and the other is formed by the inner surface of the electrolyzer body, while the electrolyzer is equipped with a device for distributing the flow of circulating electrolyte solution from an insulating material and located above the electrode mounted on the shaft, a current lead electrically connected to the building som of the electrolyzer and isolated from the shaft, and two fixed sliding contacts connected to the device for converting and distributing electricity, while the sliding contacts are electrically connected one to the current lead, and the other to the shaft (RU No. 2253700, C25V 1/04, 9/12 publ. 06/10/2005).
Недостатками известной установки являются сложность аппаратурного исполнения, а также невысокая производительность из-за протекания тока через корпус электролизера, что приводит к утечкам тока в его рабочем объеме. Кроме того, в данной установке и соответственно в способе используются дорогостоящие материалы и компоненты и агрессивные электролиты.The disadvantages of the known installation are the complexity of the hardware design, as well as low productivity due to the flow of current through the body of the cell, which leads to leakage of current in its working volume. In addition, in this installation and, accordingly, in the method, expensive materials and components and aggressive electrolytes are used.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание установки для получения водородного топлива с одновременной получением мелкодисперсных продуктов окисления алюминия ALOOH; AL(ОН)3.The problem to which the claimed invention is directed, is the creation of a plant for producing hydrogen fuel with the simultaneous production of fine aluminum oxidation products ALOOH; AL (OH) 3 .
Технический результат, полученный от использования предложенного изобретения, заключается в повышении эффективности электролиза при одновременном сокращении энергетических затрат, упрощении конструкции установки и использовании дешевых компонентов для электрохимической реакции.The technical result obtained from the use of the proposed invention is to increase the efficiency of electrolysis while reducing energy costs, simplifying the design of the installation and using cheap components for an electrochemical reaction.
Указанный технический результат для способа достигается тем, что в способе получения водорода и продуктов окисления алюминия путем электролиза в центробежном поле, заключающемся в том, что осуществляют подачу электролита в корпус, в котором электролиту придается вращение, и пропускают электролит через разнополярные электроды, к которым подведено напряжение, для проведения электрохимической реакции разложения электролита и выделения водорода и отделения продуктов реакции, в качестве электролита используют воду, а при подаче электролита одновременно с ним в корпус подают алюминиевый порошок, осуществляют перемешивание смеси воды с алюминиевым порошком, обрабатывают ультразвуком и пропускают указанную смесь через последовательно расположенные в вертикальном направлении конические тарелки, через один соединенные между собой с образованием группы электродов анода и группы электродов катода, а управление проведением электрохимической реакции разложения электролита и выделения водорода осуществляют изменением числа оборотов вращающихся электродов плотностью тока и изменением частоты ультразвука и его мощности для обеспечения реакции сгорания алюминиевого порошка.The specified technical result for the method is achieved by the fact that in the method for producing hydrogen and aluminum oxidation products by electrolysis in a centrifugal field, which consists in supplying the electrolyte to the housing in which the electrolyte is rotated, and passing the electrolyte through bipolar electrodes to which voltage, for carrying out the electrochemical reaction of the decomposition of the electrolyte and the evolution of hydrogen and separation of the reaction products, water is used as the electrolyte, and when applying the electrolyte at the same time, aluminum powder is fed into the casing, the mixture of water and aluminum powder are mixed, sonicated, and the mixture is passed through conical plates successively arranged in the vertical direction, through one connected together to form the group of anode electrodes and the group of cathode electrodes, and control the electrochemical reaction of the decomposition of the electrolyte and hydrogen evolution is carried out by changing the number of revolutions of the rotating electrodes with a current density and a change in the frequency of ultrasound and its power to ensure the combustion reaction of aluminum powder.
Указанный технический результат для устройства достигается тем, что в установке для получения водорода и продуктов окисления алюминия путем электролиза в центробежном поле, содержащей электролизер с полым корпусом и расположенными внутри него электродами, установленными неподвижно на оси с возможностью вращения вместе с осью от привода, систему прокачки электролита через каналы в полом корпусе для подачи электролита, отвода электролита и отвода жидких продуктов электролиза, генератором ультразвука и ультразвуковым излучателем, канал отвода газообразных продуктов электролиза и систему подвода электрического напряжения к электродам, в качестве электролита использована вода, электроды выполнены в виде конических тарелок, закрепленных в электрододержателе, зафиксированном на вертикально расположенной оси, и соединены между собой через один с образованием разнополярных групп электродов, одна из которых является катодом, а другая - анодом, при этом электроды охвачены корпусом из сетки, связанными с группой тарелок, являющихся анодом, причем в корпусе выполнен канал загрузки расходного материала в виде алюминиевого материала для подачи его в полость корпуса, в нижней зоне которого между внутренней поверхностью стенки корпуса и корпуса из сетки выполнена камера сбора продуктов окисления алюминия, сообщенная с каналом отвода этих продуктов.The specified technical result for the device is achieved by the fact that in the installation for producing hydrogen and aluminum oxidation products by electrolysis in a centrifugal field containing an electrolyzer with a hollow body and electrodes located inside it, mounted stationary on the axis with the possibility of rotation together with the axis from the drive, a pumping system electrolyte through channels in a hollow housing for supplying electrolyte, removal of electrolyte and removal of liquid electrolysis products, an ultrasound generator and an ultrasonic emitter, Kana l removal of gaseous products of electrolysis and a system for supplying electrical voltage to the electrodes, water was used as the electrolyte, the electrodes are made in the form of conical plates fixed in an electrode holder fixed on a vertically located axis, and interconnected through one with the formation of bipolar groups of electrodes, one of which is the cathode, and the other is the anode, while the electrodes are covered by a mesh body connected to a group of plates that are an anode, and a channel is made in the housing Booting consumable material an aluminum material for feeding it into the cavity of the housing in the lower region of which between the inner wall surface of the housing and the housing is formed from a mesh collection chamber alumina oxidation products communicated with the channel tap of these products.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения указанного технического результата.These features are significant and interconnected with the formation of a stable set of essential features sufficient to obtain the specified technical result.
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения приведенной совокупностью признаков требуемого технического результата.The present invention is illustrated by a specific example, which, however, is not the only possible, but clearly demonstrates the possibility of achieving the above set of features of the required technical result.
На чертеже - схема установки для получения водорода и продуктов окисления алюминия путем электролиза в центробежном поле.In the drawing - a diagram of a plant for producing hydrogen and aluminum oxidation products by electrolysis in a centrifugal field.
Согласно настоящему изобретению рассматривается способ окисления неактивированного алюминия в водной среде в проточном центробежном электролизере с целью получения водорода и мелкодисперсных продуктов окисления алюминия ALOOH, AL(ОН)3,According to the present invention, a method for the oxidation of non-activated aluminum in an aqueous medium in a flowing centrifugal electrolyzer with the aim of producing hydrogen and fine aluminum oxidation products ALOOH, AL (OH) 3 ,
Этот способ получения водорода и продуктов окисления алюминия путем электролиза в центробежном поле заключается в том, что осуществляют подачу электролита в корпус, в котором электролиту придается вращение, и пропускают электролит через разнополярные электроды, к которым подведено напряжение, для проведения электрохимической реакции разложения электролита и выделения водорода и отделения продуктов реакции. При этом в качестве электролита используют воду. При подаче электролита одновременно с ним в корпус подают алюминиевый порошок, смесь которых обрабатывают ультразвуком для диспергирования алюмоводяной смеси и первоначальной деградации оксидной пленки на частичках алюминия. Затем пропускают указанную смесь через последовательно расположенные в вертикальном направлении конические тарелки, через один соединенные между собой с образованием группы электродов анода и группы электродов катода. Проведение электрохимической реакции разложения электролита для выделения водорода осуществляют изменением числа оборотов вращающихся электродов плотностью тока и изменением частоты ультразвука и его мощности, при которых обеспечивается реакции сгорания алюминиевого порошка.This method of producing hydrogen and aluminum oxidation products by electrolysis in a centrifugal field consists in supplying the electrolyte to a housing in which the electrolyte is rotated, and passing the electrolyte through bipolar electrodes to which voltage is applied to conduct the electrochemical decomposition of the electrolyte and the allocation hydrogen and separation of reaction products. In this case, water is used as an electrolyte. When the electrolyte is supplied, aluminum powder is simultaneously fed into the casing, the mixture of which is treated with ultrasound to disperse the aluminum-water mixture and the initial degradation of the oxide film on aluminum particles. Then the specified mixture is passed through conical plates successively arranged in a vertical direction, through one connected to each other to form a group of anode electrodes and a group of cathode electrodes. The electrochemical decomposition reaction of the electrolyte for hydrogen evolution is carried out by changing the number of revolutions of the rotating electrodes by current density and changing the frequency of ultrasound and its power, at which the combustion reaction of aluminum powder is ensured.
Данный способ получения водорода и продуктов электролиза основан на электролизе воды в центробежных проточных электролизерах с подбором соответствующего материала инертного катода, обеспечивающего необходимую разность электродных потенциалов с анодом без применения агрессивных электролитов и с активной площадью поверхности катодно-анодной пары. Причем тарелки электролизера замкнуты электрически между собой через одну. Особенностью установки, реализующей способ, является то, что электролизер имеет разнополярные электроды, вертикально расположенные на электрододержателе и соединенные между собой через один, где одни электроды и корпус выполняют функцию анода, а другие - катода, и имеет две или несколько шин для подачи разноименных потенциалов тока на электроды, а часть внутреннего объема между торцевой внутренней поверхностью ротора и проницаемой металлической сеткой, используемой как анод, вставленной в ротор, используется для накопления продуктов реакции с целью последующего отвода из системы. При этом в качестве расходного материала алюминия можно вместо алюминиевого порошка использовать расходуемый алюминиевый анод, что также позволяет в зависимости от подачи электроэнергии регулировать процесс выделения водорода.This method of producing hydrogen and electrolysis products is based on the electrolysis of water in centrifugal flow electrolyzers with the selection of the appropriate inert cathode material, which provides the necessary electrode potential difference with the anode without the use of aggressive electrolytes and with the active surface area of the cathode-anode pair. Moreover, the electrolyzer plates are electrically closed to each other through one. A feature of the installation that implements the method is that the electrolyzer has bipolar electrodes vertically located on the electrode holder and interconnected through one, where some electrodes and the casing act as an anode and others serve as a cathode, and has two or more buses for supplying opposite potentials current to the electrodes, and part of the internal volume between the end inner surface of the rotor and the permeable metal mesh used as an anode inserted into the rotor is used to accumulate p shares for subsequent removal from the system. At the same time, a consumable aluminum anode can be used instead of aluminum powder as an aluminum consumable, which also allows you to adjust the process of hydrogen evolution depending on the power supply.
Высокая энергоемкость алюминия определяет перспективность его использования в энергетических установках на основе центробежных электрохимических генераторов.The high energy intensity of aluminum determines the prospects of its use in power plants based on centrifugal electrochemical generators.
Основную роль при поиске дешевых и восполняемых альтернативных источников энергии играют в настоящее время физико-химические превращения с выделением тепла и производством необходимого продукта (в нашем случае водорода и бемита).The main role in the search for cheap and renewable alternative energy sources is currently played by physico-chemical transformations with the release of heat and the production of the necessary product (in our case, hydrogen and boehmite).
Предлагаемая установка получения водорода методом окисления алюминия в водной среде в поле центробежных сил и при использовании ультразвуковых полей удовлетворяет предъявляемым экологическим требованиям и является промышленно применимой.The proposed installation for the production of hydrogen by the method of aluminum oxidation in an aqueous medium in a centrifugal force field and when using ultrasonic fields meets the environmental requirements and is industrially applicable.
Выбор алюминия диктуется значительным содержанием его в земной коре (первое место среди металлов), налаженным производством, экологическими эффектами. Выбор водорода как источника потенциальной энергии не требует обоснования. Процесс окисления неактивированного порошка или гранул алюминия в центробежном ультразвуковом поле внутри реактора позволяет существенно увеличить скорость реакции, решить проблемы адгезии, в том числе при интенсифицикации процесса перемешивания. Вследствие эффекта кавитации, возникающего при наложении этих полей, решается проблема срыва оксидной пленки алюминия и доведения реакции горения алюминия в водной среде до его исчерпывания, что обычно невозможно из-за образования окисной пленки.The choice of aluminum is dictated by its significant content in the earth's crust (first place among metals), established production, and environmental effects. The choice of hydrogen as a source of potential energy does not require substantiation. The process of oxidation of non-activated aluminum powder or granules in a centrifugal ultrasonic field inside the reactor can significantly increase the reaction rate and solve the problems of adhesion, including during intensification of the mixing process. Due to the cavitation effect that arises when these fields are applied, the problem of disruption of the aluminum oxide film and reduction of the aluminum combustion reaction in the aqueous medium to its exhaustion is solved, which is usually impossible due to the formation of the oxide film.
В настоящий момент на опытной установке в рабочем режиме (для получения 1 куб.м в час водорода в роторе объемом 1,8 л необходимый расход алюминия для окисления составляет не более 18 г/мин) температура в электролизере может достичь 80°С при давлении на стенки ротора порядка 70-75 атм. Способ позволяет получить водородную смесь состава 96 об.% водорода. Отходы содержат гидроксиды алюминия, которые могут использоваться в качестве адсорбентов, катализаторов, из-за высокой их чистоты могут использоваться в электронной и оптической промышленности а также в качестве абразивных порошков.At the moment, in a pilot plant in operating mode (to obtain 1 cubic meter per hour of hydrogen in a 1.8-liter rotor, the required aluminum consumption for oxidation is not more than 18 g / min), the temperature in the electrolyzer can reach 80 ° С at a pressure of rotor walls of the order of 70-75 atm. The method allows to obtain a hydrogen mixture of 96 vol.% Hydrogen. The waste contains aluminum hydroxides, which can be used as adsorbents, catalysts, because of their high purity, can be used in the electronic and optical industries and also as abrasive powders.
Установка включает смеситель с источником ультразвука для активации реакции окисления алюминия, ротор высокого давления, камера которого приводится во вращение со скоростью около 7000 об/мин.The installation includes a mixer with an ultrasound source to activate the aluminum oxidation reaction, a high-pressure rotor, the chamber of which is rotated at a speed of about 7000 rpm.
Центробежное поле создает:A centrifugal field creates:
- Высокий градиент давления по радиусу тарелок, что способствует концентрации Н2 у оси вращения с дальнейшим его отводом.- High pressure gradient along the radius of the plates, which contributes to the concentration of H 2 at the axis of rotation with its further withdrawal.
- Высокое давление, температуру у стенок вращающихся тарелок, что значительно интенсифицирует процесс реакции: 2Al+4Н2О·2AlООН+3(Н2) газ + Q (кал) и электролиза.- High pressure, temperature at the walls of the rotating plates, which significantly intensifies the reaction process: 2Al + 4H 2 O · 2AlOOH + 3 (H 2 ) gas + Q (cal) and electrolysis.
- Высокая скорость электролита у стенок способствует отрыву электронов, а кавитация, способствует интенсификации химических реакций во всем объеме тарелок и отрыву пузырьков водорода.- The high speed of the electrolyte at the walls contributes to the separation of electrons, and cavitation, helps to intensify chemical reactions in the entire volume of the plates and the separation of hydrogen bubbles.
Основные элементы установки: ротор, электродвигатель, смеситель, канал для отвода водорода и вывода продуктов электролиза. Управление процессом осуществляется изменением плотности тока числом оборотов электродвигателя и изменения частоты ультразвука и его мощности. Последовательное замыкание тарелок через одну позволяет из многих тарелок создать два единых электрода: анод и катод, что также интенсифицирует электрохимические процессы.The main elements of the installation: rotor, electric motor, mixer, channel for hydrogen removal and output of electrolysis products. The process is controlled by changing the current density by the number of revolutions of the electric motor and changing the frequency of ultrasound and its power. Serial closure of the plates through one allows you to create two single electrodes from many plates: the anode and cathode, which also intensifies electrochemical processes.
Установка для получения водорода и продуктов окисления алюминия путем электролиза в центробежном поле содержит электролизер 1 с полым корпусом и расположенными внутри него электродами, установленными неподвижно на оси 2 с возможностью вращения вместе с осью 2 от привода 3, систему прокачки электролита через каналы в полом корпусе для подачи электролита (канал обозначен поз.4), отвода электролита (канал обозначен поз.5) и отвода жидких продуктов электролиза (канал обозначен поз.6 - сбор бемита), генератор ультразвука с ультразвуковым излучателем 7, канал отвода газообразных продуктов электролиза (канал для выхода водорода, обозначен поз.8) и систему 9 подвода электрического напряжения к электродам и генератору ультразвука. Электроды выполнены в виде конических тарелок, закрепленных в электрододержателе, зафиксированном на вертикально расположенной оси, и соединены между собой через один с образованием разнополярных групп электродов, одна из которых является катодом 10, а другая - анодом 11. Электроды охвачены корпусом из сетки 12, связанным с группой тарелок, являющихся анодом. В корпусе выполнен канал 13 загрузки расходного материала в виде алюминиевого материала для подачи его в полость корпуса, в нижней зоне которого между внутренней поверхностью стенки корпуса и корпуса из сетки выполнена камера 14 сбора продуктов окисления алюминия, сообщенная с каналом 15 отвода этих продуктов.An apparatus for producing hydrogen and aluminum oxidation products by electrolysis in a centrifugal field contains an electrolyzer 1 with a hollow body and electrodes located inside it, mounted motionlessly on axis 2 with the possibility of rotation together with axis 2 from drive 3, an electrolyte pumping system through channels in a hollow body for electrolyte supply (channel marked pos. 4), electrolyte drain (channel marked pos. 5) and liquid electrolysis products (channel marked pos. 6 - boehmite collection), an ultrasound generator with ultrasonic emitter Lemma 7, a channel for the removal of gaseous products of electrolysis (a channel for the release of hydrogen, indicated by pos. 8) and a system 9 for supplying electric voltage to the electrodes and the ultrasound generator. The electrodes are made in the form of conical plates fixed in an electrode holder fixed on a vertically located axis and interconnected through one with the formation of bipolar groups of electrodes, one of which is the cathode 10 and the other anode 11. The electrodes are enclosed by a housing of mesh 12 connected with a group of plates that are the anode. In the housing, a channel 13 for loading consumables is made in the form of aluminum material for feeding it into the cavity of the housing, in the lower zone of which between the inner surface of the wall of the housing and the housing there is a mesh made of aluminum oxidation products collection chamber 14 in communication with channel 15 for discharging these products.
Так как установка проточная, то система прокачки электролита, например, может быть выполнена из узла подготовки электролита, насоса, теплообменника, камеры подачи электролита с патрубком приемки электролита (не показаны).Since the installation is flow-through, the electrolyte pumping system, for example, can be made from an electrolyte preparation unit, a pump, a heat exchanger, an electrolyte supply chamber with an electrolyte intake pipe (not shown).
Привод 3 вращения оси и, соответственно, электродов включает в себя электродвигатель 16, имеющий тормоз 17 и датчик оборотов 18 для регулирования частоты вращения.The drive 3 of the rotation of the axis and, accordingly, of the electrodes includes an electric motor 16 having a brake 17 and a speed sensor 18 for controlling the speed.
Функционирование электролизера осуществляется следующим образом.The functioning of the cell is as follows.
В смеситель подается смесь неактивированного порошка алюминия с водным раствором при температуре около 51°С, облучается ультразвуком и подается во вращающейся ротор, в котором, протекая через тарелки, выполняющие функции анода и катода, проходит процесс электролиза смеси.A mixture of unactivated aluminum powder with an aqueous solution at a temperature of about 51 ° C is fed into the mixer, it is irradiated with ultrasound and fed into a rotating rotor, in which, flowing through plates serving as an anode and cathode, the mixture undergoes electrolysis.
В результате водород получается как за счет процесса электролиза, так и за счет сжигания алюминия, т.е. является комбинированным.As a result, hydrogen is obtained both due to the electrolysis process, and due to the burning of aluminum, i.e. is combined.
Реактор имеет небольшие размеры, поэтому при отключении подачи тока на ячейки и электродвигателя реакция быстро останавливается. Установка включает в себя контрольно-измерительную аппаратуру для измерения давления и температуры в электролизере, а также расхода водорода и его концентрации.The reactor is small in size, therefore, when the current supply to the cells and the electric motor is turned off, the reaction quickly stops. The installation includes instrumentation for measuring pressure and temperature in the electrolyzer, as well as the flow of hydrogen and its concentration.
Центробежная сила обеспечивает циркуляцию раствора электролита, достигая в зависимости от числа оборотов ротора необходимое число Рейнольдса, т.е. той скорости потока, при которой достигается максимальное окисление алюминия - выделение водорода, теплоты реакции горения алюминия и количества образующегося бемита (ALOOH).The centrifugal force provides the circulation of the electrolyte solution, reaching the required Reynolds number, i.e. the flow rate at which the maximum oxidation of aluminum is achieved — hydrogen evolution, the heat of combustion of aluminum, and the amount of boehmite formed (ALOOH).
Чем выше плотность тока, тем больше выход полезного продукта (водорода) при электролизе воды. Повышение температуры влечет за собой облегчение обмена энергией между реагирующими частицами.The higher the current density, the greater the yield of a useful product (hydrogen) during electrolysis of water. An increase in temperature entails facilitating the exchange of energy between reacting particles.
Процесс понижения катодного перенапряжения для максимального выделения водорода зависит от скорости подачи реагентов к месту элементарного акта реакции. При этом увеличение скорости движения жидкости вблизи электрода, также как и увеличение температуры, приводит к уменьшению перенапряжения, а следовательно, к снижению потребляемой извне энергии на процесс выделения водорода.The process of lowering the cathodic overvoltage for maximum hydrogen evolution depends on the feed rate of the reactants to the site of the elementary reaction event. Moreover, an increase in the fluid velocity near the electrode, as well as an increase in temperature, leads to a decrease in overvoltage and, consequently, to a decrease in the energy consumed from outside for the process of hydrogen evolution.
Величина перенапряжения η связана со скоростью вращения как 
Следовательно, интенсификация процесса перемешивания жидкости вблизи поверхности электрода и увеличение температуры приводят к уменьшению затрат внешней энергии на процесс электролиза, поскольку этот процесс будет происходить при пониженном перенапряжении, задаваемом внешним источником.Therefore, the intensification of the process of mixing the liquid near the surface of the electrode and an increase in temperature lead to a decrease in the cost of external energy for the electrolysis process, since this process will occur at a reduced overvoltage specified by an external source.
Таким образом, полная работа выхода уменьшится не только на величину работы сольватации электрона в растворе, но и на образование двойного слоя. В зависимости от природы металла этот скачок разный.Thus, the total work function will decrease not only by the magnitude of the electron solvation work in solution, but also by the formation of a double layer. This jump is different depending on the nature of the metal.
Приведенные выше соображения дают возможность констатировать, что электролиз воды в центробежном проточном электролизере с электродами из металла с пониженной работой выхода, развитой поверхностью электродов и постоянным обновлением межэлектродного раствора позволяет провести процесс разложения воды при обычных температурах значительно эффективнее и с затратами энергии меньшими, чем при обычном промышленном электролизе, а добавление алюминия (протекание реакции окисления алюминия) позволяет значительно увеличить при этом выход по водороду.The above considerations make it possible to state that the electrolysis of water in a centrifugal flow-through electrolyzer with metal electrodes with a reduced work function, a developed electrode surface and constant updating of the interelectrode solution allows the process of water decomposition at ordinary temperatures to be much more efficient and with lower energy costs than usual industrial electrolysis, and the addition of aluminum (the reaction of aluminum oxidation) can significantly increase the yield of about hydrogen.
Для быстрой дегазации с поверхности электрода образующихся пузырьков водорода в устройстве посредством ультразвукового излучателя создавались высокочастотные ультразвуковые колебания, что позволило непрерывно обновлять их поверхность для непрерывного протекания электрохимической реакции получения водорода с одновременным увеличением скорости горения неактивированного алюминия.For fast degassing of the generated hydrogen bubbles from the electrode surface, high-frequency ultrasonic vibrations were created in the device by means of an ultrasonic emitter, which made it possible to continuously update their surface for the continuous electrochemical reaction of hydrogen production with a simultaneous increase in the burning rate of non-activated aluminum.
Эффект увеличения производства водорода достигался также соответствующим выбором материала самого электрода, катода что позволяет снизить перенапряжение водорода и тем самым также увеличить выход по водороду.The effect of increasing hydrogen production was also achieved by the appropriate choice of the material of the electrode itself, the cathode, which makes it possible to reduce the overvoltage of hydrogen and thereby also increase the yield of hydrogen.
Механизм ультразвукового воздействия в процессе электрохимического превращения описывается следующим образом:The mechanism of ultrasonic action in the process of electrochemical transformation is described as follows:
- уменьшение градиента концентрации молекул и ионов водорода у поверхности катода за счет микроперемешивания и увеличения числа активных центров на поверхности электрода;- a decrease in the concentration gradient of molecules and hydrogen ions at the cathode surface due to micromixing and an increase in the number of active centers on the electrode surface;
- снятие градиента концентрации в результате ультразвуковой кавитации совместно с перемешивающим действием пузырьков и акустических объемных течений;- removal of the concentration gradient as a result of ultrasonic cavitation together with the mixing action of bubbles and acoustic volume flows;
- десорбция газа в кавитационные пузырьки;- gas desorption into cavitation bubbles;
- ультразвуковые микропотоки в порах катода;- ultrasonic microflows in the cathode pores;
- облегчение разряда ионов ОН-, реагирующих ионов;- facilitating the discharge of OH - ions, reacting ions;
- десорбция газа с поверхности электродов;- desorption of gas from the surface of the electrodes;
- изменение химической поляризации и др.- change in chemical polarization, etc.
В результате действия ультразвука на электрохимические системы имеет место понижение потенциала, необходимого для выделения водорода, а сильное перемешивание раствора значительно увеличивает плотность тока при протекании электролиза.As a result of the action of ultrasound on electrochemical systems, there is a decrease in the potential necessary for hydrogen evolution, and strong mixing of the solution significantly increases the current density during electrolysis.
Таким образом, пять управляемых извне параметра: плотность тока, добавление алюминия, температура, перенапряжение водорода и циркуляция раствора в электролизере - позволяют провести высокоэффективный процесс электролиза водного раствора.Thus, five externally controlled parameters: current density, addition of aluminum, temperature, overstrain of hydrogen and circulation of the solution in the electrolyzer - allow for a highly efficient process of electrolysis of an aqueous solution.
Установка (см. чертеж) состоит из электролизера, представляющего собой цилиндрическую емкость с вращающимся ротором, состоящим из замкнутых через одну конических пластин, на которые подается напряжение и в зависимости от знака выполняющих роль анода и катода. Ротор электролизера приводится во вращение от электродвигателя (или, в частности, от карданного вала двигателя внутреннего сгорания). Скорость вращения ротора определяется скоростью вращения вала. На клеммы катода и анода электролизера подается разность потенциалов от сети, или аккумулятора, или генератора автомобиля напряжением 2-5 В. Раствор электролита для получения водорода под действием центробежной силы движется, перетекая с тарелки на тарелку в замкнутом контуре, а получающиеся в результате электролиза и горения неактивированного алюминия пузыри водорода отводятся через полый вал ротора в выводное отверстие электролизера, а далее инжектируется в топливную систему двигателя.The installation (see drawing) consists of an electrolyzer, which is a cylindrical container with a rotating rotor, consisting of conical plates closed through one, to which voltage is applied and, depending on the sign, playing the role of the anode and cathode. The rotor of the electrolyzer is driven by an electric motor (or, in particular, from a driveshaft of an internal combustion engine). The rotor speed is determined by the shaft rotation speed. A potential difference of 2-5 V is supplied to the terminals of the cathode and anode of the electrolyzer. The electrolyte solution for hydrogen production under the action of centrifugal force moves, flowing from the plate to the plate in a closed circuit, and the resulting electrolysis and the combustion of non-activated aluminum, hydrogen bubbles are discharged through the hollow shaft of the rotor into the outlet of the electrolyzer, and then injected into the fuel system of the engine.
Образующийся на аноде кислород проходит ряд окислительных реакций с алюминием, а продукты реакций собираются в нижней части корпуса и через специальное выводное отверстие выводятся наружу.The oxygen formed at the anode undergoes a series of oxidative reactions with aluminum, and the reaction products are collected in the lower part of the casing and out through a special outlet.
В качестве материалов катода предлагается использовать сплавы с низкой работой выхода типа W-Ca-La с работой выхода W=2,01 эВ, или бориды типа CrB2W=3,18 эВ, ТаВ2W=2,8-2,9 эВ, сложные покрытия 3ВаО·0,5СаО·Al2O3 W=1,3-1,6 эВ.It is proposed to use alloys with a low work function of the W-Ca-La type with a work function of W = 2.01 eV, or borides of the CrB 2 W = 3.18 eV, TaB 2 W = 2.8-2.9 type as cathode materials eV, complex coatings 3BaO · 0.5SaO · Al 2 O 3 W = 1.3-1.6 eV.
Без учета различных теоретически не учитываемых потерь расход энергии от внешнего источника на получение кислородно-водородной смеси Н2 и O2 1 м3 водорода при площади пластин электролизера 1 м2 составляет ~2 кВт/ч, включая затраты на работу электродвигателя.Without taking into account various theoretically unaccounted for losses, the energy consumption from an external source for producing an oxygen-hydrogen mixture of H 2 and O 2 1 m 3 hydrogen with a plate area of 1 m 2 is ~ 2 kW / h, including the cost of operating the electric motor.
Выбор алюминия диктуется значительным содержанием его в земной коре (первое место среди металлов), налаженным производством, экологическими эффектами. Выбор водорода как источника потенциальной химической энергии не требует обоснования. Процесс окисления неактивированного порошка алюминия в центробежном ультразвуковом поле внутри реактора позволяет существенно увеличить скорость реакции, решить проблемы адгезии, интенсифицировать процесс перемешивания. Вследствие эффекта кавитации, возникающего при наложении этих полей, решается проблема активации алюминия и доведения реакции окисления алюминия в водной среде до его исчерпывания, что обычно невозможно из-за образования окисной пленки. Способ позволяет получить водородную смесь состава 96 об.% водорода и гидроксиды алюминия, которые могут использоваться в качестве адсорбентов, катализаторов, использующиеся из-за высокой их чистоты в электронной и оптической промышленности, а также в качестве абразивных порошков (Al2O3).The choice of aluminum is dictated by its significant content in the earth's crust (first place among metals), established production, and environmental effects. The choice of hydrogen as a source of potential chemical energy does not require substantiation. The oxidation of non-activated aluminum powder in a centrifugal ultrasonic field inside the reactor can significantly increase the reaction rate, solve adhesion problems, and intensify the mixing process. Due to the cavitation effect that arises when these fields are applied, the problem of activating aluminum and reducing the oxidation of aluminum in the aqueous medium to its exhaustion is solved, which is usually impossible due to the formation of an oxide film. The method allows to obtain a hydrogen mixture of 96 vol.% Hydrogen and aluminum hydroxides, which can be used as adsorbents, catalysts used because of their high purity in the electronic and optical industries, as well as abrasive powders (Al 2 O 3 ).
Центробежный проточный электролизер целесообразно использовать в разных электрохимических направлениях в целях ускорения электродных реакций с существенной экономией энергозатрат и времени.It is advisable to use a centrifugal flowing electrolyzer in different electrochemical directions in order to accelerate electrode reactions with a significant saving of energy and time.
В связи с тем, что в реакции центробежного проточного электролизера в качестве окислителя используется неактивированный алюминий, данный процесс может быть весьма привлекательным при переработке пищевого вторичного алюминия: алюминиевые банки из-под пива, воды и т.д.Due to the fact that in the reaction of a centrifugal flow electrolyzer, non-activated aluminum is used as an oxidizing agent, this process can be very attractive when processing food grade aluminum: aluminum cans from beer, water, etc.
Так, например, за час на существующей лабораторной установке при сжигании 50 дробленных алюминиевых банок, каждая из которых весит около 20 г, можно получить 1,3 м3 водорода и 2 кг ALOOH при суммарных энергозатратах не более 2,2 кВт.So, for example, in an hour at an existing laboratory installation, when burning 50 crushed aluminum cans, each of which weighs about 20 g, 1.3 m 3 of hydrogen and 2 kg of ALOOH can be obtained with a total energy consumption of not more than 2.2 kW.
Настоящее изобретение промышленно применимо и опробовано на реально действующей установке.The present invention is industrially applicable and tested on a real installation.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007103411/15A RU2342470C2 (en) | 2007-01-30 | 2007-01-30 | Method of obtaining hydrogen and products of oxidation of aluminium and device to this end |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007103411/15A RU2342470C2 (en) | 2007-01-30 | 2007-01-30 | Method of obtaining hydrogen and products of oxidation of aluminium and device to this end |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2007103411A RU2007103411A (en) | 2008-08-10 |
| RU2342470C2 true RU2342470C2 (en) | 2008-12-27 |
Family
ID=39745813
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007103411/15A RU2342470C2 (en) | 2007-01-30 | 2007-01-30 | Method of obtaining hydrogen and products of oxidation of aluminium and device to this end |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2342470C2 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110240459A1 (en) * | 2008-08-09 | 2011-10-06 | Francisco Rivera Ferrer | Jacketed ultrasound system |
| RU2487965C2 (en) * | 2011-10-25 | 2013-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева" | Method of producing molecular hydrogen |
| RU2533114C2 (en) * | 2009-01-20 | 2014-11-20 | Палмир | Method of electrolysis, device and system |
-
2007
- 2007-01-30 RU RU2007103411/15A patent/RU2342470C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110240459A1 (en) * | 2008-08-09 | 2011-10-06 | Francisco Rivera Ferrer | Jacketed ultrasound system |
| RU2533114C2 (en) * | 2009-01-20 | 2014-11-20 | Палмир | Method of electrolysis, device and system |
| RU2487965C2 (en) * | 2011-10-25 | 2013-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева" | Method of producing molecular hydrogen |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2007103411A (en) | 2008-08-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Scott | Process intensification: An electrochemical perspective | |
| CN102597327B (en) | The generating mixed gas of hydrogen and oxygen and the internal combustion engine of this device of use | |
| CA2526333C (en) | Method and apparatus for conducting a chemical reaction in the presence of cavitation and an electrical current | |
| GB2409865A (en) | Production of hydrogen from water | |
| Paul et al. | Decoupled electrolysis for water splitting | |
| CN100588744C (en) | Device for water decomposition by electrolysis | |
| RU2342470C2 (en) | Method of obtaining hydrogen and products of oxidation of aluminium and device to this end | |
| JP2015091572A (en) | Biogas producing system and method of producing biogas and carbon dioxide reduced product using biogas producing system | |
| JP7169674B2 (en) | hydrogen generator | |
| JPH11229167A (en) | Electrolytic hydrogen generating device | |
| AU615722B2 (en) | Electrode assembly for electrochemical reactions | |
| JP2007512435A (en) | Method and apparatus for generating one or more gases | |
| JPH07109593A (en) | Electrolytic ozonizer | |
| WO2006004457A1 (en) | Device for water electrolysis in a centrifugal force field | |
| CN112281184B (en) | Device and method for electrochemically generating hydrogen peroxide | |
| US10676830B2 (en) | Combustible fuel and apparatus and process for creating the same | |
| WO2012137344A1 (en) | Device for generating mixed gas | |
| KR102063975B1 (en) | Electrode mixture microbial electrolysis apparatus combined solar cell | |
| RU2299930C1 (en) | Plant for performing electrolysis process in centrifugal field | |
| CN106145282A (en) | A kind of pretreatment unit of high-concentration waste water | |
| CN212451662U (en) | Continuous flow gallery type H2O2 synthesis reactor based on plug-in capsule cathode | |
| WO1997044506A1 (en) | Hydrogen gas generators | |
| CN108923048A (en) | A kind of lithium ion battery negative material, preparation facilities and method | |
| CN213680932U (en) | Electrolytic cell unit and pulp electrolytic cell | |
| CN219709127U (en) | Device for preparing reduced graphene by continuously electrochemically reducing graphene oxide through liquid flow |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100131 |