СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА Российский патент 2008 года по МПК C01B3/08 

В настоящее время большая часть производимого в промышленном масштабе водорода получается из природного топлива - метана, угля, древесины и т.д. Основным является процесс паровой конверсии метана. При взаимодействии топлива с парами воды или воздуха образуется синтез-газ - смесь оксида углерода и водорода, из которого затем выделяется водород. Однако экологические ограничения процессов получения водорода из органического топлива стимулируют поиск и разработку процессов производства водорода из воды.

Для получения водорода из воды большое внимание уделяется процессам электролиза, термолиза, радиолиза, гидролиза, пиролиза [1]. Для повышения эффективности разложения воды на водород предлагается использовать различные каталитические процессы, прежде всего с применением катализаторов на основе металлов платиновой группы [1, 2]. Рассматриваются возможности использования различных химических реакций для получения водорода, например, путем взаимодействия алюминия с раствором едкого натра [3]. Согласно патенту [4] водород в системе алюминий-вода-кислород получают в реакторе высокого давления путем непрерывной подачи суспензии порошкообразного алюминия в воду при температуре 220-900°С и давлении 20-40 МПа; парогаз из реактора подают в конденсатор, из него выводят водород, а гидроксид алюминия или оксид алюминия - в отстойник для суспензии. О технической сложности получения водорода из воды методом термолиза можно судить на примере патента [5]. Вода нагревается до температуры ее разложения для получения реакционной смеси диссоциированной воды, содержащей газообразный кислород и водород. Затем в реакционной смеси формируется вихрь, который подвергает реакционную смесь действию центробежных сил, направленных вдоль оси внутреннего пространства вихревого трубчатого реактора так, что во внутреннем пространстве реактора осуществляется радиальная стратификация газообразного водорода и газообразного кислорода. Из этой реакционной смеси извлечение газообразного водорода происходит на удаленных участках вдоль продольной оси внутреннего пространства вихревого трубчатого реактора.

Рассмотрение этих и других патентов показывает, что предлагаемые способы разложения воды на водород являются высокоэнергозатратными, технически сложными, дорогостоящими, малоэффективными и малоперспективными для практического применения [1-5].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ гидролизного получения водорода в результате протекания реакции алюминия с раствором едкого натра, описанный в [3].

Однако этот метод имеет ряд недостатков: для управления процессом реакционную смесь надо охлаждать до 100°С, генерация водорода протекает в узком интервале (20-22%) значений оптимального алюминатного раствора.

Задачей изобретения является снижение энергозатрат и интенсификация процесса получения водорода.

Поставленная задача достигается способом получения водорода, в котором магний и/или алюминий или магний со сплавом магния с алюминием обрабатывают 40 % водным раствором метасиликата натрия, или водным раствором сернокислого алюминия, или водным раствором медного купороса.

Образование и выделение газообразного водорода при проведении процесса получения водорода происходит самопроизвольно при комнатной температуре. При повышении температуры до 100° С скорость генерации водорода увеличивается примерно в 10 раз. Процесс образования водорода в этих композициях протекает в течение длительного времени. Например, в композиции состава магний (36%), алюминий (9%), жидкое натриевое кремниевое стекло (55%) при 45 °С выделение водорода протекает более 30 суток с постоянной скоростью.

Данный способ позволяет получать газообразный водород в результате объемного разложения воды практически без выделения токсичных продуктов. Для реализации способа используются доступные и недорогие металлические и неорганические реагенты, производимые промышленностью в больших количествах.

Отсутствие затрат энергии при получении водорода при комнатной температуре и небольшие затраты энергии при повышенных температурах свидетельствуют о перспективности практического применения предлагаемого способа получения водорода химическим разложением воды. Например, для получения водорода этим способом может быть использовано сбросовое тепло водных систем тепловых и атомных электрических станций.

Предлагаемые композиции химически безопасны, реагенты для их использования могут храниться в течение длительного времени (месяцы, годы) без ухудшения исходных свойств.

Для технологического оформления процесса получения газообразного водорода использованием предлагаемых составов композиций не потребуется применение дорогостоящих материалов и сложной аппаратуры.

Ниже приведены примеры реализации способа получения водорода.

Пример 1. К навеске, содержащей магний и сплав магния с алюминием в соотношении 50%: 50%, массой 17 г добавляют порциями в виде капель жидкое натриевое стекло, которое представляет собой 40% водный раствор соли метасиликата натрия кремниевой кислоты, массой 17 г. Композиция готовится перемешиванием и штыкованием смеси в течение 10-15 мин до равномерного распределения металлической компоненты в жидком стекле. Оценка равномерности распределения компонентов производилась визуально до достижения необходимой консистенции композиции. Приготовленная композиция помещалась в стеклянную колбу объемом 250 мл, которая через газоотводную трубку и водный затвор соединялась с мерным стеклянным цилиндром. Из композиции газ выделяется со скоростью ˜1 мл/мин в течение более 10 сут. Выделившийся газ был идентифицирован как водород (по характеру горения).

Пример 2. К металлической навеске, содержащей магний и сплав магния с алюминием в соотношении 50%: 50%, массой 17 г добавляли порциями в виде капель жидкое натриевое стекло массой 17 г. Приготовление композиции, оценка равномерности распределения компонентов проводили согласно примеру 1. Стеклянную колбу объемом 250 мл с навеской термостатировали при 45°С. При этой температуре скорость выделения водорода составляет ˜2.5 мл/мин.

Пример 3. К металлической навеске, содержащей магний (36%) и алюминий (9%), добавляли жидкое натриевое кремниевое стекло (55%). Масса образца 50 г. Дальнейший эксперимент проводили так, как описано в примере 2. Выделение водорода протекает при 45°С в течение более 30 суток с постоянной скоростью (˜40 мл/сут).

Пример 4. К металлической навеске, содержащей магний и сплав магния с алюминием в соотношении 50%: 50%, массой 17 г добавляли жидкое натриевое стекло состава согласно примеру 1 массой 32 г. Приготовление композиции, оценка равномерности распределения компонентов проводили так, как описано в примере 1, затем стеклянную колбу объемом 250 мл с навеской термостатировали при 90°С. Начальная скорость выделения водорода составляет 60 мл/мин, затем скорость уменьшается до 10 мл/мин. При временах больше 40 мин скорость выделения составляет 1.5 мл/мин и остается постоянной в течение длительного времени.

Пример 5. К навеске алюминия массой 7 г добавляли 14 г 40-% водный раствор жидкого натриевого кремниевого стекла (метасиликата натрия). При комнатной температуре в течение первых 60 мин скорость выделения водорода составляла -1.5 мл/мин, затем скорость уменьшается до 0.3 мл/мин. Выделение водорода протекает в течение двух суток.

Пример 6. К металлической навеске, содержащей магний и сплав магния с алюминием в соотношении 50%: 50%, массой 3 г добавляли навеску медного купороса массой 3 г и 20 мл воды (дистиллята). Дальнейший эксперимент проводили так, как описано в примере 1. При комнатной температуре начальная скорость выделения водорода составляет - 20 мл/мин. Затем скорость образования водорода снижается до -10 мл/мин и остается постоянной в течение 24 ч.

Пример 7. К навеске магния массой 3 г добавляли навеску медного купороса массой 3 г и 40 мл воды (дистиллята). Дальнейший эксперимент проводили так, как описано в примере 1. При комнатной температуре начальная скорость выделения водорода составляет 20 мл/мин, со временем скорость постепенно уменьшается и в течение последующих 120 мин снижается до ˜2.5 мл/мин.

Пример 8. К металлической навеске, содержащей магний и сплав магния с алюминием в соотношении 50%: 50%, массой 3 г добавляли навеску сернокислого алюминия массой 3 г и 20 мл воды (дистиллята). Дальнейший эксперимент проводили так, как описано в примере 1. При комнатной температуре в течение первых 10 мин скорость выделения водорода составляет ˜20 мл/мин. В течение последующих 120 мин скорость образования водорода снижается до ˜2.5 мл/мин.

Пример 9. К навеске магния массой 3 г добавляли навеску сернокислого алюминия массой 3 г и 20 мл воды (дистиллята). Дальнейший эксперимент проводили так, как описано в примере 1. При комнатной температуре в течение первых 10 мин скорость выделения водорода составляет ˜30 мл/мин. В течение последующих 60 мин скорость образования водорода уменьшается до ˜4 мл/мин.

Источники информации

1. Н.Н Пономарев-Степной., А.Я.Столяревский. Атомно-водородная энергетика - пути развития. Энергия, 2004, №2, с.3-9.

2. Г.А.Месяц, М.Д.Прохоров. Водородная энергетика и топливные элементы. Вестник РАН, 2004, том 74, №7, с.579-597.

3. Л.И.Тунгусова, А.Л.Дмитриев, В.Г.Гришин, Н.С.Прохоров. Сравнительная оценка различных методов гидролизного получения водорода. Химическая промышленность, 2003, том 80, №9, с. 14-18.

4. Патент РФ №2223221.

5. Патент [ЕАВ] 2240. Бек Дж. Томас. Процесс получения водорода термическим разложением воды. Номер бюллетеня ЕАВ 20201.

Настоящее изобретение относится к области водородной энергетики. Водород получают путем обработки магния и/или алюминия или магния со сплавом магния с алюминием 40% водным раствором метасиликата натрия, или водным раствором сернокислого алюминия, или водным раствором медного купороса. Изобретение позволяет снизить энергозатраты и интенсифицировать процесс.

Способ получения водорода, отличающийся тем, что магний, и/или алюминий, или магний со сплавом магния с алюминием обрабатывают 40%-ным водным раствором метасиликата натрия, или водным раствором серно-кислого алюминия, или водным раствором медного купороса.