RU2397141C2 - Способ получения водорода и химический реактор для его осуществления - Google Patents
Способ получения водорода и химический реактор для его осуществления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2397141C2 RU2397141C2 RU2008139845/15A RU2008139845A RU2397141C2 RU 2397141 C2 RU2397141 C2 RU 2397141C2 RU 2008139845/15 A RU2008139845/15 A RU 2008139845/15A RU 2008139845 A RU2008139845 A RU 2008139845A RU 2397141 C2 RU2397141 C2 RU 2397141C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gallium
- aluminum
- reactor
- solution
- tin
- Prior art date
Links
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title claims abstract description 56
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 56
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 45
- 239000000126 substance Substances 0.000 title claims abstract description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 20
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 88
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 79
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 53
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims abstract description 51
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 51
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 44
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 28
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 26
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 24
- 229910000807 Ga alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 22
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 19
- 229910001128 Sn alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims abstract description 6
- LNTHITQWFMADLM-UHFFFAOYSA-N gallic acid Chemical compound OC(=O)C1=CC(O)=C(O)C(O)=C1 LNTHITQWFMADLM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 31
- 239000003513 alkali Substances 0.000 claims description 29
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 claims description 27
- 239000011734 sodium Substances 0.000 claims description 27
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 claims description 27
- -1 gallate ions Chemical class 0.000 claims description 22
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 20
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 claims description 17
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims description 14
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 claims description 11
- 229910000846 In alloy Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 claims description 6
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 claims description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 abstract description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 abstract description 5
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 abstract description 2
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 abstract 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 17
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 16
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 16
- 235000011121 sodium hydroxide Nutrition 0.000 description 15
- WNROFYMDJYEPJX-UHFFFAOYSA-K aluminium hydroxide Chemical compound [OH-].[OH-].[OH-].[Al+3] WNROFYMDJYEPJX-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 14
- 239000012670 alkaline solution Substances 0.000 description 11
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 8
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 7
- AZDRQVAHHNSJOQ-UHFFFAOYSA-N alumane Chemical class [AlH3] AZDRQVAHHNSJOQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 7
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 4
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 4
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 3
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 3
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 description 3
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 2
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 2
- YZZNJYQZJKSEER-UHFFFAOYSA-N gallium tin Chemical group [Ga].[Sn] YZZNJYQZJKSEER-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 2
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 2
- 238000013022 venting Methods 0.000 description 2
- RRQYJINTUHWNHW-UHFFFAOYSA-N 1-ethoxy-2-(2-ethoxyethoxy)ethane Chemical compound CCOCCOCCOCC RRQYJINTUHWNHW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001203 Alloy 20 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 230000002528 anti-freeze Effects 0.000 description 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 239000012895 dilution Substances 0.000 description 1
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 1
- GYHNNYVSQQEPJS-AHCXROLUSA-N gallium-66 Chemical compound [66Ga] GYHNNYVSQQEPJS-AHCXROLUSA-N 0.000 description 1
- GYHNNYVSQQEPJS-NJFSPNSNSA-N gallium-72 Chemical compound [72Ga] GYHNNYVSQQEPJS-NJFSPNSNSA-N 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 description 1
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M hydroxide Chemical compound [OH-] XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 238000004949 mass spectrometry Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 210000002445 nipple Anatomy 0.000 description 1
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 1
- JTJMJGYZQZDUJJ-UHFFFAOYSA-N phencyclidine Chemical compound C1CCCCN1C1(C=2C=CC=CC=2)CCCCC1 JTJMJGYZQZDUJJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000002760 rocket fuel Substances 0.000 description 1
- 238000007086 side reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 1
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
Landscapes
- Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
Abstract
Изобретения относятся к области химии и используются при получении водорода. Воду разлагают алюминием в щелочно-галлатном растворе, содержащем 5-60 г/дм3 едкого натрия и 1-10 г/дм3 галлия в присутствии жидкого металлического галлия или жидкого сплава галлия и олова и/или индия при его непосредственном контакте с алюминием. Реактор включает корпус 1, разделенный на две емкости 2 и 3. Верхняя емкость 2 имеет отверстие для подачи воды в реактор, а ее дно снабжено коническим тубусом, расположенным внутри второй емкости 3. Реактор также включает устройство для размещения алюминия 19, выполненное в виде бокового кармана и снабженное защитной сеткой 7, на дно которого помещен жидкий галлий или жидкий сплав галлия и олова и/или индия, теплообменник 12, расположенный с внешней стороны реактора, датчик 16 контроля уровня раствора в верхней емкости, гидроциклон для отделения осветленной части раствора от пульпы, накапливающейся в нижней части реактора, и ряд штуцеров 6, направляющих струи осветленного раствора на алюминий. Изобретения позволяют повысить выход водорода. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.
Description
Изобретение относится к физико-химическим технологиям получения водорода, который может быть использован в энергетических установках для получения электроэнергии, в качестве ракетного топлива, в химической промышленности для получения органических соединений и т.д.
Известен способ получения водорода путем разложения воды при ее взаимодействии с алюминием с образованием гидроксида алюминия и значительного количества тепла в среде водного раствора натриевой щелочи, содержащего в качестве добавки галлат-ионы (патент США 4218520, МПК H01M 12/00, 1980 г.). Водород, полученный известным способом, в дальнейшем используется в электрохимической ячейке для получения электроэнергии. Способ позволяет получить около 50 килокалорий электроэнергии и 150 килокалорий тепловой энергии с использованием для их получения 27 г алюминия.
Однако способ обладает рядом недостатков. Недостатками способа являются: использование высококонцентрированного щелочного раствора (от 2 до 10 молей на литр или 80-400 г NaOH/дм3); необходимость для начала проведения реакции нагрева щелочного раствора до температуры не ниже 60°С; использование в качестве нереактивной среды для защиты активированного алюминия от коррозии щелочным раствором или окисления кислородом воздуха диэтилкарбитола; сложность автоматической регулировки выхода водорода потребителю, которая включает необходимость регулирования крупности поступающей стружки алюминия, снижения температуры теплообменника, подачи команды на задвижку при выходе вольтажа ячейки за установленные пределы (1,4±0,3 В).
Известен химический реактор для получения водорода путем разложения воды при ее взаимодействии с алюминием в среде щелочного агента, который включает цилиндрический корпус со средой жидкого реагента, в которой размещен датчик температуры, связанный с блоком управления, а в верхней части корпуса расположен штуцер отвода газообразного продукта реакции, при этом внутри корпуса установлен трубчатый теплообменник (патент РФ 2297386, МПК С01В 3/00, 2007 г.). Трубки теплообменника размещены, по крайней мере, по двум концентрическим окружностям, отстоят одна от другой и сообщаются через коллектор с клапанами подачи теплоносителя, между трубками теплообменника в среде жидкого реагента расположена кольцевая решетка-колосник, на которой размещены гранулы твердого реагента, в реактор введены вертикальные проставки между трубками, расположенными на концентрических окружностях, закрывающие зазор между соседними трубками, кроме того, введены вертикальные вставки между противостоящими трубками соседних концентрических окружностей, закрывающие зазор между этими трубками, причем упомянутые проставки и вставки образуют зоны, свободные от гранул твердого реагента, а клапаны подачи теплоносителя соединены через блок управления с датчиками температуры.
Недостатками известного химического реактора являются, во-первых, сложность его конструкции и, во-вторых, тот факт, что реактор рассчитан на получение водорода высокого давления, что часто не требуется потребителю, но требует специальных условий эксплуатации ввиду значительной утечки водорода и опасности взрыва.
Таким образом, перед авторами стояла задача разработать простой технологически способ получения водорода, обеспечивающий высокий выход целевого продукта.
Поставленная задача решена в способе получения водорода путем разложения воды при ее взаимодействии с алюминием в водном растворе натриевой щелочи, содержащем галлат-ионы, в котором в качестве водного раствора натриевой щелочи, содержащего галлат-ионы, используют щелочно-галлатный раствор, содержащий 5-60 г/дм3 едкого натрия и 1-10 г/дм3 галлия, и процесс осуществляют в присутствии жидкого металлического галлия или жидкого сплава галлия и олова и/или индия при его непосредственном контакте с алюминием.
При этом может быть использован сплав галлия и индия при следующем соотношении компонентов, мас.%: индий 5-30; галлий - остальное.
При этом может быть использован сплав галлия и олова при следующем соотношении компонентов, мас.%: олово 3-12; галлий - остальное.
При этом может быть использован сплав галлия и индия и олова при следующем соотношении компонентов, мас.%: индий 13,5-29,5; олово 7,5-17,5; галлий - остальное.
Поставленная задача также решена в химическом реакторе для получения водорода, включающем цилиндрический корпус, снабженный теплообменником, со средой водного раствора натриевой щелочи, содержащего галлат-ионы, в котором размещен датчик контроля, связанный с блоком управления, в корпусе расположен штуцер отвода газообразного продукта реакции, штуцер подачи раствора натриевой щелочи, приемник загрузки алюминия, внутри корпуса расположено устройство для размещения алюминия, снабженное приспособлением, препятствующим попаданию алюминия в циркулирующий раствор натриевой щелочи, в котором корпус реактора разделен на две емкости, верхняя из которых имеет отверстие для подачи воды в реактор, а ее дно снабжено коническим тубусом, расположенным внутри второй емкости, устройство для размещения алюминия выполнено в виде бокового кармана и снабжено защитной сеткой, на дно бокового кармана помещен жидкий галлий или жидкий сплав галлия и олова и/или индия, теплообменник расположен с внешней стороны реактора, а в качестве датчика контроля использован датчик контроля уровня раствора в верхней емкости, кроме того, реактор дополнительно снабжен гидроциклоном для отделения осветленной части раствора от пульпы, накапливающейся в нижней части реактора, и рядом штуцеров, направляющих струи осветленного раствора на алюминий.
В настоящее время не известен способ получения водорода, а также химический реактор для его осуществления, в котором осуществляют активацию алюминия при его взаимодействии с водой в среде жидкого щелочного агента путем непосредственного контакта алюминия с жидким металлическим галлием или жидким сплавом галлия и олова и/или индия.
Как известно, при получении водорода гидролизом алюминия в водном растворе щелочи в случае содержания в растворе галлат-ионов реакция сопровождается образованием галламы алюминия (жидкого сплава алюминия и галлия), в результате чего алюминий активизируется и процесс выделения водорода становится более эффективным. Однако сохраняется возможность окисления алюминия как щелочной средой, так и кислородом воздуха. Исследования, проведенные авторами, позволили выявить условия проведения процесса, которые полностью устраняют возможность даже частичного окисления алюминия и обеспечивают эффективное получение водорода за счет значительной активации алюминия. Получение водорода по предлагаемому способу предполагает наличие ряда реакций, сопровождающих выделение водорода:
- образование галламы алюминия за счет наличия в растворе натриевой щелочи галлат-ионов;
- цементация галлия на галламе алюминия;
- растворение алюминия в жидком металлическом галлии или его сплаве;
- основная реакция - разложение воды при ее взаимодействии с алюминием, который в значительной мере активирован в результате прохождения побочных реакций
Аl+3Н2O→Аl(ОН)3+1,5Н2+99,3 ккал/моль (27,2 г Аl)
Авторами предлагаемого технического решения установлено, что галлий и его жидкие сплавы препятствуют возникновению оксидной защитной пленки на поверхности алюминия и химически активный алюминий взаимодействует с водой, образуя водород и гидроксид алюминия. Выделившийся по реакции цементации на алюминии жидкий галлий в виде тонкой пленки на поликристаллическом образце и контактирующий с алюминием металлический галлий или галлиевый сплав взаимодействуют преимущественно с зонами, прилегающими к границам зерен. Алюминий из этих зон растворяется в галлии или галлиевом сплаве и активно взаимодействует с водой. Зерна становятся разобщенными жидкими прослойками и образец резко увеличивает свою поверхность и со временем разваливается. При этом применение вместо чистого металлического галлия его сплавов с оловом и/или индием позволяет снизить температуру начала реакции благодаря более низким температурам их затвердевания (например, эвтектический состав сплава галлий-олово затвердевает при 20°С, а галлий-индий-олово затвердевает при 10,5°С). Стандартные электрохимические потенциалы компонентов этих сплавов менее отрицательны по сравнению с галлием, что обусловливает более энергичное взаимодействие их с алюминием по сравнению с чистым галлием при прочих равных условиях. Кроме того, разбавление галлия оловом снижает стоимость используемых реагентов, поскольку олово значительно дешевле галлия.
В соответствии с предлагаемым способом в зависимости от объема загруженного алюминия количество получаемого водорода при пересчете на нормальные условия (давление 101,3 кПа или 1 атм, температура 20°С) из 1 кг алюминия составляет 1,245 м3, при этом потребуется 2 дм3 воды, будет получено гидроксида алюминия (Al2О3·3Н2О) 2,89 кг и выделится тепла 3650,7 ккал.
На чертеже изображен химический реактор для осуществления предлагаемого способа. Химический реактор для получения водорода включает цилиндрический корпус (1), снабженный теплообменником (12), который расположен с внешней стороны корпуса реактора (1) и снабжен штуцером (13) подачи и выхода охлаждающей жидкости, в качестве которой может быть использован, например, тосол или вода. Корпус реактора (1) разделен на две емкости (2 и 3), верхняя из которых (2) имеет отверстие для подачи воды в реактор, снабженное крышкой (11), а ее дно снабжено коническим тубусом, расположенным внутри второй емкости (3), который позволяет раствору натриевой щелочи перемещаться из емкости (3) через ее нижнюю часть, служащую для сбора пульпы, в верхнюю емкость (2). Тубус снабжен уплотнениями (18) и болтовыми соединениями, которые позволяют закрепить его к корпусу (1) реактора. Водный раствор натриевой щелочи, содержащий галлат-ионы (15), находится в емкости (3) и частично в емкости (2), где в нем размещен многоуровневый датчик (16) контроля расхода водного раствора натриевой щелочи, связанный с блоком управления. В корпусе (1) реактора расположены штуцер отвода газообразного продукта реакции (8), снабженный вентилем, штуцер подачи раствора натриевой щелочи, приемник (9) загрузки гранулированного или кускового алюминия с заслонкой (10) и герметичной крышкой (16), внутри корпуса (1) расположен боковой карман (19), который крепится к корпусу (1) с помощью болтового соединения (17) и снабженный металлической защитной сеткой (7), с одной стороны отделяющей гранулы алюминия и препятствующей попаданию их в ту часть емкости (3), где скапливается пульпа, а с другой стороны отделяющей крупные брызги раствора. На дно бокового кармана (19) помещен жидкий галлий или жидкий сплав галлия и олова и/или индия. Кроме того, реактор дополнительно снабжен гидроциклоном для отделения осветленной части раствора от пульпы, накапливающейся в нижней части реактора, и рядом штуцеров (6), направляющих струи осветленного раствора на алюминий. Таким образом, конструкция предлагаемого реактора позволяет:
- автоматически прекращать реакцию разложения воды при отсутствии потребления водорода;
- удалять осадок гидроксида алюминия из реакционной емкости;
- отделять и уплотнять осадок из пульпы в гидроциклоне;
- периодически загружать гранулами/кусками алюминия реакционную емкость без прекращения получения и отвода водорода;
- передавать тепловую энергию потребителю тепла;
- очищать получаемый водород от брызг щелочного раствора;
- удалять образующийся гидроксидный осадок с поверхности гранул или кусков алюминия.
Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом. В качестве исходных компонентов используют гранулированный алюминий (например, марки ТУ 6-09-02-529-92) или его мелкокусковые сплавы; металлический галлий или его сплавы Ga-In, Ga-Sn, Ga-In-Sn; щелочной раствор едкого натрия в воде, содержащий 5-60 г NaOH в дм3; галлатный раствор, например, полученный электрохимическим растворением галлия в растворе едкого натра, содержащий 1-10 г Ga в дм3.
В боковой карман (19) корпуса (1) реактора загружают необходимое количество жидкого металлического галлия или сплава галлия и индия и/или олова (4); сверху засыпают гранулированный или мелкокусковой алюминий (5) в объеме не более половины емкости, образуемой стенками корпуса (1) реактора и внутренней частью сетки (7); завершают монтаж реактора; заливают водный раствор натриевой щелочи, содержащий галлат-ионы до устойчивого контакта с датчиком уровня раствора (16). Для потребления водорода открывают вентиль на штуцере (8) и добавляют некоторое количество воды в емкость (2) корпуса (1) реактора через верхнюю крышку (11). Объем вводимой воды зависит от размеров реактора. В последующем дозировку воды проводят по показаниям датчика (16). Введение новых порций алюминия осуществляют через приемник (9) после закрытия крышки и открытия заслонки (10). При потреблении водорода водный раствор натриевой щелочи, содержащий галлат-ионы, поступает из емкости (2) через тубус в емкость (3), провоцируя реакции по активации алюминия и последующего взаимодействия активированного алюминия с водой. Предлагаемая конструкция реактора обеспечивает удаление щелочного раствора от реакционной массы за счет повышения давления водорода в корпусе (1) реактора в отсутствие потребления водорода. Это сопровождается вытеснением раствора из емкости (3) и прекращением реакции разложения воды. Активированный алюминий в этом случае остается в атмосфере водорода и окисления его воздухом не происходит. В нижней части емкости (3) происходит накопление пульпы, которая через штуцер (14) в конусном дне поступает в гидроциклон под давлением, создаваемым центробежным насосом или помпой (на чертеже не показаны). Осаждение гидроксида алюминия происходит в гидроциклоне, а осветленная часть щелочного раствора поступает в реакционное пространство емкости (3) через штуцеры (6) и смывает гидроксид алюминия с гранулированного или мелкокускового алюминия.
В таблице представлены результаты опытов, свидетельствующие, что при взаимодействии гранулированного или мелкокускового алюминия при очень низком покрытии галлием путем цементации с содержанием галлия к массе алюминия ≈ 0,10% выделение водорода в расчете на 1 кг алюминия за время 1 час при температуре раствора 40°С составляет всего 0,25 дм3/час·кг. Повышение температуры до 50°С увеличивает выход водорода при тех же условиях до 1,0 дм3/час·кг. Повышение содержания галлия на поверхности алюминия улучшает показатели процесса, но использование жидкого металлического галлия для этой цели требует некоторого подогрева исходного раствора, по крайней мере до 30°С. Контакт алюминия со сплавами на основе галлия в смеси с водой при комнатной температуре приводит к очень слабому взаимодействию. В присутствии едкого натра в растворе эффективность взаимодействия резко возрастает. При концентрации щелочи NaOH 10 г/дм3 раствор в присутствии жидкого сплава галлия самопроизвольно разогревается и может достигнуть температуры кипения. Эффективность использования металлического галлия уступает эффективности использования сплава на основе галлия при температурах ниже плавления металлического галлия. Наиболее интенсивное взаимодействие с водой достигается при использовании галлированных гранул алюминия и наличии контакта жидкого галлиевого сплава с ними. Однако наличие большого количества гидроксида алюминия, образующегося в этих условиях, может замедлять выделение водорода в единицу времени. В связи с этим в конструкции реактора предусмотрена защитная сетка (7), разделяющая реакционный объем от нижней части емкости (3), куда поступает гидроксид алюминия при принудительной циркуляции пульпы, создаваемой насосом. Необходимо отметить, что эффективность процесса также зависит от состава используемого сплава галлия и индием и/или оловом. Как показали исследования, состав должен быть эвтектическим или иметь допустимое отклонение от эвтектики, которое было установлено экспериментальным путем.
Масс-спектрометрический анализ гидроксида алюминия, отделенного в условиях, имитирующих работу гидроциклона, показал следующее содержание примесей, мас.%: галлия 0,25-0,35; индия - 0,04-0,75; олова - 0,001-0,05. Следовательно, результаты исследований позволяют рекомендовать активирование галлированного алюминия жидким металлическим галлием или жидким сплавом галлия и индия и/или олова для получения водорода разложением воды с допустимым загрязнением гидроксида алюминия примесными компонентами: галлием, индием, оловом.
| Выделение водорода разложением воды галлированными гранулами алюминия (1) или при контакте чистых гранул со сплавами на основе галлия (2) | |||
| № п/п | Условия опыта | Выделение водорода (дм3/час·кг) при начальной температуре, °С | |
| 1 | Содержание галлия на гранулах алюминия, % | 40° | 50° |
| 0,1 | 0,25 | 1,0 | |
| 0,45 | 8,2 | 29,3 | |
| 1,0 | 47 | 67 | |
| 2 | Контакт гранул алюминия со сплавом на основе галлия | 20° | 40° |
| Gа | - | 83 | |
| Ga-Sn | 5,5 | 80 | |
| Ga-In | 4,5 | 72 | |
| Ga-In-Sn | 4,8 | 85 | |
| Примечание: отношение массы алюминия к массе сплава равно 2:1 для навесок алюминия 100 г. | |||
Предлагаемое техническое решение иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1. В качестве исходных компонентов используют 100 г гранулированного алюминия марки ТУ 6-09-02-529-92; 25 г металлического галлия; водный щелочной раствор едкого натра в воде, содержащий 5 г NaOH в дм3 и 1 г Ga в дм3.
В боковой карман (19) корпуса (1) реактора загружают 30 г жидкого металлического галлия (4); сверху засыпают 50 г гранулированного алюминия (5) в емкость, образуемую стенками корпуса (1) реактора и внутренней частью сетки (7); завершают монтаж реактора; заливают водный раствор натриевой щелочи, содержащий галлат-ионы. Для потребления водорода открывают вентиль на штуцере (8) и добавляют 250 мл воды в емкость (2) корпуса (1) реактора через верхнюю крышку (11) до устойчивого контакта нижнего уровня датчика (16). В последующем дозировку воды проводят по показаниям датчика (16). Введение новой порции алюминия в количестве 50 г осуществляют через приемник (9) после закрытия крышки и открытия заслонки (10). При потреблении водорода водный раствор натриевой щелочи, содержащий галлат-ионы, поступает из емкости (2) через тубус в емкость (3), провоцируя реакции по активации алюминия и последующего взаимодействия активированного алюминия с водой.
В результате получено: водорода 125 дм3; гидроксида алюминия 280 г, высушенного при 100°С; тепла 350 ккал. (Учитывая коэффициент абсорбции водорода водой при 20°С и давлении 750 мм ртутного столба, приводя газ к нормальным условиям, получаем объем выделенного водорода равным 115,5 дм3. Это составляет 92,8% от теоретически расчетного количества выделяемого водорода по реакции, то есть потери составили 7,2%. Последнее объясняется утечкой водорода при длительной выдержке).
Пример 2. В качестве исходных компонентов используют 100 г гранулированного алюминия марки ТУ 6-09-02-529-92); сплав Ga-In состава, мас.%: индий 28; галлий 72; щелочной раствор едкого натра в воде, содержащий 60 г NaOH в дм3 и 10 г Ga в дм3.
В боковой карман (19) корпуса (1) реактора загружают 30 г жидкого сплава галлия-индия (4); сверху засыпают 50 г гранулированного алюминия (5) в емкость, образуемую стенками корпуса (1) реактора и внутренней частью сетки (7); завершают монтаж реактора; заливают водный раствор натриевой щелочи, содержащий галлат-ионы. Для потребления водорода открывают вентиль на штуцере (8) и добавляют 250 мл воды в емкость (2) корпуса (1) реактора через верхнюю крышку (11) до устойчивого контакта с датчиком уровня раствора (16). В последующем дозировку воды проводят по показаниям датчика (16). Введение новой порции алюминия в количестве 50 г осуществляют через приемник (9) после закрытия крышки и открытия заслонки (10). При потреблении водорода водный раствор натриевой щелочи, содержащий галлат-ионы, поступает из емкости (2) через тубус в емкость (3), провоцируя реакции по активации алюминия и последующего взаимодействия активированного алюминия с водой.
В результате получено: водорода 120 дм3 (в перерасчете на нормальные условия или 96,4% от теоретически рассчитанного); гидроксида алюминия 300 г (высушенного при 20°С с влажностью 8%); тепла 360 ккал.
Пример 3. В качестве исходных компонентов используют 100 г гранулированного алюминия марки ТУ 6-09-02-529-92; сплав Ga-Sn состава, мас.%:
олово 8; галлий 92; щелочной раствор едкого натра в воде, содержащий 60 г NaOH в дм3 и 10 г Ga в дм3.
В боковой карман (19) корпуса (1) реактора загружают 25 г жидкого сплава галлия-олова (4); сверху засыпают 45 г гранулированного алюминия (5) в емкость, образуемую стенками корпуса (1) реактора и внутренней частью сетки (7); завершают монтаж реактора; заливают водный раствор натриевой щелочи, содержащий галлат-ионы. Для потребления водорода открывают вентиль на штуцере (8) и добавляют 250 мл воды в емкость (2) корпуса (1) реактора через верхнюю крышку (11). В последующем дозировку воды проводят по показаниям датчика (16). Введение новой порции алюминия в количестве 50 г осуществляют через приемник (9) после закрытия крышки и открытия заслонки (10). При потреблении водорода водный раствор натриевой щелочи, содержащий галлат-ионы, поступает из емкости (2) через тубус в емкость (3), провоцируя реакции по активации алюминия и последующего взаимодействия активированного алюминия с водой.
В результате получено: водорода 122,9 дм3 (или 97,9% от теоретически рассчитанного); гидроксида алюминия 290 г; тепла 350 ккал.
Пример 4. В качестве исходных компонентов используют 100 г гранулированного алюминия марки ТУ 6-09-02-529-92); сплав Ga-In-Sn состава, мас.%: индий 21,5; олово 12,5; галлий 66; щелочной раствор едкого натра в воде, содержащий 60 г NaOH в дм3 и 10 г Ga в дм3.
В боковой карман (19) корпуса (1) реактора загружают 25 г жидкого сплава галлия и индия (4); сверху засыпают 50 г гранулированного алюминия (5) в емкость, образуемую стенками корпуса (1) реактора и внутренней частью сетки (7); завершают монтаж реактора; заливают водный раствор натриевой щелочи, содержащий галлат-ионы. Для потребления водорода открывают вентиль на штуцере (8) и добавляют 250 мл воды в емкость (2) корпуса (1) реактора через верхнюю крышку (11) до устойчивого контакта с датчиком уровня раствора (16). В последующем дозировку воды проводят по показаниям датчика (16). Введение новой порции алюминия в количестве 50 г осуществляют через приемник (9) после закрытия крышки и открытия заслонки (10). При потреблении водорода водный раствор натриевой щелочи, содержащий галлат-ионы, поступает из емкости (2) через тубус в емкость (3), провоцируя реакции по активации алюминия и последующего взаимодействия активированного алюминия с водой.
В результате получено: водорода 120 дм3 (или 96,4% от теоретически рассчитанного); гидроксида алюминия 285 г; тепла 350 ккал.
Таким образом, предлагается технологически простой способ получения водорода путем разложения воды при ее взаимодействии с алюминием в водном растворе натриевой щелочи, содержащем галлат-ионы, обеспечивающий высокий выход по водороду.
Claims (5)
1. Способ получения водорода путем разложения воды при ее взаимодействии с алюминием в водном растворе натриевой щелочи, содержащем галлат-ионы, отличающийся тем, что в качестве водного раствора натриевой щелочи, содержащего галлат-ионы, используют щелочно-галлатный раствор, содержащий 5-60 г/дм3 едкого натрия и 1-10 г/дм3 галлия, и процесс осуществляют в присутствии жидкого металлического галлия, или жидкого сплава галлия и олова, и/или индия при его непосредственном контакте с алюминием.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют сплав галлия и индия при следующем соотношении компонентов, мас.%: индий - 5-30; галлий - остальное.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют сплав галлия и олова при следующем соотношении компонентов, мас.%: олово - 3-12; галлий - остальное.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют сплав галлия, и индия, и олова при следующем соотношении компонентов, мас.%: индий - 13,5-29,5; олово - 7,5-17,5; галлий - остальное.
5. Химический реактор для получения водорода, включающий цилиндрический корпус, снабженный теплообменником, со средой водного раствора натриевой щелочи, содержащего галлат-ионы, в котором размещен датчик контроля, связанный с блоком управления, в корпусе расположен штуцер отвода газообразного продукта реакции, штуцер подачи раствора натриевой щелочи, приемник загрузки алюминия, внутри корпуса расположено устройство для размещения алюминия, снабженное приспособлением, препятствующим попаданию алюминия в циркулирующий раствор натриевой щелочи, отличающийся тем, что корпус реактора разделен на две емкости, верхняя из которых имеет отверстие для подачи воды в реактор, а ее дно снабжено коническим тубусом, расположенным внутри второй емкости, устройство для размещения алюминия выполнено в виде бокового кармана и снабжено защитной сеткой, на дно бокового кармана помещен жидкий галлий, или жидкий сплав галлия и олова и/или индия, теплообменник расположен с внешней стороны реактора, а в качестве датчика контроля использован датчик контроля уровня раствора в верхней емкости, кроме того, реактор дополнительно снабжен гидроциклоном для отделения осветленной части раствора от пульпы, накапливающейся в нижней части реактора, и рядом штуцеров, направляющих струи осветленного раствора на алюминий.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008139845/15A RU2397141C2 (ru) | 2008-10-07 | 2008-10-07 | Способ получения водорода и химический реактор для его осуществления |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008139845/15A RU2397141C2 (ru) | 2008-10-07 | 2008-10-07 | Способ получения водорода и химический реактор для его осуществления |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2008139845A RU2008139845A (ru) | 2010-04-20 |
| RU2397141C2 true RU2397141C2 (ru) | 2010-08-20 |
Family
ID=46274827
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008139845/15A RU2397141C2 (ru) | 2008-10-07 | 2008-10-07 | Способ получения водорода и химический реактор для его осуществления |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2397141C2 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2553885C1 (ru) * | 2013-11-15 | 2015-06-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВПО "НИУ "МЭИ") | Генератор водорода |
| RU2606449C2 (ru) * | 2014-10-29 | 2017-01-10 | Общество с ограниченной ответственностью "ХэндиПауэр" | Способ активации алюминия для получения водорода |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4218520A (en) * | 1976-07-12 | 1980-08-19 | Solomon Zaromb | Apparatus for generating heat and electrical energy from aluminum waste and other inexpensive aluminum products |
| SU1134538A1 (ru) * | 1983-08-18 | 1985-01-15 | МГУ им.М.В.Ломоносова | Состав дл аккумулировани водорода |
| US4543246A (en) * | 1984-10-04 | 1985-09-24 | Houser Clifford F | Hydrogen generator |
| EP0310408A2 (en) * | 1987-10-01 | 1989-04-05 | Dowty Maritime Systems Limited | Gas generating devices |
| WO2005005311A2 (en) * | 2003-05-14 | 2005-01-20 | Lynntech, Inc. | Hydrogen generator |
| RU2266157C1 (ru) * | 2004-02-24 | 2005-12-20 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" | Генератор водорода |
| RU2297386C1 (ru) * | 2005-10-18 | 2007-04-20 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" | Химический реактор для получения водорода и способ его эксплуатации |
-
2008
- 2008-10-07 RU RU2008139845/15A patent/RU2397141C2/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4218520A (en) * | 1976-07-12 | 1980-08-19 | Solomon Zaromb | Apparatus for generating heat and electrical energy from aluminum waste and other inexpensive aluminum products |
| SU1134538A1 (ru) * | 1983-08-18 | 1985-01-15 | МГУ им.М.В.Ломоносова | Состав дл аккумулировани водорода |
| US4543246A (en) * | 1984-10-04 | 1985-09-24 | Houser Clifford F | Hydrogen generator |
| EP0310408A2 (en) * | 1987-10-01 | 1989-04-05 | Dowty Maritime Systems Limited | Gas generating devices |
| WO2005005311A2 (en) * | 2003-05-14 | 2005-01-20 | Lynntech, Inc. | Hydrogen generator |
| RU2266157C1 (ru) * | 2004-02-24 | 2005-12-20 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" | Генератор водорода |
| RU2297386C1 (ru) * | 2005-10-18 | 2007-04-20 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" | Химический реактор для получения водорода и способ его эксплуатации |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2553885C1 (ru) * | 2013-11-15 | 2015-06-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВПО "НИУ "МЭИ") | Генератор водорода |
| RU2606449C2 (ru) * | 2014-10-29 | 2017-01-10 | Общество с ограниченной ответственностью "ХэндиПауэр" | Способ активации алюминия для получения водорода |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2008139845A (ru) | 2010-04-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9718684B1 (en) | Method for continuously producing hydrogen, heat and aluminum oxides on demand | |
| JP6130872B2 (ja) | 水素発生方法及び水素発生装置 | |
| NO135281B (ru) | ||
| JP5567265B2 (ja) | 水素発生用触媒 | |
| KR20040065547A (ko) | 화학적 하이드라이드 수소발생장치 및 이 장치를 구비한에너지 시스템 | |
| CN101973520B (zh) | 一种基于铝水解反应的便携式制氢发生器及控制方法 | |
| CN103848399B (zh) | 一种轻水制取超轻水的方法及设备 | |
| CN212315530U (zh) | 一种千瓦级燃料电池硼氢化钠水解制氢装置 | |
| RU2397141C2 (ru) | Способ получения водорода и химический реактор для его осуществления | |
| US8263271B2 (en) | Fuel cell system | |
| US20070020174A1 (en) | Method for generating hydrogen gas | |
| KR102386882B1 (ko) | 알루미늄을 이용한 연속방식 수소발생장치 | |
| US9731967B1 (en) | System for continuously producing hydrogen, heat and aluminum oxides on demand | |
| US3574560A (en) | Device for producing gaseous reactants particularly hydrogen and oxygen for fuel cells | |
| CN219636905U (zh) | 一种酸催化硼氢化钠溶液水解制氢装置 | |
| RU2232710C1 (ru) | Генератор водорода | |
| CA3162765A1 (en) | Electrolysis system and method for operating an electrolysis system | |
| CN210366975U (zh) | 一种利用硼氢化钠催化制氢的氢气发生器 | |
| CN115233236A (zh) | 低能耗的电解水制绿氢用生产装置 | |
| US20240375948A1 (en) | Installation pour la production de h2 | |
| JP2003346861A (ja) | 燃料電池システム | |
| CN202707245U (zh) | 清除汽车发动机积碳专用的自动控制氢氧除碳机 | |
| JP3127359U (ja) | 液体燃料混合器 | |
| JP2010001188A (ja) | 水素製造装置及び燃料電池 | |
| CN116281855A (zh) | 一种酸催化硼氢化钠溶液水解制氢装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20121008 |