RU2796822C1

RU2796822C1 - Electrolytic-plasma method for producing gaseous hydrogen in a gas-liquid medium

Info

Publication number: RU2796822C1
Application number: RU2022118995A
Authority: RU
Inventors: Азат Фивзатович Гайсин; Алмаз Фивзатович Гайсин; Лилия Наилевна Багаутдинова; Фивзат Миннебаевич Гайсин
Filing date: 2022-07-12
Publication date: 2023-05-29

Abstract

FIELD: electrical chemistry.

SUBSTANCE: electrolytic-plasma method for producing gaseous hydrogen in a gas-liquid medium containing a cathode and an anode placed in dielectric vessels, which are interconnected at the bottom by a dielectric tube. The cathode and anode have an artificially created uneven surface of a zigzag shape, which, after electrical breakdown and shock wave, causes increased gas generation in the electrolyte with vigorous hydrogen evolution, is characterized by the fact that an electric discharge burns in the interelectrode spacing from 50-150 mm with small current ripples from 0 to 10 A and voltage from 400 to 1300 V, the vessels in the upper part are equipped with a hydrogen and oxygen sampling system, as well as pressure control valves in the vessels and an electrolyte drain and supply system, and aqueous solutions of alkalis of active metals are used as electrolyte.

EFFECT: increasing synthesis of hydrogen by creating enhanced gas formation on an artificially created uneven surface of the electrodes.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к способам получения водорода. Водород практически не встречается на земле в чистом виде и должен извлекаться из других соединений. The invention relates to methods for producing hydrogen. Hydrogen practically does not occur on earth in its pure form and must be extracted from other compounds.

Разнообразие способов получения водорода является одним из главных преимуществ водородной энергетики. В настоящее время наиболее доступным и дешевым процессом является паровая конверсия метана и природного газа и угля, но запасов природного газа и метана остается мало. Согласно прогнозам, паровая конверсия будет использована только в начальной стадии перехода к водородной экономике. A variety of methods for producing hydrogen is one of the main advantages of hydrogen energy. Currently, steam reforming of methane and natural gas and coal is the most accessible and cheapest process, but there are few natural gas and methane reserves. According to forecasts, steam reforming will be used only in the initial stage of the transition to a hydrogen economy.

Известен способ синтеза газообразного водорода плазменным разрядом в жидкофазных средах под действием ультразвуковой кавитации (Булычев Н.А., Казарян М.А., Этираи А., Чайков Л.Л. Плазменный разряд в жидкофазных средах под действием ультразвуковой кавитации как метод синтеза газообразного водорода // Краткие сообщения по физике ФИАН. 2018. №9). Плазма способна эффективно разлагать водородосодержащие молекулы органических соединений с образованием газообразных продуктов, в которых доля водорода составляет более 90%, а уровень КПД порядка 60-70% в зависимости от состава исходной смеси. Однако этот процесс требует громоздкого и дорогого оборудования, а также потребляет метан, который сам является топливом и ценным сырьем для химической промышленности. A known method for the synthesis of gaseous hydrogen by a plasma discharge in liquid-phase media under the action of ultrasonic cavitation (Bulychev N.A., Kazaryan M.A., Etirai A., Chaikov L.L. Plasma discharge in liquid-phase media under the action of ultrasonic cavitation as a method of synthesizing gaseous hydrogen // Short Communications on Physics FIAN, 2018, No. 9). Plasma is able to effectively decompose hydrogen-containing molecules of organic compounds with the formation of gaseous products, in which the proportion of hydrogen is more than 90%, and the efficiency level is about 60-70%, depending on the composition of the initial mixture. However, this process requires bulky and expensive equipment, and also consumes methane, which itself is a fuel and a valuable raw material for the chemical industry.

Аналогом способа можно признать (RU, патент 117441 U1) электролитно-плазменный способ получения газообразного водорода в газожидкостной среде, характеризующийся тем, что разряд горит в диэлектрических сосудах, соединенных между собой трубкой в нижней части, отличающийся тем, что анод имеет пластинчатую форму, а катод имеет спиралевидную форму с диэлектрическим покрытием, причем электроизоляция снята ступенчато, благодаря чему, как утверждают заявители увеличивается срок службы катода. Недостатком заявленного способа является сложность в изготовлении катода и быстрое изнашивание электроизоляции в результате горения электрического разряда высокой температуры. An analogue of the method can be recognized (RU, patent 117441 U1) an electrolytic-plasma method for producing gaseous hydrogen in a gas-liquid medium, characterized in that the discharge burns in dielectric vessels connected to each other by a tube in the lower part, characterized in that the anode has a plate shape, and the cathode has a helical shape with a dielectric coating, and the electrical insulation is removed in steps, due to which, according to the applicants, the service life of the cathode is increased. The disadvantage of the claimed method is the complexity in the manufacture of the cathode and the rapid wear of the electrical insulation as a result of the burning of a high temperature electric discharge.

Техническим результатом электролитно-плазменного способа получения газообразного водорода в газожидкостной среде является увеличение синтеза The technical result of the electrolytic-plasma method for producing gaseous hydrogen in a gas-liquid medium is an increase in the synthesis

водорода за счет создания усиленного газообразования на искусственно созданной неровной поверхности электродов. hydrogen by creating enhanced gas formation on an artificially created uneven surface of the electrodes.

Технический результат в предлагаемом электролитно-плазменном способе получения газообразного водорода достигается тем, что в газожидкостной среде, содержащей катод и анод, размещенные в диэлектрических сосудах, которые соединены между собой в нижней части диэлектрической трубкой, согласно настоящему изобретению, катод и анод имеют искусственно созданную неровную поверхность зигзагообразной формы, которая после электрического пробоя и ударной волны вызывает усиленное газообразование в электролите с интенсивным выделением водорода, характеризующийся тем, что горит электрический разряд в межэлектродном промежутке от 50-150 мм, с небольшими пульсациями тока от 0 до 10 А и напряжения от 400 до 1300 В, сосуды в верхней части снабжены системой отбора водорода и кислорода, а также клапанами регулировки давления в сосудах и системой слива и подачи электролита, причем в качестве электролита используют водные растворы щелочей активных металлов. The technical result in the proposed electrolytic-plasma method for producing gaseous hydrogen is achieved by the fact that in a gas-liquid medium containing a cathode and an anode placed in dielectric vessels, which are interconnected at the bottom by a dielectric tube, according to the present invention, the cathode and anode have an artificially created uneven a zigzag-shaped surface, which, after electrical breakdown and a shock wave, causes increased gas generation in the electrolyte with intense hydrogen evolution, characterized by the fact that an electric discharge burns in the interelectrode gap from 50-150 mm, with small current ripples from 0 to 10 A and voltage from 400 up to 1300 V, the vessels in the upper part are equipped with a hydrogen and oxygen selection system, as well as pressure control valves in the vessels and an electrolyte drain and supply system, and aqueous solutions of active metal alkalis are used as electrolyte.

Рассмотрим осуществление предлагаемого электролитно-плазменного способа получения газообразного водорода в газожидкостной среде (фиг. 1). На электроды 3 и 4 (анод и катод), размещенные в диэлектрических сосудах 1, которые соединены между собой в нижних частях диэлектрической трубкой 2, причем катод и анод имеют искусственно созданную неровную поверхность зигзагообразной формы, подается напряжение от источника постоянного тока и после электрического пробоя вызывается усиленное газообразование в электролите с интенсивным выделением водорода. Электрический разряд 5 горит в межэлектродном промежутке от 50-150 мм с небольшими пульсациями тока от 0 до 10 А и напряжения от 400 до 1300 В, подачу и слив электролита осуществляют с помощью кранов 6 и 7, выход газообразных продуктов через систему отбора кислорода и водорода 8, в верхней части сосудов расположены клапаны 9 для регулировки давления. Заполнение электролитом происходит не менее чем на 50 % от объема сосудов, но не более чем на 80 %, причем в качестве электролита используют водные насыщенные растворы щелочей активных металлов. Consider the implementation of the proposed electrolytic-plasma method for producing gaseous hydrogen in a gas-liquid medium (Fig. 1). Electrodes 3 and 4 (anode and cathode) placed in dielectric vessels 1, which are connected to each other in the lower parts by a dielectric tube 2, and the cathode and anode have an artificially created uneven surface of a zigzag shape, are energized from a direct current source and after electrical breakdown increased gas formation in the electrolyte with intensive hydrogen evolution is caused. Electric discharge 5 burns in the interelectrode gap from 50-150 mm with small current ripples from 0 to 10 A and voltage from 400 to 1300 V, electrolyte is supplied and drained using taps 6 and 7, gaseous products exit through the oxygen and hydrogen sampling system 8, valves 9 for pressure regulation are located in the upper part of the vessels. Filling with electrolyte occurs at least 50% of the volume of the vessels, but not more than 80%, and aqueous saturated solutions of alkalis of active metals are used as electrolyte.

Осуществление предлагаемого электролитно-плазменного способа получения газообразного водорода в газожидкостной среде гидроксида натрия (NaOH) выглядит следующим образом: The implementation of the proposed electrolytic-plasma method for producing gaseous hydrogen in a gas-liquid medium of sodium hydroxide (NaOH) is as follows:

2H2O+2e=2H2+2OH- реакция на катоде, 2H2O + 2e \u003d 2H2 + 2OH - reaction at the cathode,

4OH-4e=O2+2H2О- реакция на аноде. 4OH-4e=O2+2H2O-reaction at the anode.

Отличительной особенностью данного способа является то, что электрические разряды с микропузырьками в электролитных ячейках повышают получение водорода, чем при электролизе. A distinctive feature of this method is that electric discharges with microbubbles in electrolyte cells increase the production of hydrogen compared to electrolysis.

Необходимо отметить, что схема с раздельным сбором газообразных продуктов на выходе из катода и анода позволяет собрать не только водород, но и кислород, получающийся попутно в данном способе. It should be noted that the scheme with separate collection of gaseous products at the outlet of the cathode and anode allows you to collect not only hydrogen, but also oxygen, which is obtained in passing in this method.

Для достижения технического результата предлагается эксперимент с использованием 10 % раствора NaOH и медных электродов с высотой зигзага 3 мм. Для анализа устойчивости электрического разряда была получена вольт-амперная характеристика (фиг.2) разряда с помощью универсального аналого-цифрового преобразователя Sensor-CASSY, представленные на фиг.2. Анализ вольт-амперной характеристики показал, что процесс электролиза идет при силе тока от 4 до 10 А и напряжении от 400 до 700 В. Затем при достижении пробойного напряжения (700 В) горит разряд с небольшими пульсациями тока ( от 0 до 10 А) и напряжения (от 400 В до 1300 В). Наличие такого разряда при соприкосновении с зигзагообразной формы электродов приводит к усиленному газообразованию. Такой разряд с развитой поверхностью микропузырьков приводит к увеличению диффузионных потоков химически активных веществ, растворенных в электролите, в том числе водорода и кислорода. В таком разряде потенциально возможно осуществить большое количество новых химических реакций при условии поступления свежего электролита в ячейку. To achieve a technical result, an experiment is proposed using a 10% NaOH solution and copper electrodes with a zigzag height of 3 mm. To analyze the stability of the electric discharge, the current-voltage characteristic (Fig. 2) of the discharge was obtained using the universal analog-to-digital converter Sensor-CASSY, presented in Fig. 2. An analysis of the current-voltage characteristic showed that the electrolysis process proceeds at a current strength of 4 to 10 A and a voltage of 400 to 700 V. Then, when the breakdown voltage (700 V) is reached, a discharge burns with small current ripples (from 0 to 10 A) and voltage (from 400 V to 1300 V). The presence of such a discharge in contact with the zigzag electrodes leads to enhanced gas formation. Such a discharge with a developed surface of microbubbles leads to an increase in the diffusion fluxes of chemically active substances dissolved in the electrolyte, including hydrogen and oxygen. In such a discharge, it is potentially possible to carry out a large number of new chemical reactions, provided that a fresh electrolyte enters the cell.

Таким образом, получение технического результата достигается за счет плазмы электрического разряда (разложение и ионизация молекул) и усиливается при увеличении газообразования за счет неровной зигзагообразной формы электродов (ускорение реакции получения газообразных продуктов водорода, кислорода и диффузии). Thus, obtaining a technical result is achieved due to the plasma of an electric discharge (decomposition and ionization of molecules) and is enhanced with an increase in gas formation due to the uneven zigzag shape of the electrodes (acceleration of the reaction for obtaining gaseous products of hydrogen, oxygen and diffusion).

Существенным преимуществом способа является отсутствие токсичных и трудноутилизируемых продуктов, а также дополнительное получение кислорода.A significant advantage of the method is the absence of toxic and hard-to-recycle products, as well as the additional production of oxygen.

Claims

An electrolytic-plasma method for producing gaseous hydrogen in a gas-liquid medium containing a cathode and an anode placed in dielectric vessels, which are interconnected at the bottom by a dielectric tube, characterized in that the cathode and anode have an artificially created uneven zigzag-shaped surface, which after electrical breakdown and a shock wave causes increased gas generation in the electrolyte with intense hydrogen evolution, characterized by the fact that an electric discharge burns in the interelectrode gap from 50-150 mm with small current ripples from 0 to 10 A and voltage from 400 to 1300 V, the vessels in the upper part are equipped with a hydrogen and oxygen extraction system, as well as pressure control valves in the vessels and an electrolyte drain and supply system, moreover, aqueous solutions of active metal alkalis are used as the electrolyte.