СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА

Изобретение относится к способам получения водорода для различных потребностей народного хозяйства, в том числе в установках для получения водорода транспортных средств.

Известен способ получения водорода с помощью алюминия из концентрированного раствора щелочей в воде: 2Al+2NaOH+6H₂O=2Na[Al(OH)₄]+3Н₂ (Р.А. Лидин, Химия, справочник, изд-во «Астрель», Москва, 2011, стр. 60). В этом источнике информации подробно описана химическая реакция, которая проводится при растворении в 108 г воды 80 г щелочи, т.е. 2 моля щелочи на 6 молей воды. В литре (1000 г) воды содержится 55,55 молей воды, т.е. в литре воды надо будет растворить 18,5 молей щелочи или 740 грамм. Существенным недостатком такого способа является высокий концентрат щелочи, что, разумеется, небезопасно в обращении и использовании его в какой-либо установке.

Известен способ получения водорода на основе гидрореагирующих композиций, содержащих алюминий и активизирующие группы металлов, в том числе галлий, индий, олово, цинк (Патент РФ №2394753, МПК C01B 3/08, 2009 г.). К недостаткам этого способа относится использование, или чистого алюминия, или дорогостоящих сплавов, например, с индием, галлием или с другими редкими металлами. Чистый алюминий весьма медленно реагирует из-за образования прочной окисной пленки, и чтобы ускорить химическую реакцию, прибегают к порошкам и даже нанопорошкам алюминия, чтобы увеличить реакционную поверхность, что существенным образом усложняет технологию получения водорода.

В предлагаемом техническом решении задачи получения водорода на основе химической реакции алюминиевого сплава в щелочном растворе использован сплав алюминия и меди в качестве химического реагента с безопасным раствором щелочи. В основу решения поставленной задачи положена теоретическая предпосылка, что при взаимодействии алюминия с различными средами его коррозия и выделение водорода необязательно зависят от дорогостоящих добавок, какие были использованы в прототипе. С этой целью может быть использован сплав, состоящий из алюминия и меди при соответствующем соотношении компонентов.

Предлагаемый способ получения водорода на основе химической реакции алюминиевого сплава и щелочного раствора заключается в том, что сплав на основе алюминия с содержанием алюминия 92-98%, меди 1-8% помещают в водный раствор щелочи с содержанием 0,4% щелочи и осуществляют химическую реакцию при температуре раствора 15-70°С, при этом в реакции используют воду с рН от 7 до 12.

Получение технического результата, выбор состава сплава алюминия и меди, а также определение условий проведения реакции осуществлялось экспериментальным путем проведения испытаний сплавов с разным процентным содержанием компонентов.

На фиг. 1 представлена схема установки, на которой проводились эксперименты.

В лабораторных условиях проводились испытания со сплавами, состав которых представлен в таблице 1.

Как показали эксперименты, чем больше содержание меди в сплаве, тем выше скорость выделения водорода. Но, с другой стороны, сама медь при реакции со щелочью не выделяет водород, поэтому, чем больше ее в сплаве, тем меньше удельная газопроизводительность с 1 кг сплава. Так если с 1 кг Al получаем 1244 л водорода, то соответственно с 1 кг сплава, где, например, 8% меди, на столько же уменьшится удельная газопроизводительность и составит 1144 л. На эксперименте получено с 1 г такого сплава 1100 мл водорода или в пересчете на 1 кг - 1100 л водорода, т.е. полнота реакции составляет 96%.

Кроме того, для удаления окисной пленки исследованные сплавы не нуждаются в концентрированном растворе NaOH, а всего 2-4 г/л - это еще удешевляет производство водорода и делает безопасным эксплуатацию такого раствора. При такой концентрации NaOH скорость реакции для получения водорода будет зависеть в основном от количества меди в сплаве.

Чтобы не зависеть на испытаниях от состава воды, специально на каждый опыт приготовлялся свежий раствор 0,1 H NaOH в дистиллированной воде. Первые испытания для сравнения с предлагаемым сплавом были проведены на чистом Al марки АД00 (стружка), на гранулированном Al ЧДА (изготовление август 2000 г. - гарантийный срок хранения 3 года - хранился в негерметичном полиэтиленовом пакете при комнатных условиях), Al листовой электротехнический (изготовление июнь 1988 г.) толщиной 0,5 мм. Наиболее интенсивное газовыделение наблюдалось на последнем образце, и выделение водорода началось сразу же. Чуть похуже реакция шла со стружкой. Гранулы Al в среднем имели толщину 3,5 мм и диаметр 12 мм. Выделение водорода началось только через 19 минут, и скорость выделения была незначительна по сравнению с предыдущими образцами.

Задача в данной серии экспериментов состояла в получении и испытании алюминиевых сплавов, которые корродировали бы с наибольшим эффектом с выделением водорода. Для этого были изготовлены сплавы на основе Al с добавками меди, магния, цинка и железа, увеличивающими коррозию Al и исключающими стабилизирующие добавки Mn, Ti, Ni, содержащиеся в Д16. Составы заказанных сплавов по последовательности их изготовления и испытания (см. их нумерацию) приведены в табл. 1. Для сравнения на растворе такой же концентрации был испытан сплав Д16.

Для полноты исследования был проведен эксперимент, где на сплаве с 4% меди концентрация щелочи в растворе была уменьшена в 2 раза. Интересен также опыт, где процент меди в сплаве был уменьшен до 1% (концентрация раствора как и на большинстве испытаний 0,1H NaOH).

В начале и в конце каждого испытания образец сплава взвешивался и по разности массы находилось теоретическое значение объема водорода и сравнивалось с тем, которое получалось в эксперименте. После каждого испытания образец тщательно высушивался.

На всех экспериментах полнота выделения водорода была близка к 100%, за исключением Д16, где она составила 87%. Анализируя результаты экспериментов, можно заметить, что полученные зависимости четко разделяются на две группы: группа сплавов Al-Cu с повышенной газопроизводительностью от 4,6 л/м²·мин (сплав №8) до 0,9 л/м²·мин (сплав №2) и группа чистого Al от 0,02 л/м²·мин (пластины электротехнического А10) до 0,01 л/м²·мин (гранулированный Al), т.е. наблюдаемая разница на два порядка при одной и той же температуре (15-20°С).

Как показали испытания, уменьшение содержания меди в сплаве с 4% до 1% примерно во столько же раз снижает газопроизводительность. Дополнительно был проведен опыт с содержанием меди в сплаве с Al 8%, что привело к увеличению скорости газовыделения по сравнению с 4% меди в сплаве еще в 2 раза.

Уменьшение концентрации раствора щелочи в два раза приводит к тройному уменьшению газопроизводительности, т.е. на одном и том же составе можно в широких пределах регулировать величину газопроизводительности за счет концентрации раствора щелочи.

Безопасную концентрацию щелочи можно довести до 1%.

В процессе этой серии экспериментов пассивации образцов не было выявлено. Особенностью экспериментов является идеальное изготовление заказанных сплавов, когда стружка корродировала настолько равномерно, что оставалась гладкой и после опыта никаких следов язвенной, питтинговой, растрескивающейся коррозии не было обнаружено.

На отдельных испытаниях проводился нагрев щелочного раствора до 50°С. При этом скорость реакции возрастала в 2 раза.

Схема установки, на которой проведена данная серия испытаний, приведена на фиг. 1.

Способ получения водорода состоит в помещении испытуемого образца 4 в реакционную колбу 7, в которую наливается реакционный раствор 6. Колба устанавливается на регулируемую электроплитку 5, и замер температуры раствора осуществляется термопарой 8. Из реакционной колбы по боковому ее отводу водород по стеклянной или резиновой трубке 3 отводится в мерный цилиндр 2, помещенный в ресивер с водой 1. Замер осуществляется методом вытеснения воды из мерного цилиндра. Технические результаты испытаний представлены в Приложении 1.

По результатам проведенных экспериментов можно сделать вывод, что для достижения поставленной задачи получения водорода необязательно использовать многокомпонентные сплавы, а ограничиться простейшим двухкомпонентным сплавом алюминия с небольшой добавкой меди, при этом используя слабощелочной раствор.

Приложение 1.

Результаты испытаний алюминиевых сплавов

В табличном варианте даны результаты испытаний, которые наиболее продуктивны и вошли в формулу изобретения:

Стружка из сплава Al марки АДО с 4% Cu марки M1, толщина стружки 0,4 мм, вес = 7,176 г. Раствор тот же. Температура раствора = 16°C. S_пов=128,14 см².

Результаты в виде зависимости газопроизводительности от времени приведены на рис 1.

Полнота выделения водорода близка к 100%.

Реакция идет сразу и очень бурно и температура в конце опыта повышается с 15°С до 17°С. Такая скорость реакции, на наш взгляд, обуславливается образованием множества микрогальванопар, усиливающих коррозию, т.е. растворение Al.

В следующем опыте при той же концентрации раствора 0,1Н NaOH был испытан сплав Al с добавкой 1% меди. Температура раствора приведена в таблице. Раствор вначале искусственно подогревался, чтобы идентифицировать с предыдущим опытом.

Начальный вес стружки = 8,204 г. Толщина стружки = 0,45 мм.

Поверхность 130 см².

Реакция пошла сразу.

Результаты в виде зависимости газопроизводительности от времени - на рис. 1.

Вес стружки данного сплава после испытания составляет 7,834 г, т.е. прореагировало 0,37 г из них чистого Al: 0,37×0,99=0,366 г. Поэтому теоретически должно выделиться 455 мл водорода. Экспериментальная величина с учетом погрешностей близка к теоретической. Из сравнения двух последних экспериментов при равенстве реакционных поверхностей четко прослеживается прямо пропорциональная зависимость скорости реакции от содержания меди в Al. Содержание меди уменьшили в 4 раза и во столько же раз изменилась скорость реакции.

Дополнительное испытание на газопроизводительность с добавкой в алюминиевый сплав 8% меди. Алюминиевая стружка весом 1 г, толщина стружки 0,025 см, поверхность 15,2 см², раствор как и на предыдущих испытаниях NaOH 4 г/л, начальная температура раствора 15°С. Испытание длилось 2 часа. Приводится таблица на 34 мин.

В остальное время скорость газовыделения водорода 0,46 мл/см²мин.