ГИДРОРЕАКЦИОННАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА
HYDRO-REACTION COMPOSITION FOR PRODUCING HYDROGEN

Изобретение относится к области водородной энергетики, а именно к разработке состава композиции для получения водорода химическим разложением воды.
В настоящее время большую часть водорода получают паровой конверсией метана в присутствии никелевых катализаторов при 800-900°C и повышенных давлениях, парциальным окислением углеводородов при температурах выше 1300°С, газификацией углей при температурах 900-1000°С [1]. Получение реального водородного газа по таким технологиям сопровождается выбросами в атмосферу больших количеств диоксида углерода, что представляет серьезную экологическую проблему. Кроме того, этот водород содержит примеси монооксида углерода, что предъявляет дополнительные требования к очистке водорода при использовании его в водород-кислородных топливных элементах с платиновыми катализаторами [2]. Кроме того, разработанные технологии получения водорода, например метод паровой конверсии любого углеводородного сырья, плохо адаптируются на установках малой производительности для децентрализованного производства водорода - на заправочных станциях, автономных и резервных энергосистемах и др.
Для исключения образования оксидов углерода необходимо, чтобы процесс образования водорода протекал без использования углеродсодержащего сырья [3]. Поэтому для создания экологического производства водорода, отвечающего принципам «зеленой» химии, и получения чистого водорода без примесей оксидов углерода необходимо использовать такие неорганические реагенты, продукты химических реакций которых отвечают этим требованиям.
Наиболее перспективным сырьем для получения водорода является вода, продуктом использования водорода в энергосистемах также является вода. Элементы энерготехнологической цепи, включающей производство водорода из воды, его хранение, транспортировку и потребление, не оказывают вредного воздействия на окружающую среду, связанного с выбросами парниковых газов [4]. Поэтому одна из приоритетных задач водородной энергетики - это поиск эффективных методов получения водорода из воды. Однако используемые и предлагаемые способы получения водорода из воды (термический, электролитический, термохимический, термоэлектрохимический, каталитический, фотохимический, реакторный и др.) являются высоко энергозатратными и дорогостоящими. Поэтому необходим поиск энергосберегающих способов получения водорода, при получении водорода не должен образовываться углекислый газ, а получаемый водород не должен содержать примеси оксидов углерода. Для производства конкурентоспособного водородного топлива в качестве химических реагентов должно использоваться широко производимое промышленностью и относительно недорогое неорганическое сырье. Кроме того, применение таких реагентов должно обеспечить экологически чистое производство водородного топлива.
В качестве прототипа данной заявки нами выбран способ получения водорода с применением гетерогенных гидрореакционных композиций, содержащих порошок магния и/или смесь порошков магния и алюминия, сплавы магния с алюминием, оксиды кобальта и водные растворы хлорида натрия [US 3932600, опубл. 13.01.1976]. Недостатками этого способа являются сложный состав композиции, необходимость использования дорогостоящих оксидов кобальта и обязательного включения в состав наполнителя, очень высокая скорость выделения водорода.
Целью настоящего изобретения является создание простой по своему составу гетерогенной гидрореакционной композиции на основе доступных и относительно недорогих реагентов. Такая композиция в качестве твердой фазы содержит микродисперсные порошки алюминия, а в качестве жидкой фазы - жидкое натриевое кремниевое стекло или его водные растворы.
Путем изменения соотношения твердой и жидкой фаз, силикатного модуля жидкого натриевого кремниевого стекла, использования водных растворов жидкого стекла можно в широких пределах изменять выход водорода и тем самым управлять процессом генерации водорода. Установлено: 1 - выход водорода увеличивается при снижении силикатного модуля жидкого натриевого кремниевого стекла; 2 - выход водорода многократно возрастает, если в составе композиции увеличивается содержание жидкого стекла по отношению к алюминию; 3 - выход водорода возрастает еще в большей степени (до ~8 раз), если в качестве жидкой фазы применять водные растворы жидкого стекла.
2
Применение в таких водородгенерирующих композициях только порошка алюминия и коллоидных растворов кремниевых солей полностью исключает возможность образования в качестве продуктов реакции примесей оксидов углерода. Проведенные методом газовой хроматографии измерения состава продуктов показали, что генерируемый гидрореакционными композициями газообразный продукт является чистым водородом, без примесей моно- и диоксида углерода. Поэтому использование таких гидрореакционных композиций для производства водорода решает экологически важную проблему - защиту атмосферы от загрязнения парниковым газом СО. Отсутствие в генерируемом водороде монооксида углерода позволяет применять его без специальной очистки в топливных элементах.
Проведенные оценки показали, что выход водорода составляет 80-90% от максимального теоретического выхода на единицу массы алюминия. Производство водородного топлива с использованием алюминия и жидкого стекла является конкурентоспособным, например, по отношению к методу получения пароводородной смеси в реакции окисления алюминия водяным паром при высоких температурах и высоком давлении [5].
Ниже приведены примеры, иллюстрирующие получение водорода в зависимости от силикатного модуля жидкого стекла, соотношения алюминия и жидкого стекла и степени разбавления жидкого стекла водой в гидрореакционной композиции.
Пример 1. Приготавливается гетерогенная гидрореакционная композиция массой 5 г из микродисперсного порошка (пудра) алюминия 30 мас.% и жидкого стекла 70 мас.% с силикатным модулем 3.2. В изобарно-изотермических условиях (нормальное давление, температура 60°С) за 120 мин выделяется ~0.13 л водорода.
Пример 2. Приготавливается гетерогенная гидрореакционная композиция массой 5 г из микродисперсного порошка (пудра) алюминия 30 мас.% и жидкого стекла 70 мас.% с силикатным модулем 2.56. В изобарно-изотермических условиях (нормальное давление, температура 60°С) за 120 мин выделяется ~0.3 л водорода.
Пример 3. Приготавливается гетерогенная гидрореакционная композиция массой 11 г из микродисперсного порошка (пудра) алюминия 25 мас.% и жидкого стекла 75 мас.% с силикатным модулем 2.56. В изобарно-изотермических условиях (нормальное давление, температура 60°С) за 120 мин выделяется ~0.9 л водорода.
Пример 4. Приготавливается гетерогенная гидрореакционная композиция массой 14 г из микродисперсного порошка (пудра) алюминия 20 мас.% и жидкого стекла 80 мас.% с силикатным модулем 2.56. В изобарно-изотермических условиях (нормальное давление, температура 60°С) за 120 мин выделяется ~1.2 л водорода.
Пример 5. Приготавливается гетерогенная гидрореакционная композиция массой 16 г из микродисперсного порошка (пудра) алюминия 15 мас.% и жидкого стекла 70 мас.% с силикатным модулем 2.56, к которой добавляется 15 мас.% дистиллированной воды. В изобарно-изотермических условиях (нормальное давление, температура 60°С) за 120 мин выделяется ~1.7 л водорода.
Пример 6. Приготавливается гетерогенная гидрореакционная композиция массой 17 г из микродисперсного порошка (пудра) алюминия 12 мас.% и жидкого стекла 68 мас.% с силикатным модулем 2.56, к которой добавляется 20 мас.% дистиллированной воды. В изобарно-изотермических условиях (нормальное давление, температура 60°С) за 120 мин выделяется ~2.3 л водорода.
Пример 7. Приготавливается гетерогенная гидрореакционная композиция массой 19 г из микродисперсного порошка (пудра) алюминия 10 мас.% и жидкого стекла 65 мас.% с силикатным модулем 2.56, к которой добавляется 25 мас.% дистиллированной воды. В изобарно-изотермических условиях (нормальное давление, температура 60°С) за 120 мин выделяется ~2.4 л водорода.
Литература
1. Б.П.Тарасов, М.В.Потоцкий. Водородная энергетика: прошлое, настоящее, виды на будущее. Рос. хим. ж., 2006, т.L, №6, с.5-18.
2. А.Ю.Цивадзе, М.Р.Тарасевич, В.Н.Андреев, В.А.Богдановская. Перспективы создания низкотемпературных топливных элементов, не содержащих платину. Рос. хим. ж., 2006, т.L, №6, с.109-114.
3. Дж. Огден. Большие надежды. В мире науки. 2007, №1, с.68-75.
4. С.Пакала, Р. Соколов. Секторы газа. В мире науки. 2007, №1, с.21-27.
5. А.Е.Шейндлин, А.З.Жук. Концепция алюмоводородной энергетики. Рос. хим. ж., 2006, т.L, №6, с.105-108.