TW201910256A - 廢鋁產氫裝置、廢鋁產氫方法以及鋁產氫方法 - Google Patents

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Abstract

一種廢鋁產氫裝置、廢鋁產氫方法以及鋁產氫方法。所述裝置包括廢鋁處理設備與反應槽。所述設備包括第一絞碎機、酸洗槽以及第二絞碎機。第一絞碎機用以對廢鋁進行初步絞碎，以得到第一鋁碎片。酸洗槽用以接收經第一絞碎機絞碎的第一鋁碎片並進行酸洗。第二絞碎機用以接收第一鋁碎片並進行細部絞碎，以得到第二鋁碎片。所述反應槽則接收第二鋁碎片，使其與反應槽內的鹼性溶液進行水解反應而產氫。由於利用廢鋁作為產氫的原料，並搭配特定裝置進行廢鋁處理，所以能同時達到回收廢棄金屬、減小環境破壞並壓低成本的效果。

Description

廢鋁產氫裝置、廢鋁產氫方法以及鋁產氫方法
本發明是有關於一種產氫技術，且特別是有關於一種廢鋁產氫裝置、廢鋁產氫方法以及鋁產氫方法。
氫氣可應用於合成化學物質，舉凡甲醇、氨，為諸多有機化學工業之主要原料；可應用於石化工業，作為清除外酚及吡啶之用途；於航太工業中，被大量用作太空梭、火箭之推進燃料；於新興產業中亦扮演燃料電池及氫氣內燃引擎之燃料，以化學能轉換成電能達到綠色環保能源之功效。
然而，由於目前石化燃料產氫方式不環保，而其他先進產氫技術(如電解水產氫)則門檻較高，成本設備都較昂貴，相關產業仍無法有經濟效益之商業規模。
本發明提供一種廢鋁產氫裝置，可符合高效環保的產氫技術。
本發明提供一種廢鋁產氫方法，以減小環境破壞並壓低成本花費的方式產氫。
本發明提供一種鋁產氫方法，能加速產氫效率。
本發明的廢鋁產氫裝置包括廢鋁處理設備與反應槽。所述廢鋁處理設備至少包括第一絞碎機(crusher)、酸洗槽以及第二絞碎機。第一絞碎機用以對廢鋁進行初步絞碎，以得到第一鋁碎片。酸洗槽用以接收經第一絞碎機絞碎的第一鋁碎片並進行酸洗。第二絞碎機用以接收經酸洗槽酸洗後的第一鋁碎片並進行細部絞碎，以得到第二鋁碎片。所述反應槽則接收從廢鋁處理設備得到的第二鋁碎片，使其與反應槽內的鹼性溶液進行水解反應。
在本發明的一實施例中，上述的廢鋁處理設備還可包括沖壓裝置，用以接收經第二絞碎機絞碎的第二鋁碎片並進行沖壓。
在本發明的一實施例中，上述的反應槽的內面具有一防蝕層。
在本發明的一實施例中，上述的防蝕層包括石墨烯或氧化石墨烯塗層。
在本發明的一實施例中，上述的廢鋁產氫裝置還可包括氣體閥與液體閥。所述氣體閥連接反應槽與一氣體收集管線，用以控制氣體進入與氫氣排出。所述液體閥連接反應槽的底部，以控制水解反應後之溶液排出。
在本發明的一實施例中，上述的廢鋁產氫裝置還可包括壓力感測器、溫度感測器、pH值感測器、控制器以及加熱裝置。壓力感測器用以測得所述反應槽內之氣體壓力；溫度感測器用以測得所述反應槽內之鹼性溶液的溫度；pH值感測器用以測得所述反應槽內之鹼性溶液的酸鹼值；控制器則分別接收壓力、溫度和pH值感測器的數據，以監測反應槽內之氣體壓力、溫度與酸鹼值。加熱裝置則與控制器連接，以接受控制器控制，加熱反應槽內之溫度至指定溫度。
本發明的廢鋁產氫方法包括使用第一絞碎機對廢鋁進行初步絞碎，以得到第一鋁碎片，再酸洗所述第一鋁碎片，然後使用第二絞碎機對酸洗後的第一鋁碎片進行細部絞碎，以得到第二鋁碎片。之後，將所述第二鋁碎片與鹼性溶液進行水解反應，而產生氫氣。
在本發明的另一實施例中，上述第二鋁碎片的大小為100µm~1mm。
在本發明的另一實施例中，上述第一鋁碎片的大小＜ 5cm。
在本發明的另一實施例中，在進行上述水解反應之前，還可進行沖壓，以使第二鋁碎片的表面產生裂縫，而提升其表面積。
在本發明的另一實施例中，上述鹼性溶液包括氫氧化鈉或硼氫化鈉(NaBH4 )。
在本發明的另一實施例中，上述氫氧化鈉的濃度在0.25M~0.5M之間。
在本發明的另一實施例中，上述水解反應的溫度在40°C~70°C之間。
在本發明的另一實施例中，在上述初步絞碎之前還可用潔淨水清洗廢鋁。
在本發明的另一實施例中，在上述細部絞碎之前還可用潔淨水清洗經酸洗後的第一鋁碎片。
本發明的鋁產氫方法包括將原料鋁與硼氫化鈉水溶液進行水解反應，而產生氫氣。
在本發明的再一實施例中，上述的原料鋁包括廢鋁、鋁粉或奈米鋁。
在本發明的再一實施例中，上述廢鋁為大小100µm~1mm的鋁碎片
在本發明的再一實施例中，上述水解反應的溫度在40°C~70°C之間。
基於上述，本發明利用廢鋁金屬於水中水解的原理，再搭配特定廢鋁處理設備，因此同時能回收廢棄金屬、提升產氫效率，還能減小環境破壞並壓低成本花費。本發明由於可提供安全且有效之產氫方法，所產出之氫氣能應用於各種領域，因此在氫氣綠能逐漸抬頭的世界趨勢下，本發明亦有相當之商業化潛能。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
現在將參照其中繪示有實施例的附圖，以便更完整地描述本發明的概念。然而，除了文中所述的實施例，本發明還可使用多種不同的形式來實施，且其不應被受限於所闡述的實施例。在圖式中，各圖所示均為實施例中的結構、材料及/或裝置的通常性特徵，且圖式是作為以下所提供之文字描述的補充，而不應被解釋為界定或限制由這些實施例所涵蓋之值的範圍或性質。舉例來說，為了清楚起見，膜層、區域及/或結構的相對厚度及位置可能縮小或放大。再者，在各圖式中使用相似或相同的元件符號來表示相似或相同的元件。
另外，在文中記載一裝置「連接」或「耦接」至另一裝置，其可以是直接連接或耦接至其他裝置，或者可能存在中間裝置。反之，當裝置被稱為「直接連接」或「直接耦接」至另一裝置時，將不存在中間裝置。
圖1是依照本發明的第一實施例的一種廢鋁產氫裝置的示意圖。
請參照圖1，第一實施例的廢鋁產氫裝置100至少包括廢鋁處理設備102與反應槽104。所述廢鋁處理設備102至少包括第一絞碎機106、酸洗槽108以及第二絞碎機110。第一絞碎機110用以對廢鋁112進行初步絞碎，以得到第一鋁碎片114。而第一鋁碎片114可藉由輸送帶之類的傳送工具(未繪示)從第一絞碎機110移送至酸洗槽108，進行酸洗。然後經酸洗槽108酸洗後的第一鋁碎片114同樣可藉由輸送帶之類的傳送工具(未繪示)，從酸洗槽108移送至第二絞碎機110，以進行細部絞碎，並得到第二鋁碎片116。至於反應槽104則接收從廢鋁處理設備102得到的第二鋁碎片116，使其與反應槽104內的鹼性溶液118進行水解反應。在一實施例中，反應槽104的內面104a還具有一防蝕層120，用以防止反應槽104本身受到鹼性溶液118侵蝕。在一實施例中，防蝕層120的來源可為一般防蝕漆，並將其塗在反應槽104內面104a。在另一實施例中，防蝕層120例如石墨烯或氧化石墨烯塗層。如果防蝕層120是石墨烯，則可用化學氣相沉積的方式將石墨烯沉積於反應槽104內面104a；如果防蝕層120是氧化石墨烯塗層，則可藉由改良Hummers法製作氧化石墨烯塗料，並將其披覆於所述反應槽104的內面104a。上述改良Hummers法譬如是將硝酸鈉與石墨置於硫酸中，並於特定溫度下攪拌進行初步氧化石墨，然後加入定量過錳酸鉀，並於低溫、中溫、高溫三階段使其充分氧化，再置入雙氧水並以稀鹽酸進行酸洗；透析後得到中性氧化石墨烯塗料。
於一實例中，所述改良Hummers法中石墨的粉末大小＜20µm、重量約2g；硝酸鈉重量約1g；硫酸濃度約95%~97%(體積為80ml)；過錳酸鉀重量約8g；低溫為0°C~5°C、中溫為40°C、高溫為98°C；雙氧水濃度約35%(體積為30ml)；鹽酸濃度約5%(體積為30ml)；透析截留分子量為6000~8000，透析時間為一星期。
在圖1中，廢鋁處理設備102還可包括沖壓裝置122，用以接收經第二絞碎機110絞碎的第二鋁碎片116並進行沖壓，能進一步增加第二鋁碎片116表面之反應面積，之後再於反應槽104內進行水解產氫。至於產出的氫氣可自一氣體收集管線124排出並輸送至氣體收集裝置(未繪示)。
由於第一實施例中產氫的原料是回收之廢鋁(如鋁罐)等，且產氫過程中無需添加其他催化劑或合金，即可與商業規模化生產的產氫效率相當，所以能大幅降低成本且成為更加環保的產氫技術。
圖2是第一實施例中的廢鋁產氫裝置之變化例的示意圖，且為了清楚起見，僅以元件符號代表廢鋁處理設備，而省略其細節描述。
請參照圖2，第一實施例的廢鋁產氫裝置102還可進一步包括氣體閥200與液體閥202。所述氣體閥200連接反應槽104與氣體收集管線124，用以控制氣體進入與氫氣排出。而液體閥202則可連接反應槽104的底部104b，以控制水解反應後之溶液排出。在圖2中，廢鋁產氫裝置100還可包括壓力感測器204、溫度感測器206、pH值感測器208、控制器210以及加熱裝置212。壓力感測器204用以測得反應槽104內之氣體壓力；溫度感測器206用以測得反應槽104內之鹼性溶液118的溫度；pH值感測器208用以測得反應槽104內之鹼性溶液118的酸鹼值；控制器210則分別接收壓力、溫度和pH值感測器204、206與208的數據，以監測反應槽104內之氣體壓力、溫度與酸鹼值。加熱裝置212則與控制器210連接，以接受控制器210控制，加熱反應槽104內之溫度至指定溫度，且當反應槽104內之溫度達指定溫度時，可停止加熱或者維持固定的加熱功率，以保持反應槽104內之溫度直到(水解產氫)反應結束。
圖3是依照本發明的第二實施例的一種廢鋁產氫步驟圖。
請參照圖3，在步驟300中，使用第一絞碎機對廢鋁進行初步絞碎，以得到第一鋁碎片，上述第一鋁碎片的大小＜ 5cm，其表面積例如1 cm2 ~2 cm2 。在第二實施例中，在步驟300之前還可用潔淨水清洗廢鋁，其中潔淨水例如經處理之去離子水。
然後，在步驟302中，酸洗第一鋁碎片，譬如以濃硫酸除去其表面之塗漆、薄膜等非鋁的物質。所述濃硫酸的濃度例如95%~97%。
接著，在步驟304中，使用第二絞碎機對酸洗後的第一鋁碎片進行細部絞碎，以得到第二鋁碎片，上述第二鋁碎片的大小為100µm~1mm，其表面積例如0.5cm2 左右。在進行上述水解反應之前，還可進行沖壓(步驟308)，以使第二鋁碎片的表面產生裂縫，而提升其表面積。在第二實施例中，在步驟304之前還可用潔淨水清洗經酸洗後的第一鋁碎片，且清洗次數可依需求增加，其中潔淨水例如經處理之去離子水。
之後，在步驟306中，將第二鋁碎片與鹼性溶液進行水解反應，而產生氫氣。上述鹼性溶液例如氫氧化鈉或硼氫化鈉(NaBH4 )。鹼性溶液如為氫氧化鈉，則濃度在0.25M~0.5M之間。水解反應的溫度可控制在40°C~70°C之間。如果適當地控制水解反應的溫度、壓力和pH值，就能更快速地水解產生高純度氫氣。
在其它實施例中，本發明提供了一種鋁產氫方法，是將原料鋁與硼氫化鈉水溶液進行水解反應，而產生氫氣。水解反應的溫度例如控制在40°C~70°C之間。由於本實施例的產氫過程中無需添加其他催化劑或合金，僅需使用硼氫化鈉與水，即可藉由鋁的水解反應而產氫，與商業規模化生產的產氫效率相當，且比使用氫氧化鈉水解產氫的效率要高兩倍以上。
在根據本發明的實施例的一種鋁產氫方法中，上述的原料鋁例如廢鋁、鋁粉或奈米鋁，其中鋁粉或奈米鋁都是指市售的產品。如果是使用廢鋁作為原料鋁，其可為大小100µm~1mm的鋁碎片，且可通過第一實施例的裝置並參照第二實施例的步驟300至步驟304(與步驟308)進行廢鋁處理。
一般而言，使用鋁粉或奈米鋁產氫的效率雖然優異，但需大量的原料成本；使用廢鋁則可大副降低成本，並可搭配如本發明之第一與第二實施例的廢鋁處理技術，而使廢鋁產氫的效率與商業規模化生產的產氫效率相當。
以下列舉一些實驗例來驗證本發明的功效，但本發明並不侷限於以下的內容。
實驗例 1
鋁罐經絞碎機初步絞碎後，鋁碎片大小約1cm，接著將鋁碎片投入濃硫酸中除釉約30分鐘並用去離子水清洗。風乾後的鋁碎片再投入絞碎機中絞碎進行細部絞碎，經過細絞後的鋁碎片大小約為0.5cm以下。將處理後的鋁碎片1克與50毫升氫氧化鈉0.5M水溶液，在70℃下進行產氫。所得數據顯示於圖4。
比較例 1
將鋁罐裁剪成碎片後，鋁碎片大小約為0.5cm×0.5cm，置於濃硫酸中酸洗30分鐘，以去離子水沖洗並風乾，接著將鋁罐片投入去離子水中產氫，產氫量極低，1天都產不出10ml。
比 較例 2
將鋁罐裁剪成大小約為0.5cm×0.5cm的鋁碎片，再置於濃硫酸中酸洗30分鐘，以去離子水沖洗並風乾。接著將鋁碎片與氯化鈉置於滾軸球磨罐中，滾軸球磨24小時300rpm。將滾軸球磨後的鋁碎片1克與50毫升氫氧化鈉0.5M水溶液，在70℃下進行產氫。所得數據顯示於圖4。
從圖4可得到根據實驗例1的方式產氫，其效率隨時間增加而越來越高，但是比較例1的方式會在20分鐘後呈現停滯的產氫效率。
實驗例 2
採用與實驗例1相同的製備流程進行產氫，但將其中的氫氧化鈉可更換為硼氫化鈉(NaBH4 )，且硼氫化鈉的濃度為4.6wt%。
綜上所述，本發明利用廢鋁於水中水解的原理，以特定裝置進行產氫及收集的動作，同時能回收廢棄金屬、減小環境破壞並壓低成本花費。水解後產生之副產品於防火工業、油墨工業應用上亦佔有一席之地。整體產氫製程相對於石化燃料產氫方式更環保，且相對於電解水產氫有價格上的優勢。由於本發明提供了安全且有效之產氫方法，所產出之氫氣能應用於眾多工業領域，對比於逐漸萎靡之石油經濟，氫能經濟表現出極佳前景，在氫氣綠能逐漸抬頭的世界趨勢下，本發明亦有相當之商業化潛能。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧廢鋁產氫裝置
102‧‧‧廢鋁處理設備
104‧‧‧反應槽
104a‧‧‧內面
104b‧‧‧底部
106‧‧‧第一絞碎機
108‧‧‧酸洗槽
110‧‧‧第二絞碎機
112‧‧‧廢鋁
114‧‧‧第一鋁碎片
116‧‧‧第二鋁碎片
118‧‧‧鹼性溶液
120‧‧‧防蝕層
122‧‧‧沖壓裝置
124‧‧‧氣體收集管線
200‧‧‧氣體閥
202‧‧‧液體閥
204‧‧‧壓力感測器
206‧‧‧溫度感測器
208‧‧‧pH值感測器
210‧‧‧控制器
212‧‧‧加熱裝置
300、302、304、306、308‧‧‧步驟
圖1是依照本發明的第一實施例的一種廢鋁產氫裝置的示意圖。 圖2是第一實施例中的廢鋁產氫裝置之變化例的示意圖。 圖3是依照本發明的第二實施例的一種廢鋁產氫步驟圖。 圖4是實驗例1與比較例2的產氫效率曲線圖。

Claims (19)

  1. 一種廢鋁產氫裝置，包括： 廢鋁處理設備，包括： 第一絞碎機，用以對廢鋁進行初步絞碎，以得到第一鋁碎片； 酸洗槽，用以接收經所述第一絞碎機絞碎的所述第一鋁碎片並進行酸洗；以及 第二絞碎機，用以接收經所述酸洗槽酸洗後的所述第一鋁碎片並進行細部絞碎，以得到第二鋁碎片；以及 反應槽，接收從所述廢鋁處理設備得到的所述第二鋁碎片，以與所述反應槽內的鹼性溶液進行水解反應。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的廢鋁產氫裝置，其中所述廢鋁處理設備更包括沖壓裝置，用以接收經所述第二絞碎機絞碎的所述第二鋁碎片並進行沖壓。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的廢鋁產氫裝置，其中所述反應槽的內面具有一防蝕層。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的廢鋁產氫裝置，其中所述防蝕層包括石墨烯或氧化石墨烯塗層。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的廢鋁產氫裝置，更包括： 氣體閥，連接所述反應槽與一氣體收集管線，用以控制氣體進入與氫氣排出；以及 液體閥，連接所述反應槽的底部，以控制所述水解反應後之溶液排出。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的廢鋁產氫裝置，更包括： 壓力感測器，用以測得所述反應槽內之氣體壓力； 溫度感測器，用以測得所述反應槽內之所述鹼性溶液的溫度； pH值感測器，用以測得所述反應槽內之所述鹼性溶液的酸鹼值； 控制器，分別接收所述壓力感測器、所述溫度感測器、所述pH值感測器的數據，以監測所述反應槽內之所述氣體壓力、所述溫度與所述酸鹼值；以及 加熱裝置，與所述控制器連接，以接受所述控制器控制，加熱所述反應槽內之所述溫度至指定溫度。
  7. 一種廢鋁產氫方法，包括： 使用第一絞碎機對廢鋁進行初步絞碎，以得到第一鋁碎片； 酸洗所述第一鋁碎片； 使用第二絞碎機對酸洗後的所述第一鋁碎片進行細部絞碎，以得到第二鋁碎片；以及 將所述第二鋁碎片與鹼性溶液進行水解反應，而產生氫氣。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的廢鋁產氫方法，其中所述第二鋁碎片的大小為100µm~1mm。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的廢鋁產氫方法，其中所述第一鋁碎片的大小＜ 5cm。
  10. 如申請專利範圍第7項所述的廢鋁產氫方法，其中在進行所述水解反應之前更包括進行沖壓，以使所述第二鋁碎片的表面產生裂縫，而提升所述第二鋁碎片的表面積。
  11. 如申請專利範圍第7項所述的廢鋁產氫方法，其中所述鹼性溶液包括氫氧化鈉或硼氫化鈉。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的廢鋁產氫方法，其中所述氫氧化鈉的濃度在0.25M~0.5M之間。
  13. 如申請專利範圍第11項所述的廢鋁產氫方法，其中所述水解反應的溫度在40°C~70°C之間。
  14. 如申請專利範圍第7項所述的廢鋁產氫方法，其中在所述初步絞碎之前更包括以潔淨水清洗所述廢鋁。
  15. 如申請專利範圍第7項所述的廢鋁產氫方法，其中在所述細部絞碎之前更包括以潔淨水清洗經酸洗後的所述第一鋁碎片。
  16. 一種鋁產氫方法，包括： 將原料鋁與硼氫化鈉水溶液進行水解反應，而產生氫氣。
  17. 如申請專利範圍第16項所述的鋁產氫方法，其中所述原料鋁包括廢鋁、鋁粉或奈米鋁。
  18. 如申請專利範圍第17項所述的鋁產氫方法，其中所述廢鋁為大小100µm~1mm的鋁碎片。
  19. 如申請專利範圍第16項所述的鋁產氫方法，其中所述水解反應的溫度在40°C~70°C之間。
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