УДК 661.636.96+544.4

ПОЛУЧЕНИЕ ВОДОРОДА КАТАЛИТИЧЕСКИМ РАЗЛОЖЕНИЕМ ГИПОФОСФИТА НАТРИЯ

Сатаев Малик Сывамбаевич1, Кошкарбаева Шайзада Туртаевна2, Кожакулов Нуржан Курбанович3, Кожан Айгерим Бекмырзакызы4, Самуратова Нурсауле Нурсултанкызы5
1Южно-Казахстанский Государственный университет им. М.Ауезова, доктор технических наук, профессор кафедры химическая технология неорганических веществ
2Южно-Казахстанский Государственный университет им. М.Ауезова, кандидат технических наук, доцент кафедры химическая технология неорганических веществ
3Южно-Казахстанский Государственный университет им. М.Ауезова, ст. преподаватель кафедры графики
4Южно-Казахстанский Государственный университет им. М.Ауезова, студентка группы ХТ-12-1к9
5Южно-Казахстанский Государственный университет им. М.Ауезова, студентка группы ХТ-12-1к9

Аннотация
Изучено разложение гипофосфита натрия с получением водорода на поверхностях пленки фосфида меди на основы из никеля, алюминия и полихлорвинила. Найдено, что при этом скорость выделения водорода почти на порядок выше чем на чистом никеле. Это дает возможность использования зтого метода для получения водорода в лабораторных целях. Также показана принципиальная возможность создания на основе этой технологии безопасного водородного автономного сварочного аппарата.

Ключевые слова: водородный сварочный аппарат., нанесение пленок катализатора, получение водорода, разложение гипофосфита натрия, фосфид меди


HYDROGEN PRODUCTION BY THE CATALYTIC DECOMPOSITION OF SODIUM HYPOPHOSPHITE

Satayev Malik Syvambaevich1, Koshkarbayeva Shayzada Turtaevna2, Kozhakulov Nurzhan Kurbanovich3, Kozhan Aygerim Bekmyrzakyzy4, Samuratova Nursaule Nursultankyzy5
1M.Auezov South Kazakhstan State University, Doctor of Engineering Science, Professor of department of “Chemical technology of inorganic substances”
2M.Auezov South Kazakhstan State University, PhD of Chemical Science, Docent of department of “Chemical technology of inorganic substances”
3M.Auezov South Kazakhstan State University, Teacher of department of “Graphics”
4M.Auezov South Kazakhstan State University, student of the group ChT-12-1k9
5M.Auezov South Kazakhstan State University, student of the group ChT-12-1k9

Abstract
The sodium hypophosphite decomposition with production of hydrogen on surfacesof copper phosphides films with a base from nickel, aluminium and polyvinyl chloride was studied. It was found, that the hydrogen liberation rate in this case is higher practically on an order than at the using pure nickel. This fact gives a possibility of use of the suggested method for the preparation of hydrogen in laboratory purposes. Also a principle possibility of development of a safe hydrogen autonomous welding apparatus on the basis of the proposed technology is shown.

Keywords: copper phosphide, decomposition of sodium hypophosphite, deposition of catalyst films, hydrogen production, hydrogen welding apparatus, innovation


Рубрика: 02.00.00 ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Сатаев М.С., Кошкарбаева Ш.Т., Кожакулов Н.К., Кожан А.Б., Самуратова Н.Н. Получение водорода каталитическим разложением гипофосфита натрия // Современные научные исследования и инновации. 2014. № 6. Ч. 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2014/06/34887 (дата обращения: 29.09.2017).

Водород в небольших количествах используется в лабораторных целях и в автономных сварочных аппаратах. Для получения водорода в этих целях применяют, главным образом, электролиз воды и химическое вытеснение из водных растворов активными металлами. Недостатками этих методов являются сложность конструкции электролизера (в первом случае), неравномерная скорость образования водорода, использование дефицитных металлов и химическая агрессивность среды (во втором случае).

В то же время имеются химические соединения, которые при определенных условиях  могут разлагаться с выделением водорода. Одним из таких соединений является гипофосфит натрия [1,2].Гипофосфит натрия широко применяется в качестве восстановителя при химическом никелировании и в различных химических синтезах. В водных растворах на поверхности металлов-катализаторов (Ni, Fе, Аl) разлагается с протеканием следующих реакции:

NaH2PO2+ H2O = NaH2PO3 + H2       

NaH2PO3 + H2O = NaH2PO4 + H2

NaH2PO2 + 2H2O = NaH2PO4 + 2H2

Основными стадиями разложения гипофосфита натрия являются окисление гипофосфит-иона до фосфит или фосфат-иона и восстановление ионов водорода или молекул воды до газообразного водорода. При этом согласно данным [1,2], полученная молекула водорода состоит наполовину из водорода воды и наполовину водорода гипофосфита. Металлы, катализирующие процесс разложения гипофосфита, являются так же катализаторами выделения водорода.

Процесс разложения гипофосфита натрия является сопутствующей стадией при химическом никелировании [3]. Самопроизвольное протекание химического никелирования на никелевых, стальных и алюминиевых основахобъясняется их каталитическим воздействием на разложение ионов гипофосфита. При изучении физико-химических свойств пленок фосфида меди нанесенных на поверхности различных металлов и диэлектриков было найдено, что на этих пленках также происходит самопроизвольное химическое никелирование [4].

Исходя из этого, нами изучено разложение гипофосфита натрия на пленках фосфида меди, нанесенных на основы из различных материалов.

Изучение  скорости выделения водорода проводили на гладких основах из никеля, алюминия и полихлорвинила, имеющих покрытия фосфида меди толщиной 0,5мкм и для сравнения на металлическом никеле. При получении пленок использовали технологию восстановления поверхностных пленок сульфата меди фосфином [4,5].

Исследования проводили на установке, позволяющей замерять объем выделяющегося водорода (рисунок 1), при температуре 90оС в растворе, содержащем 10 г/л NaH2PO2 ∙H2O. В качестве образцов использовали плоские пластины поверхностью 8 см2.

рис 1

Рисунок 1- Схема установки для измерения объема выделившегося водорода в процессе разложения гипофосфита натрия

1-резиновая груша, 2-бюретка с делениями для измерения объема выделившегося водорода, 3-термометр, 4-приспособление для прикрепления образца, 5- термостатированный сосуд с исследуемым раствором, 6-образец, 7- краник

Из полученных данных видно (рисунок 2), что в одинаковых условиях, пленки фосфида меди, нанесенные на различные основы, значительно ускоряют выделение водорода при разложении гипофосфита натрия. Скорость выделения водорода на поверхности пленки фосфида меди, осажденной на гладкую основу, в несколько раз выше, чем на чистом никеле. Этот факт можно объяснить каталитическими свойствами фосфида меди к замедленной стадии выделения водорода. Из [2] следует, что выделение водорода из воды протекает легче, чем выделение водорода из гипофосфит-ионов.

Следует отметить, что заметную роль играет основа, на которой получена пленка фосфида меди. Возможно, здесь играет роль структура поверхностных частиц основы.

Таким образом, используя в качестве катализатора медь-фосфорные пленки, можно значительно (на порядок) ускорить процесс выделения водорода. Это позволяет использовать каталитическое разложение гипофосфита натрия для получения водорода в относительно небольших количествах.

рис 3

Рисунок 2 – Влияние медь-фосфорных пленок на выделение водорода при разложении гипофосфита натрия

Обозначения кривых: 1 – никель; 2 – 4 – основы, покрытые медь-фосфорной пленкой: 2 – никель; 3 – алюминий; 4 – полихлорвинил 

Этот способ был использован в лабораторной модели автономного сварочного аппарата(рисунок 3).

Получение катализаторов производилось путем металлизации пористых полимерных материалов. Этот выбор был обоснован тем что эти материалы имеют хорошо развитую поверхность, а также позволяют путем скручивания увеличить объем катализатора в реакционной среде.Материалы сначала обрабатывали в растворе CuSО4-H2О – 200-250 г/л, для создания слоя сульфата меди по всей поверхности материала. Затем высушивали при комнатной температуре в течение суток. При этом влага удаляется из пор, что обеспечивает газопроницаемость, необходимую при дальнейшем обработке фосфином. Обработку фосфином проводили в герметичной камере по методике, описанной в [6,7]. Высокоразвитая поверхность создает благоприятные условия для получения водорода в количестве необходимом для нормальной работы автономных сварочных аппаратов

рис 3

Рисунок 3 – Установка для получения водорода

1 – емкость; 2 – катализатор; 3 – раствор гипофосфита натрия;

4 – нагреватель (плитка); 5 – влагоотделитель; 6 – сопло; 7 – компрессор

Опытный образец автономного сварочного аппарата имел высоту 10 см, диаметром 5 см, и диаметр сопла 0,5 мм. В сосуд помещался скрученный катализатор в виде металлизированной полимерной ткани 15×15 см2. Затем в сосуд наливали раствор, содержащий 200 г/л гипофосфита натрия. При помощи нагревательного элемента температура раствора доводилось, до 88-95°С. Полученный газ подавался в предварительную камеру сопла, куда при помощи микрокомпрессора подавали также воздух. Образующая водородно-кислородная смесь позволяла разрезать алюминиевые пластины толщиной 1-1,5 мм.

Для окончания работы достаточно выключить нагреватель. При охлаждении  раствора электролита (ниже 40оС) выделение газа прекращалось полностью. Работоспособность электролита сохраняется до достижения концентрации NaH2PО2 – 200 мг/л.

Гипофосфит натрия является доступным, относительно недорогим продуктом. Так стоимость одноводного натрияфосфорноватистокислого марки «ч» (ГОСТ 200-76) составляет 167 руб/кг[8]. Теоретический расход на 1 литр водорода (н.у.) 2,4 г.

Таким образом, фосфид меди является эффективным катализатором, использование которого позволяет использовать разложение гипофосфита натрия для получения водорода в лабораторных целях и для автономных сварочных аппаратов.


Библиографический список
  1. Ван-Везер Фосфор и его соединения.-М, ИЛ, 1962.- 687 с.
  2. Д. КорбриджФосфор.-М:Мир, 1982.-680 с.
  3. С.А.Вишенков Химические и электротермохимические способы осаждения металлопокрытий.-М:Машиностроение, 1975.-312 с.
  4. М.С.Сатаев, К.К.Сырманова, А.С.Салыбаев Механизм химического никелирования основ, покрытых медь-фосфорными пленками. Известия ВУЗов Серия: Химия и химическая технология. Иваново, т.47 вып.4  2004г. стр.70-71
  5. T. SH. Koshkarbaeva, S.Z. Nauryzova, M.S. Sataev and A.B. Tleuova. Low-temperature  Gas-phase  Metallization  of Dielectrics. Oriental journal of chemistry. 2012, Vol. 28, No. (3):Pg. 1281-1283
  6. M.S. SataevS.T. KoshkarbaevaA.B. TleuovaS. PerniS.B. AidarovaP. Prokopovich.  Novel process for coating textile materials with silver to prepare antimicrobial fabrics //Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. Volume 442, 1 February 2014, Pages 146–151
  7. М.С.Сатаев, Ш.Т.Кошкарбаева, А.Б.Тасболтаева. Металлизация изделий текстильной промышленности. Известия ВУЗов, Технология текстильной промышленности. Иваново, № 6 (348), 2013г. С. 102-104
  8. http://www.chem-service.com

 



Все статьи автора «Сатаев Малик Сывамбаевич»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: