RU2356830C2

RU2356830C2 - Method of obtaining hydrogen

Info

Publication number: RU2356830C2
Application number: RU2007123715/15A
Authority: RU
Inventors: Константин Николаевич Кошкин (RU); Константин Николаевич Кошкин; Валерий Васильевич Семенов (RU); Валерий Васильевич Семенов; Георгий Ваграмович Серопян (RU); Георгий Ваграмович Серопян; Казим Харшимович Урусов (RU); Казим Харшимович Урусов
Original assignee: ОАО Научно-производственное предприятие "Квант"
Priority date: 2007-06-26
Filing date: 2007-06-26
Publication date: 2009-05-27
Also published as: RU2007123715A

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: present invention relates to production of hydrogen, aluminium hydroxide and aluminium oxide from aluminium metal. Hydrogen is obtained from reacting aluminium with water. The aluminium is doped in molten state with bismuth or lead, taken in quantities of 0.1-3 wt %, and then dispersed.

EFFECT: more efficient reaction without extra external effect.

1 ex

Description

Изобретение относится к производству водорода, гидроокиси и окиси алюминия из металлического алюминия. Изобретение может быть использовано при изготовлении составов для электрогенераторов (электрохимических генераторов) и термогенераторов (газовых горелок, устройств газосварки), в качестве горючего вещества использующих водород.The invention relates to the production of hydrogen, hydroxide and aluminum oxide from aluminum metal. The invention can be used in the manufacture of compositions for electric generators (electrochemical generators) and thermogenerators (gas burners, gas welding devices), as a combustible substance using hydrogen.

Известен способ получения водорода путем взаимодействия дисперсного алюминия с водой (Пат. RU 2278077 С1 от 20.06.06), при нагреве зоны взаимодействия в диапазоне температур 360÷1050°С и давлении 14÷25 атм. Известный способ имеет ряд существенных недостатков, а именно:A known method of producing hydrogen by the interaction of dispersed aluminum with water (US Pat. RU 2278077 C1 from 06/20/06), by heating the interaction zone in the temperature range 360 ÷ 1050 ° C and a pressure of 14 ÷ 25 atm. The known method has a number of significant disadvantages, namely:

- продукты реакции на выходе из реактора взаимодействия алюминия с водой образуют смесь водяного пара и водорода, что требует дополнительных мероприятий для отделения последнего от паров воды;- reaction products at the outlet of the aluminum-water interaction reactor form a mixture of water vapor and hydrogen, which requires additional measures to separate the latter from water vapor;

- организация в зоне реакции высоких температур и давления требует дополнительных энергетических затрат на нагрев реактора и повышение давления;- the organization in the reaction zone of high temperatures and pressures requires additional energy costs for heating the reactor and increasing the pressure;

- сочетание в реакторе перегретого до высоких температур пара и водорода при значительном давлении требует сложного и ответственного технологического оформления.- the combination in the reactor of superheated to high temperatures steam and hydrogen at significant pressure requires a complex and responsible technological design.

Известен также способ получения водорода (Пат. RU 2241721 С1 от 10.12.04) путем взаимодействия дисперсного алюминия с водой при нормальном давлении и комнатной температуре. Применяемые для этих целей частицы алюминия подвергаются предварительному плакированию водорастворимыми полимерами (например, полиэтиленоксидом) для предотвращения взаимодействия металла с кислородом воздуха. При взаимодействии с водой частицы алюминия подвергаются дополнительному измельчению для разрушения оксидной пленки и доступа воды (окислителя) к активному (не защищенному оксидной пленкой) металлу. Указанный способ является наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому техническому решению и принят за прототип.There is also a method of producing hydrogen (Pat. RU 2241721 C1 from 12/10/04) by reacting dispersed aluminum with water at normal pressure and room temperature. The aluminum particles used for these purposes are subjected to preliminary cladding with water-soluble polymers (for example, polyethylene oxide) to prevent the interaction of the metal with oxygen. When interacting with water, aluminum particles are subjected to additional grinding to destroy the oxide film and the access of water (oxidizing agent) to the active (not protected by an oxide film) metal. The specified method is the closest in technical essence and the achieved effect to the claimed technical solution and adopted as a prototype.

Основным недостатком, выявленным в способе-прототипе, является то, что механически измельчаемые (например, посредством размольных тел) частицы имеют минимальный критический размер, меньше которого размол частиц невозможен. Эти частицы из-за геометрических и структурных параметров перестают подвергаться дальнейшему механическому разрушению, и процесс их взаимодействия с водой прекращается. Следовательно, в результате реакции остается некоторое количество непрореагировавшего алюминия, что снижает полноту проведения реакции. К недостаткам прототипа также относятся энергозатраты для реализации внешнего физического воздействия.The main disadvantage identified in the prototype method is that mechanically milled (for example, by grinding bodies) particles have a minimum critical size, less than which grinding of particles is impossible. Due to geometric and structural parameters, these particles cease to undergo further mechanical destruction, and the process of their interaction with water ceases. Therefore, as a result of the reaction, a certain amount of unreacted aluminum remains, which reduces the completeness of the reaction. The disadvantages of the prototype also include energy consumption for the implementation of external physical effects.

Задачей технического решения является повышение эффективности проведения реакции (полнота проведения процесса) взаимодействия алюминия с водой для получения водорода при нормальных условиях и исключение внешнего дополнительного воздействия.The objective of the technical solution is to increase the efficiency of the reaction (completeness of the process) of the interaction of aluminum with water to produce hydrogen under normal conditions and the exclusion of external additional exposure.

Указанный технический результат достигается тем, что предназначенный для взаимодействия с водой алюминий в жидком состоянии подвергается легированию висмутом или свинцом, взятыми в количестве 0,1-3 вес.%. Легированный алюминий затем диспергируют.The specified technical result is achieved by the fact that aluminum, intended for interaction with water, is subjected to doping with bismuth or lead, taken in an amount of 0.1-3 wt.%. Alloyed aluminum is then dispersed.

Добавки висмута и свинца приводят к искажению структуры алюминия, возникновению в ней напряжений, которые в свою очередь приводят к возникновению микродефектов в сопряженной оксидной пленке. Т.е. напряжения в кристаллической структуре алюминия приводят к появлению в хрупкой оксидной пленке микротрещин, через которые вода поступает к обнаженной поверхности алюминия с образованием водорода и гидроокиси по реакции:Additives of bismuth and lead lead to distortion of the structure of aluminum, the appearance of stresses in it, which in turn lead to the appearance of microdefects in the conjugated oxide film. Those. Stresses in the crystalline structure of aluminum lead to the appearance of microcracks in the brittle oxide film through which water enters the exposed surface of aluminum with the formation of hydrogen and hydroxide by the reaction:

2Al+6Н₂О=2Al(ОН)₃+3Н₂+200 ккал/моль2Al + 6H ₂ O = 2Al (OH) ₃ + 3H ₂ +200 kcal / mol

Выделяемое при этом, в значительном количестве, тепло способствует увеличению скорости реакции гидратации алюминия.The heat released in this case, in a significant amount, increases the rate of aluminum hydration reaction.

Алюминий имеет кубическую объемно-центрированную кристаллическую решетку с межатомным расстоянием 2,9 А. Внедрение в эту структуру легирующих элементов с эффективным атомным диаметром, превышающим это межатомное расстояние в 1,6 раза, приводит к искажению кристаллической структуры и возникновению внутренних напряжений. Легирование алюминия, например, магнием (Mg), имеющим эффективный диаметр атома 4,15 А, что на 40% больше межатомного расстояния в решетке алюминия, не влияет на искажение структуры окисной пленки. То же самое относится к лигатуре из меди, железа и т.д.Aluminum has a cubic body-centered crystal lattice with an interatomic distance of 2.9 A. The incorporation of alloying elements with an effective atomic diameter 1.6 times greater than this interatomic distance into this structure leads to a distortion of the crystal structure and the appearance of internal stresses. Doping of aluminum, for example, with magnesium (Mg), having an effective atomic diameter of 4.15 A, which is 40% more than the interatomic distance in the aluminum lattice, does not affect the distortion of the structure of the oxide film. The same applies to the ligature of copper, iron, etc.

Внедрение в структуру алюминия таких элементов, как висмут (Bi - Д=4,76 А) и свинец (Pd - Д=4,9 А), приводит к эффекту значительного искажения кристаллической структуры алюминия и образованию в структуре сопряженной окисной пленки дефектов, открывающих доступ воды к активному металлу.The incorporation of elements such as bismuth (Bi - D = 4.76 A) and lead (Pd - D = 4.9 A) into the aluminum structure leads to a significant distortion of the crystal structure of aluminum and the formation of defects in the structure of the conjugated oxide film that open up water access to the active metal.

Наиболее эффективное количество легирующих компонентов, активирующих алюминий для взаимодействия с водой, колеблется в пределах 0,1-3 вес.%. При добавках в количестве, меньшем, чем указано в соотношении, легирующие компоненты растворяются не по всему объему, что приводит к медленному взаимодействию алюминия с водой и неполной его гидратации. Добавки, превышающие 3 вес.%, приводят к возникновению сильных искажений структуры окисной пленки, которые позволяют металлу окисляться на воздухе, что снижает сроки хранения до вступления металла в реакцию взаимодействия с водой.The most effective amount of alloying components that activate aluminum to interact with water ranges from 0.1-3 wt.%. With additives in an amount less than indicated in the ratio, the alloying components do not dissolve over the entire volume, which leads to a slow interaction of aluminum with water and its incomplete hydration. Additives in excess of 3 wt.% Lead to severe distortions of the structure of the oxide film, which allow the metal to oxidize in air, which reduces the storage time until the metal enters into the reaction of interaction with water.

Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию «новизна». Для проверки соответствия заявленного изобретения критерию «изобретательский уровень» проведен дополнительный поиск известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного технического решения. Установлено, что заявленное техническое решение не следует явным образом из известного уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень». Сущность изобретения подтверждена примером практической реализации способа.The analysis of the prior art showed that the claimed combination of essential features set forth in the claims is unknown. This allows us to conclude that it meets the criterion of "novelty." To verify the conformity of the claimed invention with the criterion of "inventive step", an additional search was carried out for known technical solutions in order to identify features that match the distinctive features of the claimed technical solution from the prototype. It is established that the claimed technical solution does not follow explicitly from the prior art. Therefore, the claimed invention meets the criterion of "inventive step". The invention is confirmed by an example of a practical implementation of the method.

Пример практической реализацииPractical example

Предлагаемое техническое решение конкретно осуществлялось в процессе генерации водорода для топливного источника электрической энергии на базе водородных элементов с ионообменной мембраной. Для этих целей в специальном реакторе при нормальном давлении и в начальный период при комнатной температуре проводилось взаимодействие частиц алюминия с водопроводной водой. Используемый для этих целей алюминий марки Ал 1 предварительно подвергался легированию в расплавленном состоянии чистым висмутом (Bi), добавляемым в количестве 1 вес.%. После легирования расплавленный алюминий подвергался диспергированию (экстракции частиц из расплава). При взаимодействии подготовленных частиц алюминия с водой, при указанных выше режимах, наблюдалось бурное выделение водорода со скоростью взаимодействия 0,5 кг порошка в час. За час проведения реакции выделилось 50 граммов водорода, что эквивалентно 1кВт·час электроэнергии. При легировании расплава алюминия висмутом в количестве 2 вес.% скорость взаимодействия алюминия с водой составляла величину 1 кг в час. При легировании алюминия 3,5 вес.% висмута наблюдалось окисление металла кислородом воздуха, что проявлялось изменением температуры дисперсных частиц алюминия и их разрушением без внешнего воздействия. Подобные результаты получены при легировании алюминия свинцом.The proposed technical solution was specifically implemented in the process of generating hydrogen for a fuel source of electrical energy based on hydrogen elements with an ion-exchange membrane. For these purposes, in a special reactor at normal pressure and in the initial period at room temperature, the particles of aluminum interacted with tap water. The aluminum of grade Al 1 used for these purposes was previously subjected to alloying in the molten state with pure bismuth (Bi), added in an amount of 1 wt.%. After doping, the molten aluminum was dispersed (particle extraction from the melt). During the interaction of the prepared aluminum particles with water, under the above conditions, a rapid evolution of hydrogen was observed with a reaction rate of 0.5 kg of powder per hour. During the hour of the reaction, 50 grams of hydrogen was released, which is equivalent to 1 kW · hour of electricity. When doping aluminum melt with bismuth in an amount of 2 wt.%, The rate of interaction of aluminum with water was 1 kg per hour. When aluminum was alloyed with 3.5 wt.% Bismuth, the metal was oxidized with atmospheric oxygen, which was manifested by a change in the temperature of dispersed aluminum particles and their destruction without external influence. Similar results were obtained when doping aluminum with lead.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявленный способ получения водорода может быть реализован на практике с достижением заявленного технического результата, т.е. он соответствует критерию «промышленная применимость».Based on the foregoing, we can conclude that the claimed method for producing hydrogen can be implemented in practice with the achievement of the claimed technical result, i.e. It meets the criterion of “industrial applicability”.

Claims

A method of producing hydrogen by reacting aluminum with water at normal pressure, characterized in that they use aluminum alloyed in the molten state with bismuth or lead, taken in an amount of 0.1-3 wt.%, And then dispersed.