Способ получения водорода

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 1791373 51)5 С 0 НИ И ОБР ВИДЕТЕЛ ЬСТВУ ТОРСКО(21) 4804515/26 ск гих,аеас ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(71) Украинский заочный политехниинсгитут им, И.З,Соколова(56)Авторское свидетельство СССРМ 126872; кл, С 01 В 3/08,1960. Изобретение относится к области неорганической химии и может найти применение на аэрологических станциях, в мет ллургической, автомобильной, микробио огической и других отраслях народного хоз йства, использующих водород.Известен способ получения водорода в рез льтате взаимодействия сплава ферросил ция с раствором едкого натра. Процесс про одится при атмосферном давлении и ком этной температуре, Недостатком данног способа является низкая скорость выдел ния-водорода и большой расход щел чи, приводящий к снижению экономичнос и процесса и необходимости нейтрализац и отходов,звестен также способ получения водород по реакции кремнистого сплава химсостава; 31 15-40; Ре 1-4%; Т 1-5%; Мп 0,5 - ,5%; Еп 0,5-1,0 А - остальное с 10 - 20;-ным раствором едкого натра, Способ осуществляется при атмосферном давлении и коМнатной температуре. Основным недостатком данного способа является высокая(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА (57) Изобретение относится к способам получения водорода и может найти применение на аэрологических станциях, в металлургической, автомобильной, микробиологической и других отраслях народного хозяйства, использующих водород. Сущность изобретения: на реакцию с водой или водно-щелочным раствором подают ферросилиций или активированный алюминий, который подвергают измельчению, а реакционную среду нагревают до 40 - 55 С и вакуумируют до 10 - 20 мм рт,ст. при соотношении вода-щелочь, равном 1;10 - 1;5, 5 табл. стоимость сплава (дорогостоящие добавки Мп, Еп, Т) и большой расход гидроксида натрия. Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ получения водорода в результате взаимодействия ферросилиция (с 5-15%-ной добавкой алюминиевого порошка марки АПВ) с водным раствором едкого натра,Получение водорода ведут в нормальных условиях 11. Недостатком данного способа является невысокая скорость выделения водорода,Целью изобретения является повышение скорости получения водорода.Поставленная цель достигается тем, что в способе получения водорода из ферросилиция или активированного алюминия и реакционного раствора, согласно изобретению, в качестве реакционного раствора используют воду или водно-щелочной раствор в соотношении сплав; реакционный раствор 1:10 - 1:5, при этом металлический сплав измельчают в реакционном растворе до раз5 10 15 20 25 30 35 40 50 55 мера частиц 90,02 - 0,1 мм, реакционную среду нагревают до 40 - 55 С и вакуумируют до 10 - 20 мм рт.ст,В ходе патентных исследований авторами не найден способ получения водорода с совокупностью признаков, указанных в формуле изобретения, Из литературных источников авторам не известно, чтобы иэмельчением ферросилиция или алюминия в воде получали водород, Измельчение - известный и очень распространенный процесс, однако, не известно, что при измельчении ферросилиция или алюминия в воде на поверхности кусочков сплава появляются пузырьки водорода. Это свойство является новым. Авторы полагают что одно измельчение сплава в воде не обеспечивает максимальную скорость получения водорода и возможно полное использование сплава из-за того, что образующиеся пузырьки водорода исчезают через некоторое время (1 - 2 мин), растворяясь в сплаве, поэтому необходимо было создать условия для их отделения и выделения водорода, Для этого нами было предложено одновременно с измельчением проводить нагрев и вакуумирование реакционной массы. Все это проводилось для того, чтобы выделить пузырьки водорода из реакционной массы, т.е. получить водород, Это свойство сохраняется, как показали экспериментальные исследования, и для получения водорода в воднощелочной среде, Авторами были отработаны режимные показатели, которые обеспечивают максимальную скорость получения водорода и более полное использование ферросилиция и алюминия. Таким образом, совокупность отличительных признаков при влиянии их друг на друга и взаимодействие обеспечивает появление нового свойства, которое приводит к дости-жению цели, и, следовательно, заявляемый способ соответствует критерию "существенные отличия", Режимные показатели заявляемого способа получения водорода обоснованы и доказаны в примерах конкретного выполнения, .Способ осуществляется следующим образом.В реакционный аппарат емкостью 10 л загружают сплав ферросицилия или активированный алюминий и реакционный раствор (воду или водно-щелочной раствор) в соотношении сплав = 1:10 - 15 ( в частности, 200 г сплава и 2,0 - 3,0 л реакционного раствора). Измельчают сплав непосредственно в жидкой фазе до размера частиц 0,02 - 0,1 мм. Реакционную массу нагревают до температуры 40 - 55"С и вакуумируют до 10-20 мм рт,ст. За 20 минут от начала реакции выделяется водород с полной подъемной силой до 5430 г,П р и м е р, В реакционный аппарат емкостью 10 л загружают ферросилиций в количестве 200 г и 20 л воды (массовое соотношение сплав:раствор = 1:10). Затем измельчают (дробящим устройством) сплав до размера частиц ф 0,1 мм. После чего реакционную массу нагревают до температуры 40 С и вакуумируют до 20 мм рт.ст. Выделение водорода продолжается в течение 15 минут, о чем говорит значение электродного потенциала - через 15 минут величина электродного потенциала достигает постоянного значения,Результаты экспериментальных исследований с применением режимных показателей в указанных пределах приведены в табл. 1, 2, 3, 4. В табл,1 приведено влияние измельчения на время реакции получения водорода - время, в течение которого электродный потенциал достигает постоянного значения. Измерение электродного потенциала (Е, мВ) проводят платиновым электродом в паре с хлорсеребряным.Из данных табл.1 видно, что в опытах с измельчением сплавов электродный потенциал быстрее достигает постоянного значения, т,е, время реакции получения водорода меньше. В частности. в опытах без измельчения постоянство электродного потенциала для ферросилиция в воде достигнуто через 50 - 55 мин и составляет -52 мВ, а для активированного алюминия -30 мВ, В опытах с измельчением сплавов постоянство электродного потенциала достигается через 14 минут у ферросилиция в воде ,Е = =89 мВ), а у активированного алюминия (Е ==133 мВ).При реакции с раствором щелочи время стабилизации электродного потенциала сокращается в два раза, Значение электродного потенциала при этом для ферросилиция составляет -45 мВ, а для алюминиевого сплава -95 м В.Анализ полученных данных свидетельствует о том, что время реакции с водой измельченного сплава в 3 - 4 раза меньше, а с раствором МаОН в 7-8 раз меньше. чем в случае получения водорода без измельче. ния сплава, Также выполнены экспериментальные исследования с помощью микроскопа МУФ - б, позволяющие визуально зафиксировать влияние измельчения и температуры реакционной среды на процесс выделения водорода. Для этого оп. ределялось количество выделяющихся пузырьков со свежих изломов и граней сплава. Результаты приведены в табл.2. 3,Анализ табл.2 показывает, что оптимальным размером частицы при измельчении сплава является размер в пределах; ф= 0,02 - 0,1 мм. Уменьшение диаметра частицы менее 0,02 мм недопустимо из-за по вышенных материальных затрат на более тонкое измельчение. Увеличение диаметра частиц более 0,1 мм нецелесообразновследствие снижения полноты использованя сплавов, 10В табл.З приведены результаты измененця скорости получения водорода в зависимости от температуры реакционной среды,Анализ табл,З показывает, что при ком натной температуре без измельчения сплава образование пузырьков не наблюдалось. Измельчение сплава уже при комнатной температуре способствует образованию и узы ьков водорода, Оптимальным жетемпе ра урным интервалом получения водорода является температура 40 - 55 С, Понижений температуры менее 40 С приводит к умонвшению скорости выделения водорода повышение более 55 С сопровождается 25о ув личением энергетических затрат.В таблице 4 представлены экспериментальные данные по влиянию соотношения сплав: реакционный раствор и глубины вакумирования на скорость получения водо роа.Анализ табл,4 показывает, что умен ьшени количества реакционного раствора мене чем 10 частей по отношению к сплаву не об спечит полноты взаимодействия сплава, ув личение более 15 частей нецелесообраз но из-за сокращения скорости реакции получения водорода.Углубление вакуумирования ниже 10 мм рт,т. нецелесообразно из-за увеличения материальных затрат; вакуумирование вы ше 20 мм рт,ст, приводит к снижению скоро ти получения водорода.Сравнительные данные по исследованиф кинетики выделения водорода в заявЛяемом способе (ферросилиций с 45 из ельчением) и прототипе (ферросилиций в р створе щелочи без измельчения) предста лены в табл.5.50 Диаметр частиц сплавов - 0,1 мм, Вакуумирование - 20 мм рт.ст, В прототипе диаметр частиц более 1,0 см, Давление в реакторе нормальное(в начале реакции) - то есть процесс без вакуумирования.Данные табл.5 показывают, что использование предлагаемого способа вместо прототипа обеспечивает следующее преимущество:- Позволяет увеличить скорость выделения водорода примерно в 3 раза,- В случае невозможности организации процесса нейтрализации продуктов реакции, дает воэможность отказаться от применения агрессивных растворов щелочей, Так как скорость выделения Н 2 в растворе ИаОН для прототипа ниже, чем скорость выделения водорода в воде для заявляемого способа.- Рассматривая под микроскопом продукты реакции предварительно измельченных сплавов, можно установить отсутствие переизрасходованных кусочков металла и выделяющихся пузырьков водорода, то есть полное использование сплава.- В тоже время отходы, полученные без измельчения сплавов. прореагировавших в щелочных растворах, до месяца выделяют водород, В соответствии со СНиП П - 32 - 74 такие отходы нельзя сбрасывать в канализацию и их также нельзя сбрасывать в канализацию и их также нельзя вывозить на свалку, В этом отношении метод измельчения имеет большие преимущества, т,е. предлагаемый способ экологически более чистый,Формула изобретения Способ получения водорода, включающий разложение воды в присутствии щелочи и ферросилиция или активированного алюминия, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что. с целью увеличения скорости процесса. на разложение подают воду и щелочь, взятые в массовом соотношении (сплав: раствор, равном 1:10 - 1:5 соответственно, ферросилиций или алюминий измельчают в реакционном растворе до размера частиц 0,02-0,1 мм, при этом реакционную среду нагревают до 40 - 55 С и вакуумируют до 10-20 мм рт.ст.1791373 Таблица 1 Результаты измерения электродного потенциала Е (мВ) для ферросилиция и активиро ванного алюминия до и после измельченияЭлектродный потенциал, Е (мВ) у взвеси ферросилиция в воде или водно - Шапочном раствореЭлектродный потенциал, Е (мВ) увзвеси активированного алюминия вво е или водно - елочном аство е Время, мин после измельчения после измельчения до измельчения в водо измельчения в во- де в воднощелочном аство е в воде10 1791373 Продолжение табл, 1 Электродный потенциал, взвеси активированного ал во е или во но - елочном Вр сле из до измель- п чения в во- вде до измелчения в вде после измельчения вод в воднолочнам ство е 4-49 -51 -52 89 89 4 аблица 2 ь получения водорода Раз тиц р час- Количество выделяющегося водорода с час ф, мм мельчение сплава) или с одного скола (при за 1 сек ндрросилий без изльчения,с йаОН без ИаОН с йаО во- 5 0,01 0,02 0,04 Ь,об 4 4 5 -4 4 3 4-5 2-3 1 - 2 0 10 мя, мин Электродный потенциал, Е (мВ) увзвеси ферросилиция в воде или водно- елочном аство е-45 -45 -45 -45 -45 -45 -45 Влияние измельчения на с Актив ванн алюми без из чени водно л очном тво1791373 12 Таблица 3 Влияние температуры реакционной среды на скорость получения водорода Колйчество выделяющегося водорода с частицы сплава (если отсутствует измельчение сплава) или с одного скола (при измельчении сплава), ви зы ькахза 1 сек нд Температура взаимодействия сплава, СФерросилиций сизмельчением сМаОН Активированный алюминий без измельчения с водой (как в про- тотипе Активированный алюминий с измельчением с водойФерросилиций без измельчения с 1 чаОН (как в прототипе)1 - 2 1 - 2 1 - 2 2 - 3 1 - 21 - 21 - 22 - 3 Таблица 4 Влияние соотношения сплава к реакционному раствору и глубины вакуумирования на скорость получения водорода (температура реакционной массы: 50 С, размер частицы сплава: Я= 0,05 мм)Соотношение сплав: реакционный раствор (при вакуумировании 15 мм т,ст, Скорость выделения водорода, л/м, мин Вакуумирование, мм рт.ст. (при соотношениисплав: еак ионный аство -1;10 1:12 1:13 1:14 1:10 1:9 115 15 го г 1 Феооосилиций в водеФерросилиций в водно-щелочном растворе Активирован- ный алюминий в водно-щелочном р-реАктивированный алюминий в воде 87920 87910 87880 86990 16000 63100 87920 87000 87920 87910 87910 87890 129850 129810 129790 129700 36210 12969 99630 129845 129840 129850 129830 129805 127540 127420 127000 127630 25410 85600 122749 127630 127625 127630 127610 127590 78640 78590 78100 14200 78670 59900 78210 78665 78660 78670 78650 78610 Таблица 5 Скорость получения водорода в заявляемом способе и прототипе Время реакции, минСко ость вы еления водо ода л/м, мин т = 40 оСзаявляемый способ Т = 55" Сзаявляемый способ прототип и ототип в МаОН в МаОН в АМВОН в йаОН в воде вво е