Б.С. Сажин, В.В. Козляков, А.Х. Хайри, В.С. Терещук, А.С. Панфилов,...

УДК 66.074.36
Б.С. Сажин, В.В. Козляков, А.Х. Хайри, В.С. Терещук, А.С. Панфилов, В.Б. Сажин
Московский государственный текстильный университет им. А.Н. Косыгина, Москва, Россия
Московский государственный индустриальный университет, Москва, Россия
Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, Москва, Россия
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ
ИССЛЕДОВАНИЕ
ЗАВИСИМОСТИ
СКОРОСТИ ВЫДЕЛЕНИЯ ВОДОРОДА ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ
ЩЕЛОЧИ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ АЛЮМИНИЯ С ВОДНЫМ
РАСТВОРОМ ЩЕЛОЧИ
Rate of hydrogen in the interaction of aluminum with an aqueous alkali solution depends
on the molar ratio of aluminum and NaOH, and the concentration of alkali solution.
Скорость выделения водорода при взаимодействии алюминия с водным раствором
щелочи зависит как от мольных соотношений алюминия и NaOH, так и от концентрации
раствора щелочи.
С целью изучения зависимости скорости выделения водорода от концентрации были проведены эксперименты при трех концентрациях щелочи
равных 0,5, 1 и 2 моль/л и одинаковых мольных соотношениях алюминия и
NaOH (Al:NaOH=1:1 и Al:NaOH=1:2) [1-4]. В опытах использовали алюминиевую фольгу толщиной 20 мкм и площадью поверхности 200 см2. Скорость выделения водорода при мольных соотношениях Al:NaOH=1:1 и концентрации раствора щелочи 0,5 моль/л , достигнув максимального значения
0,35 л/м2·мин к 6 минуте, начиная с 44 минуты медленно уменьшается (рис.
1).
Рис. 1. Скорость выделения водорода. Al=0,53 г (фольга), NaOH=0,8 г при T=21°С и
S=200 см2, Al:NaOH=1:1 (0,02:0,02М); СNaOH=0,5 моль/л, Vр-ра = 40 мл
К этому моменту расход NaOH составил 42%. Площадь поверхности
алюминия в течение опыта практически не изменялась, а изменялась только
108
толщина, изменение которой не влияет на изменение скорости выделения
водорода, то есть скорость газовыделения зависит только от концентрации
щелочи. К концу опыта (116 минута) израсходовалось 88 % NaOH, то есть с
течением времени концентрация щелочи уменьшается, следовательно,
уменьшается и скорость газовыделения.
Рис. 2. Скорость выделения водорода. Al=0,53 г (фольга), NaOH=0,8 г при T=21°С и
S=200 см2, Al:NaOH=1:1 (0,02:0,02М); СNaOH=1 моль/л, Vр-ра = 20 мл
В опыте с концентрацией 1 моль/л максимальная скорость выделения
водорода достигается к 7 минуте – 0,65 л/м2·мин и сохраняется до 20 минуты
и медленно уменьшается до конца опыта (60 минута). К 30 минуте израсходовалось 50 % NaOH. К моменту (60 минута) завершения опыта площадь
поверхности алюминия также практически не изменилась, а расход NaOH
составил 90% (рис.2).
Рис. 3. Скорость выделения водорода. Al=0,53 г (фольга), NaOH=1,6 г при T=21°С и
S=200 см2, Al:NaOH=1:2 (0,02:0,02М); СNaOH = 2 моль/л, Vр-ра = 20 мл
109
При концентрации щелочи 2 моль/л максимальная скорость выделения водорода достигается к 8 минуте и составляет 4,2 л/м2·мин, затем постепенно уменьшается. К 8 минуте израсходовалось 55,0% щелочи.
Рис. 4. Объем выделившегося водорода. Al=0,53 г (фольга);
NaOH=0,8 г при T=21°С и S=200 см2,
1 - Al:NaOH=1:1 (0,02:0,02М); СNaOH=0,5 моль/л; Vр-ра = 40 мл
2 - Al:NaOH=1:1 (0,02:0,02М); СNaOH=1 моль/л; Vр-ра = 20 мл
3 - Al:NaOH=1:1 (0,02:0,02М); СNaOH=2 моль/л; Vр-ра = 10 мл
Площадь поверхности алюминия практически не изменилась. К моменту завершения опыта (46 минута) израсходовалось 95% NaOH (рис.3).
Рис. 5. Скорость выделения водорода. Al=0,53 г (фольга), NaOH=1,6 г при T=21°С и
S=200 см2, Al:NaOH=1:2 (0,02:0,04М); СNaOH=0,5 моль/л, Vр-ра = 80 мл
110
Сравнивая полученные экспериментальные результаты с тремя различными концентрациями при одинаковых мольных соотношениях
Al:NaOH=1:1, можно сделать следующие выводы: максимальная скорость
выделения достигается через 6-8 минут с начала опыта; снижение скорости
выделения водорода начинается после израсходования во всех трех опытах
около 50 % NaOH. При концентрации щелочи 0,5 моль/л скорость начинает
уменьшаться через 44 минуты. В опыте с концентрацией 1 моль/л уменьшение скорости газовыделения начинается с 20 минуты, а в опыте с концентрацией 2 моль/л с 8 минуты.
Рис. 6. Скорость выделения водорода. Al=0,53 г (фольга), NaOH=1,6 г при T=21°С и
S=200 см2, Al:NaOH=1:2 (0,02:0,04М); СNaOH=1 моль/л, Vр-ра = 40 мл
В опытах графики зависимости скорости газовыделения от времени
имеют ярко выраженный максимум. Максимум для концентрации 0,5 моль/л
имеет вид плато.
График зависимости скорости выделения водорода от времени для
концентрации 2 моль/л имеет узкую ширину максимума, так как уже к 8 минуте израсходовалось 55% NaOH. В этой серии опытов уменьшение скорости выделения водорода связано с уменьшением концентрации щелочи со
временем.
Времена полупревращения щелочи соответственно равны: для концентрации 0,5 моль/л – 63 мин.; для концентрации 1 моль/л – 30 мин.; для
концентрации 2 моль/л – 7,5 мин. Также опыты проводили при тех же концентрациях, но с мольными соотношениями Al:NaOH=1:2, то есть с двукратным избытком щелочи. График скорости газовыделения при концентрации щелочи 0,5 моль/л представлен на рис. 5.
Скорость газовыделения, достигнув значения 0,36 – 0,4 л/м2·мин, в
начале держится в пределах этой величины около 80 минут, то есть практически до полного растворения алюминия. В отличие от опыта с мольным соотношением Al:NaOH=1:1 и при той же концентрации щелочи 0,5 моль/л,
111
при соотношении Al:NaOH=1:2 водород выделяется практически с постоянной скоростью в течение достаточно длительного времени (почти 80 минут).
Рис. 7. Скорость выделения водорода. Al=0,53 г (фольга), NaOH=1,6 г при T=21°С и
S=200 см2, Al:NaOH=1:2 (0,02:0,04М); СNaOH = 2 моль/л, Vр-ра = 20 мл
Реакция заканчивается при полном растворении алюминия. В опыте с
концентрацией щелочи 1 моль/л скорость выделения водорода, достигнув
максимального значения через 10 минут, остается постоянной в пределах
0,60-0,65 л/м2·мин в течение 45 минут до полного растворения, рис.6.
Рис. 8. Объем выделившегося водорода. Al=0,53 г (фольга);
NaOH=1,6 г; при T=21°С и S=200 см2.
1 - Al:NaOH=1:2 (0,02:0,04М); СNaOH=0,5 моль/л; Vр-ра = 80 мл
2 - Al:NaOH=1:2 (0,02:0,04М); СNaOH=1 моль/л; Vр-ра = 40 мл
3 - Al:NaOH=1:2 (0,02:0,04М); СNaOH=2 моль/л; Vр-ра = 20 мл
112
График зависимости скорости выделения водорода в опыте с концентрацией щелочи 2 моль/л приведен на рис. 7. В этом случае скорость газовыделения, достигнув в самом начале опыта значения 1 л/м2·мин, постепенно увеличивается до 4,25 л/м2·мин и проходит через максимум в конце
реакции.
Рис. 9. Скорость выделения водорода. Al=0,53 г (фольга), NaOH=3,2 г при T=21°С и
S=200 см2, Al:NaOH=1:4 (0,02:0,08М); СNaOH = 2 моль/л, Vр-ра = 40 мл
Рис. 10. Скорость деления водорода при разных мольных соотношениях.
Al=0,53 г (фольга) при T=21°С и S=200 см2
1 - Al:NaOH = 1:1 (0,02:0,02М); СNaOH =0,5моль/л
2 - Al:NaOH = 1:2 (0,02:0,04М); СNaOH =0,5моль/л
113
Реакция заканчивается через 20 минут полным растворением алюминия. Увеличение скорости газовыделения в этом опыте связано, вероятно, с
интенсивной неравномерной коррозией алюминия при большой концентрации щелочи, приводящей к увеличению площади поверхности алюминия,
контактирующего с коррозионной средой.
Табл. 1. Зависимость скорости газовыделения от концентрации щелочи
Скорость r, л/м2·мин
Концентрация
щелочи, моль/л
Al:NaOH=1:1
Al:NaOH=1:2
0,5
0,35
0,36 – 0,40
1
0,65
0,6 – 0,65
2
4,2
4,2
Al:NaOH=1:4
4,35
Свидетельство этому - появление максимума перед полным растворением алюминия.
Рис. 11. Скорость выделения водорода при разных мольных соотношениях. Al=0,53 г
(фольга) при T=21°С и S=200 см2.
1 - Al:NaOH = 1:1 (0,02:0,02М); СNaOH = 1 моль/л
2 - Al:NaOH = 1:2 (0,02:0,04М); СNaOH = 1 моль/л
Также был проведен опыт с мольным соотношением Al:NaOH=1:4 и
концентрацией щелочи 2 моль/л.График скорости выделения водорода приведен на рис. 8.
Как видно из графиков на рис. 7 и 9, обе зависимости практически
совпадают. Это свидетельствует о том, что скорость газовыделения при из-
114
бытке щелочи зависит в первую очередь, не от мольного соотношения реагентов, а от концентрации щелочи.
Выше в таблице 1 приведена эта зависимость. Значение мольного соотношения влияет только на полноту (глубину) протекания реакции, рис. 10.
и 11.
Это соотношение должно быть больше 1:1, но не более 1:2. Во всех
опытах с мольным соотношением Al:NaOH=1:2 к моменту полного растворения алюминия израсходовалась только 50% щелочи.
Выводы.
1. Экономно расходовать щелочь.
2. Использовать Al:NaOH=1:N (N=1,2; 1,5; 2) и небольшие концентрации (не более 0,5 моль/л).
Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 10-08-00336а).
Библиографические ссылки
1. Баранов Ю.В. Исследование и разработка технологий производства
водорода на основе активированных алюминиевых композитов без
редкоземельных металлов для энергетических установок/ Ю.В. Баранов,
А.Л. Буров, В.А. Демин, В.В.Козляков, Т.С. Кутузова, Л.А. Лукашевич, Д.Л.
аков, В.Н. Субич, В.С. Терещук, Н.А. Шестаков, А.Д. Шляпин, А.Х. Хайри.
Сб. научных докладов VI-ого Международного совещания по проблемам
энергоаккумулирования и экологии в машиностроении, энергетике и на
транспорте. Москва: ИМАШ РАН, 2009. С. 345-384.
2. Козляков В.В. Исследование и разработка технологий производства
водорода на основе активированных алюминиевых композитов без
редкоземельных металлов для энергетических установок/ В.В.Козляков,
В.А. Демин, А.Л. Буров [и др.];/Тезисы докладов II-ой Международной
конференции «Технология хранения водорода». М.: НП «ИНКО», 2009. С.
86-89.
3. V.V. Kozlyakov. Research and development of technologies for hydrogen
production based on activated aluminum composites without rare earth metals for
power plants / V.V. Kozlyakov, V.A. Demin, A.L. Burov. Abstracts II
International Conference «Hydrogen Storage Technologies». Р. 169-171.
4. Демин, В.А. Технология производства водорода на основе активированных алюминиевых композитов без редкоземельных металлов для энергетических установок/ В.А. Демин, А.Л. Буров, В.В.Козляков. Программа научно-практического семинара «Водородные технологии для внедрения в энергетике и на транспорте» 10-ой Юбилейной специализированной выставки
«Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК».
Москва, ВВЦ, 10-13 ноября 2009 г. - / [Электронный ресурс]. // URL:
http://www.expo-design.ru. (Дата обращения 03.05.2011).
115