Экспериментальное исследование зависимости скорости выделения водорода от концентрации щелочи при взаимодействии алюминия с водным раствором щелочи Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 66.074.36

Б.С. Сажин, В.В. Козляков, А.Х. Хайри, B.C. 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=l:l и Al:NaOH=l:2) [1-4]. В опытах использовали алюминиевую фольгу толщиной 20 мкм и площадью поверхности 200 см2. Скорость выделения водорода при мольных соотношениях Al:NaOH=l:l 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).

Время, мин.

Рис. 1. Скорость выделения водорода. А1=0,53 г (фольга), ^іОН=(),8 г при Т=21°С и 8=200 см2, А1:КаОН=1:1 (0,02:0,02М); СЧЮ|| =0,5 моль/л, Ур.ра = 40 мл

К этому моменту расход №ОН составил 42%. Площадь поверхности алюминия в течение опыта практически не изменялась, а изменялась только

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 % №ОН, то есть с течением времени концентрация щелочи уменьшается, следовательно, уменьшается и скорость газовыделения.

0,7 п

0 4---------1--------1---------1--------1--------1---------1

0 10 20 30 40 50 60

Время, мин.

Рис. 2. Скорость выделения водорода. А1=0,53 г (фольга), Ка(Ш=0,8 г при Т=21°С и 8=200 см2, АШаОН=1:1 (0,02:0,02М); СЧ,0||=1 моль/л, Ур.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 % №ОН. К моменту (60 минута) завершения опыта площадь поверхности алюминия также практически не изменилась, а расход №ОН составил 90% (рис.2).

Время, мин.

Рис. 3. Скорость выделения водорода. А1=0,53 г (фольга), КаОН=1,6 г при Т=21°С и 8=200 см2, АШаОН=1:2 (0,02:0,02М); СЧЮ|| = 2 моль/л, Ур.ра = 20 мл

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.

время,мин

Рис. 4. Объем выделившегося водорода. А1=0,53 г (фольга);

КаОН=0,8 г при Т=21°С и 8=200 см2,

1 - А1:КаОН=1:1 (0,02:0,02М); С\.|Оц=0,5 моль/л; Ур_ра = 40 мл

2 - А1^аОН=1:1 (0,02:0,02М); С\.|0ц=1 моль/л; Ур_ра = 20 мл

3 - А1^аОН=1:1 (0,02:0,02М); С\.|0ц=2 моль/л; Ур ра = 10 мл

Площадь поверхности алюминия практически не изменилась. К моменту завершения опыта (46 минута) израсходовалось 95% №ОН (рис.З).

Время, мин.

Рис. 5. Скорость выделения водорода. А1=0,53 г (фольга), ^іОН=1,6 г при Т=21°С и 8=200 см2, А1:КаОН=1:2 (0,02:0,04М); СЧЮ|| =0,5 моль/л, УР-Ра = 80 мл

Сравнивая полученные экспериментальные результаты с тремя различными концентрациями при одинаковых мольных соотношениях А1:№ОН=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 % №ОН. 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.

Время, мин.

Рис. 6. Скорость выделения водорода. А1=0,53 г (фольга), КаОН=1,6 г при Т=21°С и 8=200 см2, АШаОН=1:2 (0,02:0,04М); СЧ,0||=1 моль/л, Ур.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% №ОН. 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 А1:№ОН=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 А1:№ОН=1:1 и при той же концентрации щелочи 0,5 моль/л,

при соотношении А1:№ОН=1:2 водород выделяется практически с постоянной скоростью в течение достаточно длительного времени (почти 80 минут).

Время, мин.

Рис. 7. Скорость выделения водорода. А1=0,53 г (фольга), КаОН=1,6 г при Т=21°С и 8=200 см2, АШаОН=1:2 (0,02:0,04М); СЧЮ|| = 2 моль/л, Ур.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.

время,мин

Рис. 8. Объем выделившегося водорода. А1=0,53 г (фольга); КаОН=1,6 г; при Т=21°С и 8=200 см2.

1 - А1:КаОН=1:2 (0,02:0,04М); С\аОц=0,5 моль/л; Ур_ра = 80 мл

2 - А1:КаОН=1:2 (0,02:0,04М); С\.|0ц=1 моль/л; Ур_ра = 40 мл

3 - А1:КаОН=1:2 (0,02:0,04М); С\.|0ц=2 моль/л; Ур.ра = 20 мл

График зависимости скорости выделения водорода в опыте с концентрацией щелочи 2 моль/л приведен на рис. 7. В этом случае скорость га-зовыделения, 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.

Время, мин.

Рис. 9. Скорость выделения водорода. А1=0,53 г (фольга), КаОН=3,2 г при Т=21°С и 8=200 см2, АШаОН=1:4 (0,02:0,08М); СЧЮ|| = 2 моль/л, Ур.ра = 40 мл

0 50 100 150 Время, мин.

Рис. 10. Скорость деления водорода при разных мольных соотношениях. А1=0,53 г (фольга) при Т=21°С и 8=200 см2

1 - АШаОН = 1:1 (0,02:0,02М); С\.ю|| =0,5моль/л

2 - АШаОН = 1:2 (0,02:0,04М); С\.ю|| =0,5моль/л

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

Концентрация щелочи, моль/л Скорость г, л/м -мин

АШаОН=1:1 АШаОН=1:2 АШаОН=1:4

0,5 0,35 0,36 - 0,40

1 0,65 0,6 - 0,65

2 4,2 4,2 4,35

Свидетельство этому - появление максимума перед полным растворением алюминия.

0.8

0.7

X 0.6

5

2 0.5

•

г 0.4

с

0.3

и

о 0.2

0.1

0

0 20 40 60 80

Время, мин.

Рис. 11. Скорость выделения водорода при разных мольных соотношениях. А1=0,53 г

(фольга) при Т=21°С и 8=200 см2.

1 - АШаОН = 1:1 (0,02:0,02М); С\.ю|| = 1 моль/л

2 - АШаОН = 1:2 (0,02:0,04М); С\.ю|| = 1 моль/л

Также был проведен опыт с мольным соотношением А1:№ОН=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-

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=l:2 к моменту полного растворения алюминия израсходовалась только 50% щелочи.

Выводы.

1. Экономно расходовать щелочь.

2. Использовать Al:NaOH=l: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,

A.Л. Буров, В.А. Демин, В.В.Козляков, Т.С. Кутузова, Л.А. Лукашевич, Д.Л. аков, В.Н. Субич, B.C. 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: ИМАШРАН, 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,

B.А. Демин, АЛ. Буров [и др.];/Тезисы докладов П-ой Международной конференции «Технология хранения водорода». М.: НИ «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». P. 169-171.

4. Демин, В.А. Технология производства водорода на основе активированных алюминиевых композитов без редкоземельных металлов для энергетических установок/ В.А. Демин, АЛ. 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).