Способы получения атомарного водорода

Способ получения и хранения атомарного водорода

Владельцы патента RU 2570436:

Изобретение относится к области химии и водородной энергетики и может быть использовано в энергетике и транспортном машиностроении. Способ получения и хранения атомарного водорода включает электролиз воды с использованием в электролизной ячейке медного анода и катода из сплава дюральалюминия, периодически активируемого электрическим током, воздействие на полученный водород магнитным полем с амплитудой магнитной индукции в диапазоне от 100 до 120 гаусс и пропускание атомарного водорода через нанодисперсный углерод, содержащий углеродные нанотрубки. Изобретение позволяет увеличить срок хранения атомарного водорода, а также повысить топливную эффективность и экологичность получения и хранения водорода. 1 ил.

Изобретение относится к способам получения водорода и может быть использовано в водородной энергетике для получения, хранения и транспортировки водорода.

В настоящее время для промышленного получения водорода успешно используются такие технологические процессы, как конверсия метана, электролиз воды, паровая газификация угля, термохимическое разложение воды и др. Масштабное внедрение известных технологий в водородную энергетику требует комплексного решения проблем энергоэффективности, экологичности и безопасности получения, хранения и транспортировки водорода.

Теплотворная способность топлив, в частности водорода, хорошо известна и определяется запасенной в них химической энергией. Повысить теплотворную способность топлива возможно, если удается применять в качестве горючих и окислителей обычные химические элементы, но находящиеся не в молекулярной, а атомарной форме. В этом случае, например, для водорода тепловой эффект топлива возрастает с 3210 ккал/кг до 8960 ккал/кг. Если же сжечь атомарный водород с атомарным кислородом, то тепловой эффект составит уже 12200 ккал/кг. Эффект экзотермической реакции рекомбинации атомарного водорода в молекулярный также может быть использован при организации технологических процессов, однако это не может быть осуществлено до тех пор, пока не будет найден эффективный способ консервации водорода в атомарном состоянии.

Известен способ сорбции и хранения гелия или водорода (патент RU 2377176, МПК С01В 3/00 F17C 11/00, 22.08.2008), включающий получение водорода, использование микроконтейнеров для хранения водорода и введение в них водорода под давлением.

Недостатком известного способа является незначительная сорбционная способность алюмосиликатных микросфер и непригодность их для использования в качестве топлива.

Известен способ получения водорода (патент RU 2418738, МПК С01В 3/08, 17.09.2009), основанный на получении водорода при электровзрыве металлического проводника и взаимодействии продуктов испарения металлического проводника с молекулами воды при высоком давлении в магнитном поле.

Недостатком известного способа является низкая энергоэффективность получения водорода.

Наиболее близким из известных технических решений к предлагаемому способу получения и хранения атомарного водорода является принятый за прототип способ получения водорода (патент RU 2438966, МПК С01В 3/00, С25В 1/04, 06.04.2009), включающий электролиз воды с использованием в качестве анода медной пластины, а в качестве катода — сплава дюральалюминия, периодически активируемого электрическим током.

Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности консервации атомарного водорода для длительного хранения.

Задачей заявленного изобретения является получение и консервация атомарного водорода.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в увеличении продолжительности хранения атомарного водорода для его последующего использования.

Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что в способе получения и хранения атомарного водорода, включающем электролиз воды с использованием в электролизной ячейке медного анода и катода из сплава дюральалюминия, периодически активируемого электрическим током, воздействуют на полученный водород магнитным полем с амплитудой магнитной индукции В в диапазоне от 100 до 120 гаусс и пропускают атомарный водород через нанодисперсный углерод, содержащий углеродные нанотрубки.

Схема устройства для реализации предлагаемого способа получения и хранения атомарного водорода показана на чертеже.

Устройство содержит корпус 1 электролизера 2 с электролитом 3, медным анодом 4 и катодом 5 из дюральалюминия (сплава Д16). Источник 6 тока в электролизере 2 снабжен блоком 7 активации процесса выделения водорода. Электролизер 2 имеет оборудование 8 подачи дюральалюминия, приемник 9 водорода и сборник 10 оксида алюминия (Al₂O₃). Устройство содержит также трубопровод 11, электромагнит 12, блок управления 13 магнитной индукцией, аккумулятор атомарного водорода 14 с углеродными нанотрубками и регулятор давления 15.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Водород получают при разложении воды в электролизере 2 с использованием в качестве анода 4 медной и катода 5 дюральалюминиевой пластин, периодически активируемого электрическим током источника 6 с блоком активации 7. Далее воздействуют на полученный водород магнитным полем с амплитудой магнитной индукции В в диапазоне от 100 до 120 гаусс, создаваемым электромагнитом 12 и блоком управления магнитной индукцией 13 и пропускают его через нанодисперсный углерод с углеродными нанотрубками аккумулятора атомарного водорода 14 и аккумулируют внутри углеродных нанотрубок.

Следует отметить, что побочным продуктом получения водорода по данной технологии является востребованный экономикой мелкодисперсный порошок оксида алюминия Al₂O₃, цена на который даже выше, чем на дюральалюминий (сплав Д16), и оценки показывают, что заявленный способ получения и хранения атомарного водорода имеет высокую топливную эффективность и экологичность

Способ получения атомарного водорода, включающий электролиз воды с использованием в электролизной ячейке медного анода и катода из дюральалюминия (сплава Д16), периодически активируемого электрическим током, отличающийся тем, что воздействуют на полученный водород магнитным полем с амплитудой магнитной индукции B в диапазоне от 100 до 120 гаусс и пропускают атомарный водород через нанодисперсный углерод, содержащий углеродные нанотрубки.

Источник

Атомарный водород

При высокой температуре молекулы водорода диссоциируют на атомы:

Вследствие большой прочности и высокой энергии диссоциации (436 кДж/моль) распад молекул водорода на атомы происходит в заметной степени лишь при 2000 °C степень диссоциации 0,1%. Осуществить эту реакцию можно, например, раскаляя током вольфрамовую проволоку в атмосфере сильно разреженного водорода. Реакция обратима, и чем выше температура, тем сильнее равновесие сдвинуто вправо. Так, при 2500 °C степень диссоциации водорода 0,13%, при 3000 °C 9%, при 4000 °C 62,5%, а при 5000 °C 94,7% (при давлении 101325 Па).

Атомарный водород можно получить не только термической диссоциацией молекулярного водорода или при химических реакциях, но также и действием тихого (тлеющего) электрического разряда или ультрафиолетового излучения на молекулярный водород, находящийся под давлением около 70 Па.

Атомарный водород существует около 1 секунды. Сравнительная устойчивость атомарного водорода обусловлена тем, что двойные столкновения атомов водорода не приводят к образованию молекул водорода, т.к. возникают неустойчивые частицы, имеющие избыточную энергию. Эти частицы мгновенно распадаются вновь с образованием атомов водорода. Для образования молекул водорода необходимо столкновение трех атомов водорода (или столкновение со стенкой сосуда, примесями), чтобы выделяющаяся при образовании водорода энергия была сообщена в виде кинетической энергии третьему атому или молекуле (т.н. тройное соударение), который уходит из сферы реакции. Поэтому атомы водорода обычно претерпевают миллионы столкновений прежде, чем образуют устойчивую молекулу. Практически промежуток времени, в течение которого половинное число атомов соединиться в молекулы составляет, примерно, 1/3 сек.

При разложении водорода на атомы поглощается большое количество теплоты:

H₂(г) = 2H(г) ΔH = 436 кДж/моль

Отсюда понятно, что атомы водорода должны быть гораздо активнее его молекул. Чтобы молекулярный водород вступил в какую-либо реакцию, молекулы должный распасться на атомы, для чего необходимо затратить большое количество энергии. При реакциях же атомарного водорода такой затраты энергии не требуется. См. химические свойства водорода.

Источник

Атомарный водород

Атомарный водород это

Если к раствору хлорного железа FеCl₃ прибавить соляной кислоты и бросить в раствор кусочек цинка, то выделяющийся атомарный водород быстро превращает хлорное железо в хлористое FeCl₂, о чем можно судить по переходу желтой окраски раствора в зеленую, свойственную хлористому железу:

При пропускании через раствор FeCl₃ газообразного водорода, например из газометра, эта реакция не происходит. Можно предположить, что специфическая активность, проявляемая водородом в данном случае, обусловлена тем, что водород реагирует с хлорным железом «в момент выделения» из химического соединения, когда его атомы еще не успели соединиться в молекулы.

Это предположение, высказанное еще в прошлом столетии, косвенно подтвердилось, когда удалось получить в свободном состоянии так называемый атомарный водород, т. е. водород, состоящий не из молекул Н₂, а из отдельных атомов, и изучить его реакционную способность.

При высокой температуре молекулы водорода диссоциируют на атомы:

Осуществить эту реакцию можно, например, накаливая током вольфрамовую проволочку в атмосфере сильно разреженного водорода. Реакция обратима, и чем выше температура, тем сильнее равновесие сдвинуто вправо. При 2000° количество диссоциировавших молекул составляет еще только 0,1%, при 3000° — 9%, при 4000° — 62,5%, при 5000° — 94,7%, т. е. диссоциация является почти полной.

Атомарный водород получается также при действии тихого электрического разряда на обыкновенный водород, находящийся под давлением около 0,5 мм. Образующиеся в этих условиях атомы водорода не сразу соединяются обратно в молекулы, что дает возможность изучить их химические свойства. Атомарный водород уже при обыкновенной температуре восстанавливает многие окислы металлов, непосредственно соединяется с серой, азотом и фосфором; с кислородом он образует перекись водорода.

При разложении водорода на атомы поглощается большое количество тепла, составляющее 105 ккал на 1 граммолекулу:

Отсюда понятно, что атомы водорода должны быть гораздо активнее, чем его молекулы. Чтобы обыкновенный водород вступил в какую-либо реакцию, его молекулы должны сперва распасться на атомы, для чего необходимо затратить большое количество энергии. При реакциях же атомарного водорода такой затраты энергии не требуется.

Тепло, затрачиваемое на разложение молекул водорода на атомы, выделяется обратно, когда эти атомы соединяются в молекулы.

На этом принципе основано устройство горелок, работающих на атомарном водороде (рис. 59). Струя водорода из баллона проходит через электрическую дугу, образующуюся между двумя вольфрамовыми электродами. При этом молекулы водорода распадаются на атомы, которые снова соединяются в молекулы на небольшом расстоянии от дуги, образуя очень горячее пламя. Высокая температура пламени обусловливается в данном случае не горением водорода, а образованием его молекул из атомов. Этот процесс особенно быстро протекает на поверхности различных металлов, которые таким путем могут быть нагреты до температуры выше 4000°. В пламени атомарного водорода легко плавятся все металлы, даже самый тугоплавкий из них —вольфрам (темп. пл. 3380°). Так как атомарный водород, кроме того, обладает сильной восстановительной способностью, то пламя его особенно пригодно для сварки металлов, подверженных окислению.

Вы читаете, статья на тему Атомарный водород

Похожие страницы:

Понравилась статья поделись ей

Источник

Устройство для получения атомарного водорода

Номер патента: 5263

Скачать PDF файл.

Формула / Реферат

1. Устройство для получения атомарного водорода, отличающееся тем, что оно содержит высоковольтный источник питания и электрод, который выполнен в виде иглы и подключен к высоковольтному источнику питания.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно содержит второй электрод, который заземлен.

Текст

1 Изобретение относится к электрическим способам получения водорода и может быть использовано в химической, нефтехимической,металлургической отраслях промышленности и в энергетике. Известно получение атомарного водорода при пропускании тихих электроразрядов через молекулярный водород под давлением 13,3-66,5 Па. В качестве источника атомарного водорода используют также вещества, отщепляющие при их облучении атомы водорода. Например, при облучении ультрафиолетовым светом йодистого водорода происходит реакция с образованием атомарного водорода(Гамбург Д.Ю., Семенов В.П., Дубовкин Н.Ф.,Смирнова Л.Н. Водород, свойства, получение,хранение, транспортирование, применение. — М.,Химия, 1989, с. 86). Данный процесс получения атомарного водорода характеризуется сложностью осуществления, так как требует создания разреженной атмосферы. Известно устройство для получения атомарного водорода, содержащее герметичный корпус, в котором размещена платиновая, палладиевая или вольфрамовая проволока. С помощью указанного устройства методом термической диссоциации получают атомарный водород из молекулярного водорода на платиновой,палладиевой или вольфрамовой проволоке, нагретой в атмосфере водорода при давлении менее 1,33 Па. Диссоциации водорода на атомы можно достигнуть и при использовании радиоактивных веществ. Термическая диссоциация водорода — это автокаталитическая реакция, протекающая по схеме Н 2+АН+Н+А где А — какая-либо частица, атом или молекула. Атомарный водород образуется также в результате сенсибилизированных реакций, реагенты которых при добавлении светопоглощающего вещества становятся чувствительными к излучению в спектральной области этого вещества. Известно устройство для получения атомарного водорода, содержащее реактор и ртутную кварцевую лампу. В водород или его смесь с другим газом, например с азотом или парами воды, вводят пары ртути и далее эту смесь подвергают облучению ртутной кварцевой лампой. В результате поглощения атомами ртути излучения, соответствующего резонансной линии 253710-8 см, в смеси образуются возбужденные атомы ртути Hgx(3P1), которые, взаимодействуя с молекулой водорода, расщепляют еe на атомы: 2 Данное устройство характеризуется сложностью, так как предусматривает наличие герметичного реактора и необходимость использования паров ртути, которые очень токсичны. Все известные устройства и процессы для получения атомарного водорода должны проводиться с использованием дорогостоящих компонентов, таких как платиновая или палладиевая проволока, в разреженной атмосфере, или с обязательным применением ультрафиолетового излучения с добавлением реагентов, или с использованием радиоактивных веществ или токсичных веществ. Задачей изобретения является разработка доступного и безопасного устройства для получения атомарного водорода. Технический результат изобретения — расширение арсенала средств для получения атомарного водорода, исключение использования реагентов и упрощение устройства — достигается тем, что устройство для получения атомарного водорода согласно изобретению содержит высоковольтный источник питания и электрод,который выполнен в виде иглы и подключен к высоковольтному источнику питания. Устройство содержит второй электрод, который заземлен. Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема устройства с двумя электродами; на фиг. 2 — схема устройства с одним электродом. Устройство для получения атомарного водорода содержит высоковольтный источник питания 1 и электрод 2, который выполнен в виде иглы и подключен к высоковольтному источнику питания. При использовании устройства с одним электродом в виде иглы его подключают к однополярному высоковольтному источнику, например статическому генератору Ван-де-Граафа. Устройство в соответствии со вторым вариантом конструкции содержит высоковольтный источник питания 1 и два электрода, один из которых 2 выполнен в виде иглы и подключен к высоковольтному источнику питания, а второй электрод 3 заземлен. Атомарный водород получают следующим образом. Пример 1. Атомарный водород получают с помощью электрода 2 в виде иглы, подключенного к отрицательному полюсу высоковольтного источника питания 1, и электрода 3, который образован потоком воды, стекающей из заземленной емкости. На электрод 2 подают напряжение 10 кВ. При этом происходит выделение атомарного водорода в результате разложения воды. Процесс идет по следующей схеме:H2O=OH-+H+ Не-=Н Пример 2. Для получения атомарного водорода электрод 2 в виде иглы подключают к отрицатель 3 ному полюсу источника тока 1, другой электрод 3, выполненный из металла, заземляют. На электрод в виде иглы подают напряжение 3000 кВ. При подаче напряжения на указанный электрод происходит выделение атомарного водорода из воздуха. Пример 3. На электрод 2 подают напряжение 1500 кВ от высоковольтного источника питания 1, которым служит генератор Ван-де-Граафа. Процесс осуществляется при наличии только одного электрода 2. При этом происходит выделение атомарного водорода в результате разложения водородсодержащих соединений, находящихся в воздухе, в том числе паров воды. Потенциал электрода в виде иглы может быть как положительным (дефицит электронов) так и отрицательным (избыток электронов). Величина потенциала может быть постоянной или переменной. Факторами, приводящими к разложению воды и других водородсодержащих соединений и выделению атомарного водорода,являются высокая напряженность электрического поля вокруг острия иглы электрода 2; высокий градиент напряженности электрического поля у острия; насыщение электронами области вокруг острия вследствие их автоэлектронной эмиссии из материала иглы, или вследствие контактной передачи их молекулам воды, воздуха или частицам аэрозоля, окружающим иглу при соударении с острием при отрицательном потенциале иглы; обеднение этой области электронами вследствие аналогичных процессов при положительном ее потенциале. Процессами, происходящими в окружающей острие иглы среде, в частности, являются униполярная ионизация молекул и частиц аэрозолей; их поляризация и возникновение вследствие этого силы, действующей на них и приводящей их в движение; направленное движение частиц среды при обретении ими высоких энергий от действующих на них сил; разрыв и коагуляция частиц аэрозолей; диссоциация молекул на составляющие их части; активация химических реакций вследствие высокой энергии молекул при их столкновении; электромагнитное излучение ионов, движущихся с ускорением; электромагнитное излучение вследствие столкновения молекул. Полученный атомарный водород может быть использован для очистки газов, для восстановления различных химических компонентов, а также может быть направлен на хранение. Для хранения и стабилизации используют так называемый матрично-изолированный способ хранения свободных атомов водорода. Атомы водорода захватываются инертным твердым телом, находящимся при криогенной темпера 4 туре. Для этого атомный водород, полученный в газообразном состоянии, необходимо быстро сконденсировать и захватить вмораживанием в узлы или межузловые места криогенной инертной кристаллической решетки. Свободные атомы водорода можно также сохранять локальным методом, при котором диссоциация молекулы водорода происходит исключительно в заранее приготовленной матрице. Чтобы избежать рекомбинации атомного водорода, его необходимо стабилизировать. Стабилизация достигается при очень низких температурах (0,1-0,5 К) и очень сильных магнитных полях (5-10 Т), которые могут создаваться сверхпроводящими магнитами. При рекомбинации атомарного водорода по уравнению 2 НH2+22105 кДж/кг выделяется тепла в 17 раз больше, чем при сжигании молекулярного водорода по уравнению 4 2H2+О 22 Н 2 О+1,310 кДж/кг. Это открывает возможности использования атомарного водорода в качестве однокомпонентного горючего. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Устройство для получения атомарного водорода, отличающееся тем, что оно содержит высоковольтный источник питания и электрод,который выполнен в виде иглы и подключен к высоковольтному источнику питания. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем,что оно содержит второй электрод, который заземлен.

МПК / Метки

Код ссылки

Способ получения водорода для восстановления химических элементов

Номер патента: 5194

Способ получения водорода для восстановления химических элементов, включающий электрохимическое разложение воды при подаче разности потенциалов на электроды, отличающийся тем, что один из электродов состоит из основания, снабженного иглами, а другим электродом служит поток воды, при этом на один из электродов подают напряжение 10-3000 кВ, а другой электрод заземляют.

Способ получения водного раствора перекиси водорода непосредственно из водорода и кислорода и устройство для его осуществления

Номер патента: 3368

1. Способ получения водного раствора перекиси водорода в реакторе с перемешиванием непосредственно из водорода и кислорода, отличающийся тем, что водород и кислород вводят в виде пузырьков в нижнюю часть водной реакционной среды, кислой за счет добавления минеральной кислоты и содержащей диспергированный катализатор, водород и кислород, с такими расходами, чтобы отношение молярного расхода водорода к молярному расходу кислорода превышало 0,0416.

Устройство и способ получения пероксида водорода

Номер патента: 3039

1. Устройство, включающее цилиндрический вертикальный смесевой реактор, снабженный устройством впрыскивания газовых реагентов на дне, устройством отвода газа наверху и, при необходимости, рассекателями и/или теплообменником, отличающееся тем, что реактор снабжен радиально осевыми турбинами, расположенными предпочтительно регулярно вдоль одного вертикального перемешивающего вала. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что высота реактора.

Способ получения водорода и тепловой энергии

Номер патента: 4121

1. Способ получения водорода и тепловой энергии, включающий приготовление композиции на основе активации алюминия и последующий контакт композиции с водой, отличающийся тем, что в нем активацию ведут на текстурированном алюминии, полученном из алюминиевой фольги, свернутой в рулон и подвергнутой воздействию ударного молота перпендикулярно текстуре при нагреве, или на алюминии, полученном путем прессования частиц диспергированного алюминия.

Металлический катализатор на подложке, способ его получения и способ прямого получения пероксида водорода

Номер патента: 4475

1. Способ получения катализатора на подложке на основе по крайней мере двух металлов из группы М, образованной палладием, платиной, рутением, родием, иридием, осмием, гольмием и золотом, включающий последовательно стадию пропитывания подложки раствором на основе одной или нескольких солей по крайней мере двух металлов из группы М, и стадию восстановления, отличающийся тем, что после стадии восстановления катализатор подвергают обработке водным.

Источник