LT5852B - Process for obtaining hydrogen from water steam - Google Patents

Abstract

The present invention relates to the technology of hydrogen energy and in particular, to the process for producing hydrogen from water. The process claimed is characterized in that splitting of water molecules occurs by plasma source ion implantation. The process comprises initiating plasma in the mixture of water steam and inert gas at a pressure of 1-5 Pa, applying pulse negative potential to membrane (500-1000 eV vs potential of plasma), extracting, accelerating and directing molecular ions comprising hydrogen atoms towards membrane. The molecular ions undergo splitting into atoms at the surface layer of membrane, the thickness of the layer being less than 10 nm, the atoms then being localized between lattice nodes. Due to the different diffusion coefficients of hydrogen and oxygen atoms they separate in the membrane material: oxygen atoms accumulate at the surface of membrane and hydrogen atoms pass the membrane and form hydrogen molecules on its other side.

Description

TECHNIKOS SRITISTECHNICAL FIELD

Išradimas skirtas vandenilio išskyrimo iš vandens būdui, konkrečiau - vandens skaldymui į jį sudarančius atomus, naudojant plazminės joninės implantacijos procesą.The present invention relates to a method for separating hydrogen from water, more particularly to break water into its atoms using a plasma ion implantation process.

TECHNIKOS LYGISTECHNICAL LEVEL

Vandenilio ekonomikos tikslas - atsisakyti aplinką teršiančio iškastinio kuro ir sušvelninti įtaką spartėjančiai biosferos kaitai, taip pat sumažinti ekonominę ir politinę priklausomybę nuo energetiniais resursais turtingų valstybių ir tokiu būdu subalansuoti tam tikrų regionų geopolitinę nelygybę. Energijos kaupimui ir pernešimui naudojamos vandenilio dujos. Tačiau vandenilis, dažniausiai planetoje sutinkamas elementas, visais atvejais gamtoje randamas cheminių junginių sudėtyje. Todėl laisvo vandenilio gavimas yra aktuali mokslo ir technikos problema.The aim of the hydrogen economy is to eliminate polluting fossil fuels and mitigate the impact of accelerated biosphere change, as well as to reduce economic and political dependence on energy-rich nations, thereby balancing geopolitical inequalities in certain regions. Hydrogen gas is used for energy storage and transfer. But hydrogen, the most common element found on the planet, is always found in nature in chemical compounds. Therefore, the availability of free hydrogen is a scientific and technical issue.

Šiandien vandenilis dažniausiai išgaunamas cheminiu būdu iš junginių, sudarančių iškastinį kurą - anglį ir naftą kurių metu išsiskiria aplinką teršiančios medžiagos. Vandenilio gavimas iš vandens sprendžia resursų ir ekologines problemas.Today, hydrogen is usually extracted chemically from compounds that form fossil fuels - coal and oil - which release pollutants into the environment. Obtaining hydrogen from water solves resource and ecological problems.

Dabartiniu metu vandenilis iš vandens gaunamas šiais pagrindiniais būdais:Currently, hydrogen is extracted from water in the following main ways:

(i) vandens elektrolizės būdu, kai elektros srovė leidžiama per vandenį, kuris skaidosi į deguonies ir vandenilio atomus. Įskaičiuojant energiją sunaudojamą elektros gamybai vandenilio gavybos iš vandens elektrolizės būdu, efektyvumas siekia apie 25-45%;(i) electrolysis of water by the passage of water through water which decomposes into oxygen and hydrogen atoms. Including the energy used to produce electricity by hydrolysis of hydrogen from water, the efficiency is about 25-45%;

(ii) termocheminiai vandenilio iš vandens gavybos būdai, tokie kaip sieros ir jodo ciklas, kurių metu vandens molekules disocijuoja į vandenilį ir deguonį, nenaudojant elektros energijos. Termocheminiai procesai yra aukštatemperatūriniai (apie 1000 K), jų efektyvumas siekia 38-40%. Šiuo metu termocheminiai būdai yra laboratorinių bandymų stadijoje;(ii) thermochemical techniques for the production of hydrogen from water, such as the sulfur-iodine cycle, in which water molecules are dissociated into hydrogen and oxygen without the use of electricity. The thermochemical processes are high temperature (about 1000 K) and their efficiency reaches 38-40%. Currently, thermochemical techniques are in the laboratory testing stage;

(iii) radiaciniai vandenilio iš vandens gavybos būdai (radiolizė), kurių metu vanduo yra švitinamas α, β ir γ dalelėmis, kurios skaldo vandens molekules vandenyje ir išskiria vandenilį. Dėl greitos vandenilio atomų rekombinacijos vandenyje šių procesų efektyvumas tesiekia tik kelis procentus;(iii) Radiation techniques for the extraction of hydrogen from water (radiolysis) in which the water is irradiated with α, β and γ particles which break down water molecules in the water and release hydrogen. Due to the rapid recombination of hydrogen atoms in water, the efficiency of these processes is only a few percent;

(iv) biologiniai būdai, kai vandenilį išskiria mikroorganizmai ar augalai;(iv) biological pathways whereby hydrogen is released by microorganisms or plants;

(v) naudojant plazmos šaltinius. Šie vandenilio gavimo iš vandens būdai aprašyti US2009308729, US7384619 patentiniuose dokumentuose.(v) Using plasma sources. These methods of obtaining hydrogen from water are described in US2009308729, US7384619.

IŠRADIMO ESMĖTHE SUBSTANCE OF THE INVENTION

Šio išradimo tikslas - pasiūlyti vandenilio išskyrimo iš vandens garų būdą, kurio metu energingi molekuliniai jonai, kurių sudėtyje yra vandenilis, skaldomi į vandenilio ir deguonies atomus medžiagų paviršiniuose sluoksniuose, nenaudojant papildomų katalizatorių. Be to, toje pat medžiagoje realizuojamas vandenilio ir deguonies atomų atskyrimas ir švaraus vandenilio išskyrimas. Šiame išradime vanduo skaldomas į jį sudarančius atomus, naudojant plazminės joninės implantacijos procesą.It is an object of the present invention to provide a method for separating hydrogen from water vapor in which energetic molecular ions containing hydrogen are broken down into hydrogen and oxygen atoms in the surface layers of materials without the use of additional catalysts. In addition, hydrogen and oxygen atoms are separated in the same material and pure hydrogen is released. In the present invention, water is cleaved into its constituent atoms using a plasma ion implantation process.

BRĖŽINIŲ FIGŪRŲ APRAŠYMASDESCRIPTION OF THE DRAWING FIGURES

Toliau išradimas bus aprašytas su nuoroda į jį paaiškinančius brėžinius, kuriuose:The invention will now be described with reference to the accompanying drawings, in which:

Fig. 1 yra schema, paaiškinanti vandenilio išskyrimą iš vandens;FIG. 1 is a diagram illustrating the release of hydrogen from water;

Fig. 2 yra schema įrenginio, kuriame realizuojamas išradimas; irFIG. 2 is a schematic diagram of a device in which the invention is implemented; and

Fig. 3 yra schema, paaiškinanti vandens molekulių skaldymą molekulinės joninės implantacijos būdu.FIG. 3 is a diagram explaining the cleavage of water molecules by molecular ion implantation.

IŠRADIMO REALIZAVIMO APRAŠYMASDESCRIPTION OF THE INVENTION

Šiame išradime pateiktasis vandenilio gavybos iš vandens garų būdas realizuojamas šiais etapais:The process for producing hydrogen from water vapor according to the present invention is carried out in the following steps:

I. Formuojama nanostruktūrinė medžiaga, kurioje vyksta vandens molekulių skaldymas į deguonies ir vandenilio atomus ir vandenilio atskyrimas. Ją sudaro plona (2-5 pm) storio danga 1 (fig. 1), toliau vadinama membrana, kuri užnešama ant porėto (200-500 pm) storio padėklo 2, atliekančio dangos mechaninio laikiklio funkciją. Membranų suformavimui ant porėtos (porų dydis - iki 100 nm) medžiagos paviršiaus gali būti panaudoti visi žinomi, pavyzdžiui, PVD - fizinio garų nusodinimo - ar CVD - cheminio garų nusodinimo, nanomedžiagų sintezės būdai. Membrana, metalinė arba keramikinė (AI2O3), turi tankią nanokristalinę (kristalitų dydis - 15-50 nm) struktūrą su tarpkristaliniais kanalais, kurių matmenys neviršija 1 nm.I. A nanostructured material is formed in which water molecules are decomposed into oxygen and hydrogen atoms and hydrogen is separated. It consists of a thin (2-5 µm) thick coating 1 (Fig. 1), hereinafter referred to as a membrane, which is applied to a porous (200-500 µm) thick substrate 2 serving as a mechanical support for the coating. All known techniques, such as PVD - physical vapor deposition - or CVD - chemical vapor deposition, nanomaterial synthesis - can be used to form membranes on the porous surface (up to 100 nm). The membrane, metallic or ceramic (AI2O3), has a dense nanocrystalline structure (crystallite size 15-50 nm) with intercrystalline channels not exceeding 1 nm in size.

II. Membrana 1, suformuota ant porėto membranos laikiklio 2, talpinama į vakuuminę kamerą 3 (fig. 2). Kamera atsiurbiama vakuuminiais siurbliais 4 iki aukšto vakuumo (10'² Pa ir geresnio), tada dujų maišytuve 5 formuojamas darbinių dujų mišinys, kurį sudaro vandens garai, pridedant 2-5 atominių procentų inertinių dujų (Ar ar He), kurios reikalingos palaikyti aukštą jonizacijos laipsnį ir stabilų plazmos funkcionavimą, ir jomis užpildomas vakuuminis įrenginys, kol pasiekiamas 1-10 Pa slėgis. Suformavus darbinių dujų mišinį, atliekama darbinių dujų jonizacija. Priklausomai nuo naudojamo maitinimo šaltinio 6, generatoriaus rūšies ir išsklaidomos darbinėse dujose energijos dydžio, pasiekiamas jonizacijos laipsnis sudaro 5-10 atominių procentų. Plazmai 7 generuoti gali būti panaudoti įvairūs būdai - pastovios srovės ir impulsiniai srovės šaltiniai, aukšto dažnumo generatoriai, indukciniai ar talpuminiai metodai. Jonizuotose dujose susidaro vandens, OH, O, H ir kiti teigiami ir neigiami jonai.II. The membrane 1 formed on the porous membrane holder 2 is inserted into the vacuum chamber 3 (Fig. 2). The chamber is aspirated by vacuum pumps 4 to a high vacuum (10 ' ² Pa and better), then the gas mixer 5 forms a working gas mixture of water vapor by adding 2-5 atomic percent of the inert gas (Ar or He) needed to maintain the high ionization degree and stable plasma function, and they fill the vacuum unit until a pressure of 1-10 Pa is reached. After formation of the working gas mixture, the ionization of the working gas is performed. Depending on the power supply 6 used, the type of generator used, and the amount of energy dissipated in the working gas, the degree of ionization achieved is 5-10 atomic percent. Plasma 7 can be generated in a variety of ways - DC and pulse current sources, high frequency generators, inductive or capacitive methods. The ionized gas produces water, OH, O, H and other positive and negative ions.

III. Plazma atlieka jonų šaltinio 8 funkcijas, iš kurio išgaunami teigiami jonai, tame tarpe molekuliniai vandens, OH ir kiti, į kurių sudėtį įeina vandenilis, o taip pat teigiami vandenilio jonai. Plazmos kamera atskiriama nuo implantacijos kameros pereinamąja sklende 9. Teigiamiems jonams pagreitinti ir nukreipti į membranos 1 paviršių membranos laikikliui suteikiamas, naudojant specialios paskirties maitinimo šaltinį 10, impulsinis (2050 ps trukmės) neigiamas 500-1000 V potencialas plazmos potencialo atžvilgiu. Kryptingą jonų srautą 11 formuoja specialios konstrukcijos elektrodai 12 ir nukreipia į membraną 1. Molekuliniai jonai sąveikoje su membranos 1 paviršiniais atomais skyla į deguonies ir vandenilio atomus jos paviršiniame sluoksnyje. Atskilę vandenilio atomai difunduoja nanokristalitų briaunomis per membraną 1 bei molekulinėje formoje pro porėtą padėklą 2 ir pereina į vandenilio dujų surinkimo kamerą 13. Molekulių skilimas į jas sudarančius atomus vyksta, kaip parodyta fig. 3. Į membraną 1 krinta teigiami molekuliniai jonai 11 su energijomis, didesnėmis nei 100 eV, ir skyla membranos 1 paviršiniame sluoksnyje (iki 10 nm) į juos sudarančius atomus - vandenilį 14 ir deguonį 15. Energija, kuri reikalinga suskaldyti vandens molekulę į atomus, neviršija 10 eV. Atskilę laisvi deguonies ir vandenilio atomai 14, 15 lokalizuojasi gardelės tarpmazgiuose ir sąveikauja su juos supančiais atomais, iš kurių sudaryta membrana. Toliau, kadangi deguonies atomai yra chemiškai aktyvūs, jie sudaro cheminius junginius su metalo atomais (oksidus) ir, tokiu būdu, kaupiasi pačiame paviršiniame sluoksnyje 16 (fig. 1), kurio storis neviršija deguonies jonų prasiskverbimo gylio duotoje medžiagoje (10 nm). Tuo metu vandenilio atomai juda tarpkristąlinėmis ribomis, kuriomis difuzijos koeficientas yra 2-3 eilėmis didesnis už difuzijos koeficientą kristalo tūryje, per nanostruktūrinę membraną 1. Todėl pakanka temperatūrų 500-600 K, kad vandenilis judėtų iš implantuoto paviršinio sluoksnio 16 per membraną 1 ir pereitų į porėtą padėklą 2, iš kurio - į vandenilio surinkimo kamerą 13. Tuo metu deguonies atomai lieka surišti cheminiuose junginiuose paviršiniame sluoksnyje 16. Taip vyksta vandenilio atomų, suskilus vandens molekulei, atskyrimas nuo deguonies atomų.III. Plasma functions as an ion source 8 to produce positive ions, including molecular water, OH, and others containing hydrogen as well as positive hydrogen ions. The plasma chamber is separated from the implantation chamber by a slide valve 9. To accelerate positive ions and to target the surface of membrane 1, the membrane holder is provided with a pulsed (2050 ps) negative potential of 500-1000 V with a dedicated power supply 10. Directional ion flux 11 is formed by electrodes 12 of special design and is directed to membrane 1. Molecular ions, in interaction with surface atoms of membrane 1, decompose into oxygen and hydrogen atoms in its surface layer. The cleaved hydrogen atoms diffuse through the edges of the nanocrystallites through the membrane 1 and, in molecular form, through the porous substrate 2 and pass into the hydrogen gas collection chamber 13. The cleavage of the molecules into their atoms takes place as shown in FIG. 3. Positive molecular ions 11 with energies greater than 100 eV fall into membrane 1 and decompose in the surface layer (up to 10 nm) of membrane 1 to the atoms they form - hydrogen 14 and oxygen 15. The energy required to cleave the water molecule into atoms, does not exceed 10 eV. The loose oxygen and hydrogen atoms 14, 15 are localized in the lattice's intermodal nodes and interact with the surrounding atoms that form the membrane. Further, since the oxygen atoms are chemically active, they form chemical compounds with metal atoms (oxides) and thus accumulate in the superficial layer 16 (Fig. 1), the thickness of which does not exceed the depth of oxygen ion penetration in the given material (10 nm). At this point, the hydrogen atoms move at inter-crystal boundaries, which diffusion coefficient is 2-3 orders of magnitude higher than the diffusion coefficient in the crystal volume, through the nanostructured membrane 1. Therefore, temperatures of 500-600 K are sufficient for hydrogen to move from the implanted surface layer 16 through membrane 1 porous tray 2, of which - to the hydrogen collection chamber 13. At this point, the oxygen atoms remain bound in the chemical compounds in the surface layer 16. This separates the hydrogen atoms from the oxygen atoms upon decomposition of the water molecule.

Siūlomas vandenilio gavybos būdas suteikia naujas galimybes vandeniliui iš vandens gauti, nenaudojant brangių katalizatorių ir neekologiškų cheminių technologijų. Vandens molekulių skaldymo joninės implantacijos būdu efektyvumas siekia 100 procentų, vandenilio atskyrimo membranose nuo deguonies ir kitų priemaišinių dujų efektyvumas artimas 100 procentų.The proposed method of hydrogen extraction offers new opportunities for hydrogen from water without the use of expensive catalysts and non-organic chemical technologies. The ionic implantation efficiency of water molecules reaches 100 percent, while the efficiency of hydrogen separation in membranes from oxygen and other impurities is close to 100 percent.

Procesas kontroliuojamas ir lengvai automatizuojamas.The process is controlled and easily automated.

Vartotojai turės naują vandenilio iš vandens gavybos technologiją, kuri leis spręsti aktualias vandenilio ekonomikos problemas.Consumers will have a new technology for the production of hydrogen from water, which will address the pressing challenges of the hydrogen economy.

Claims (7)

IŠRADIMO APIBRĖŽTISDEFINITION OF INVENTION 1. Vandenilio išskyrimo iš vandens garų būdas, apimantis molekulinių teigiamų jonų implantaciją į nanostruktūrines membranas, kurios talpinamos į vandens garų plazmą ir kurioms suteikiamas neigiamas impulsinis potencialas, besiskiriantis tuo, kad1. A method of emitting hydrogen from water vapor comprising implanting molecular positive ions into nanostructured membranes which are contained in water vapor plasma and which have a negative pulse potential, characterized in that: a) suformuoja nanostruktūrinę membraną ant paviršiaus porėto padėklo,a) forming a nanostructured membrane on a surface porous substrate, b) patalpina membraną į vakuuminę kamerą,b) placing the membrane in a vacuum chamber, c) atsiurbia kamerą iki aukšto vakuumo,(c) vacuum the chamber to high vacuum, d) suformuoja kameroje darbinių dujų mišinį, susidedantį iš vandens garų ir inertinių (Ar ar He) dujų,d) forming in the chamber a working gas mixture consisting of water vapor and an inert gas (Ar or He); e) jonizuoja darbines dujas ir taip suformuoja plazmą, kuri susideda iš teigiamų ir neigiamų molekulinių jonų bei atomų ir elektronų,(e) ionizing the working gas to form plasma consisting of positive and negative molecular ions and atoms and electrons; f) į padėklą su membrana paduoda impulsinį neigiamą potencialą plazmos potencialo atžvilgiu ir taip suformuoja srautą teigiamų molekulinių jonų, krintančių į membranos paviršių su energijomis, kurias apibrėžia suteikto potencialo dydis,(f) imparting a pulsed negative potential to the membrane in relation to the plasma potential, thereby generating a stream of positive molecular ions falling to the membrane surface with energies determined by the magnitude of the potential given; g) suskaldo molekulinius jonus membranos paviršiniame sluoksnyje į juos sudarančius vandenilio ir deguonies atomus, kurie lokalizuojasi membranos medžiagos tarpmazgiuose,(g) cleave molecular ions in the membrane surface layer into hydrogen and oxygen atoms, which are localized in the intermodal membrane material; h) sukaupia deguonies atomus paviršiniame sluoksnyje, kur jie formuoja cheminius junginius su metalo atomais ir yra surišami, o vandenilio atomus, kurių difuzijos koeficientas yra žymiai didesnis už deguonies atomų difuzijos koeficientą membranos medžiagoje prie fiksuotos temperatūros, perneša iš paviršinio sluoksnio išilgai visos membranos į porėtą laikiklį,h) accumulates oxygen atoms in the surface layer where they form and bond chemical compounds with metal atoms, and hydrogen atoms with a diffusion coefficient significantly higher than the oxygen atoms in the membrane material at a fixed temperature transfer from the surface layer along the entire membrane to the porous bracket, i) surenka vandenilį, laisvai praėjusį pro porėtą laikiklį, surenkamajame inde.(i) collect the hydrogen, which has passed through the porous support, in a collecting container. 2. Būdas pagal 1 punktą, besiskiriantis tuo, kad (a) stadijoje suformuoja ploną(25 mikronų storio) nanostruktūrinę (kristalitų dydis - 15-50 nm) membraną bet kuriuo žinomu plonų nanokristalinių dangų nusodinimo būdu.2. A process according to claim 1, characterized in that, in step (a), it forms a thin (25 microns thick) nanostructured (crystallite size: 15-50 nm) membrane by any known method of deposition of thin nanocrystalline coatings. 3. Būdas pagal 1 punktą, besiskiriantis tuo, kad (c) stadijoje kamerą atsiurbia iki n3. The method of claim 1, wherein the chamber is aspirated to n in step (c) 10' Pa ir aukštesnio vakuumo.10 'Pa and higher vacuum. 4. Būdas pagal 1 punktą besiskiriantis tuo, kad (d) stadijoje formuoja vandens garų ir inertinių (Ar ar He) dujų, kurių koncentracija neviršija 2-5 atominių procentų, mišinį, kol pasiekia 1-10 Pa slėgį.4. A process according to claim 1, wherein in step (d), a mixture of water vapor and an inert gas (Ar or He) at a concentration not exceeding 2 to 5 atomic percent is formed until a pressure of 1 to 10 Pa is reached. 5. Būdas pagal 1 punktą besiskiriantis tuo, kad (f) stadijoje teigiamus jonus ištraukia iš plazmos, jiems suteikia kinetinę energiją ir nukreipia į membranos paviršių, suteikus membranai 20-50 ps trukmės impulsinį neigiamą 500-1000V potencialą plazmos potencialo atžvilgiu.5. The method of claim 1, wherein in step (f) positive ions are removed from the plasma, imparted kinetic energy to the membrane surface, and imparted to the membrane a pulsed negative 500-1000V potential for 20-50 ps. 6. Būdas pagal 1 punktą besiskiriantis tuo, kad (g) stadijoje implantuojamų molekulinių jonų skaldymą atlieka membranos paviršiniame sluoksnyje sąveikos su membranos atomais metu ir pasiekia 100% molekulinių jonų disociaciją.6. The method of claim 1, wherein the cleavage of implantable molecular ions in step (g) is performed on the surface layer of the membrane during interaction with the membrane atoms and achieves 100% dissociation of the molecular ions. 7. Būdas pagal 1 punktą besiskiriantis tuo, kad (h) stadijoje laisvus vandenilio ir deguonies atomus membranoje atskiria, deguonies atomus palieka membranos paviršiniame sluoksnyje, o vandenilio atomus perneša iš paviršinio sluoksnio išilgai visos membranos.7. A process according to claim 1, wherein in step (h) the free hydrogen and oxygen atoms in the membrane are separated, the oxygen atoms are left in the membrane surface layer and the hydrogen atoms are carried from the surface layer along the membrane.