一种镁粉制氢棒及其制备方法与流程

本发明涉及化学技术领域，尤其涉及一种镁粉制氢棒及其制备方法。

背景技术：

身体要运作，就必须由氧化来产生能量，这时就会产生自由基，少量的自由基对人体是有益的，它可以分解体内的坏死细胞，消灭外来细菌，但是过多的自由基对身体的危害是破坏性的。科学家已经证实，自由基至少和一百多种疾病有关，要消除自由基，就要增强身体的抗氧化能力，给自由基提供它所需要的“食物”—电子，让它得到电子后转化为对身体有益的水。来自全世界有数千名学者发表700多篇相关学术论文，对氢气治疗各种疾病进行的研究、大量动物模型和细胞学研究以及临床研究证明，氢原子（h）因为带有一个电子，所以各原子紧密连接在一起，可以有效还原并去除活性氧自由基，并对氧自由基及能量代谢层面进行改善，故对于体内发生的各类病变均有很好的改善控制作用。如提高免疫力、抗衰老、抗疲劳、心脑血管、糖尿病、尿酸高等甚至在临床试验中发现对于癌症病人都有很好的改善作用。而氢气是宇宙中最小的分子，可以非常容易的进入细胞内如细胞核和线粒体等任何部位，穿透性极强，因此人体给药的途径很广，可以通过呼吸、饮用、经皮肤和注射等摄入人体。但是目前的制氢技术包括通过压缩氢气、活化金属镁粉或活化纳米铝粉水解制氢、电解水制氢等方法制氢，均存在工艺复杂、氢吸收率低、成本高等问题，从而限制了其应用的普及性。

中国专利申请公开说明书，cn107585738a中公开了一种mg-mg2si复合水解制氢材料及其制备方法与用于水解制氢的方法。该复合水解制氢材料中，mg2si占复合材料总质量的百分比为5%~30%。该复合水解制氢材料具有低密度、高性价比、高单位产氢率的优点。该mg-mg2si复合水解制氢材料的制备方法是将具有所述质量百分比mg2si的镁硅合金复合材料或mg粉与mg2si粉的混合物置于球磨机中球磨得到。复合水解制氢材料与盐的水溶液混合，进行水解反应。该制氢方法高效简单，制备过程无需复杂的设备及工序。然而，该复合水解制氢材料的制氢效率较低，制氢过程需用到大量的盐溶液，不环保。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种镁粉制氢棒及其制备方法。本发明制氢棒包括一种高效制氢材料，制氢效率高、无污染，且该镁粉制氢棒制备工艺简单、低成本。

本发明的具体技术方案为：一种镁粉制氢棒，包括镁粉、柠檬酸和吸附材料，将镁粉、柠檬酸和吸附材料混匀得到制氢粉，将所述制氢粉平铺在无纺布上，然后将铺有制氢粉的无纺布卷成圆柱状，最后塞到管内，封上管的两个开口端即得到制氢棒。

本发明采用镁粉、柠檬酸和吸附材料作为原材料，将其按照一定的配比混合均匀得到制氢粉，将该制氢粉均匀平铺在一种吸水透气无纺布上，然后将铺有制氢粉的无纺布卷成圆柱状，最后塞到一个塑料管内，塑料管的两个开口端用吸水透气海绵封口即得到制氢棒。将该制氢棒直接放在水杯里，可以持续产生氢气，所产生的氢气可以通过呼吸或喝水进入人体，起到一定的医疗保健功效。本发明制备工艺简易、生产效率高，所制备的制氢棒在常温水里产氢量高，氢气转化率高达90%以上，且所制备的氢气无异味；在整个过程中吸水透气无纺布和海绵可以将水传递给制氢粉，并反应产生氢气，该无纺布和海绵既可以调控制氢反应速率也可以吸附氢气中的异味，该制氢棒与水反应的产物近中性对环境无污染，是制作氢气保健产品的一种高效、友好的材料。

作为优选，所述无纺布的厚度为10~1000μm。所述封上管的两个开口端的材料为海绵。吸水、透气的海绵能给制氢粉提供水分，镁粉与水反应制得氢气，氢气通过海绵的孔道从塑料管扩散出来。

作为优选，所述制氢粉均匀平铺在无纺布上，平铺的制氢粉的厚度为20~1000μm。

作为优选，所述管为塑料管，塑料管的内径为5~50mm。

作为优选，所述镁粉、柠檬酸和吸附材料的重量份数为：镁粉5~20份、柠檬酸20~80份和吸附材料10~50份。

作为优选，所述镁粉为粒径为0.5~200μm的金属镁粉和泡沫镁粉中的至少一种；所述柠檬酸为粒径在1~300μm的固体粉末材料；所述吸附材料为粒径为1~200μm的分子筛、沸石、活性炭和泡沫碳中的至少一种。

使用金属镁粉和泡沫镁粉都能实现水解制氢的目的，将金属镁粉制备成泡沫镁粉能够进一步的增大镁粉与水接触的比表面积，增大水解制氢的效率。由于镁粉与水反应后生成的氢氧化镁不溶于水，会导致金属镁粉颗粒中间的部分不易参与反应，使得水解制氢的效率提升困难。将金属镁粉制成泡沫镁粉后，由于泡沫镁粉本身的多孔结构，泡沫镁粉颗粒中间的部分也能参与制氢反应，因此，将金属镁粉制成泡沫镁粉后能够进一步提高水解制氢的效率。柠檬酸能够除去镁粉表面的氧化镁层，提高镁粉水解制氢的效率。用吸附材料将镁粉和柠檬酸进行吸附固定，能够控制水解制氢的反映速率，控制氢气释放的速率，同时除去氢气中的味道。泡沫碳比表面积大，孔隙率高，单位质量的泡沫碳的负载量大。发明人利用农林废弃物制备泡沫碳，在对农林废弃物再利用的同时获得孔隙率和负载量较高的泡沫碳。

泡沫镁粉的制备方法为：将4~10份聚乙烯吡咯烷酮加入30~40份金属镁粉中混合均匀后加入蒸馏水中，超声分散，然后加入4~6份发泡剂16~20份粘合剂和12~16份壳聚糖，搅拌均匀，得混合液；将混合液加入装有团成絮状的椰棕纤维或/和棕榈丝的模具中，超声0.5~1h后，在1~4℃静置固化；固化后的混合材料在200~240℃焙烧3~4h，400~450℃焙烧1~2h，最后在650~750℃焙烧1~2h，得泡沫镁粉，其中，椰棕纤维的直径为25~40nm、棕榈丝的直径为10~20μm，椰棕纤维和棕榈丝的长度为15~20cm。所述发泡剂为碳酸氢钠、偶氮二甲酰胺、n,n一二亚硝基五次甲基四胺、二苯磺酰肼醚、二偶氮氨基苯和对甲苯磺酰肼中的至少一种；所述粘合剂为聚乙烯醇和羧甲基纤维中的至少一种。

本发明将金属镁粉用聚乙烯吡咯烷酮处理后分散在水中，加入发泡剂和粘合剂，发泡剂在加热的条件下释放出气体，在基体中形成孔，通过调节发泡剂和粘合剂的用量可以控制泡沫镁粉的密度和孔径。壳聚糖在水中为絮状沉淀和团成絮状的椰棕纤维和棕榈丝作为泡沫镁粉的模板剂，发明人采用不同直径和长度的团成絮状的椰棕纤维和棕榈丝形成的网络结构以及絮状的壳聚糖作为泡沫镁粉的模板剂，在泡沫镁粉中形成不同孔径大小的通孔，混合液固化后经过分段焙烧去除有机物和椰棕纤维和棕榈丝，同时使发泡剂释放出气体，形成泡沫镁粉。制备的泡沫镁粉中形成的孔道为不同孔径大小的三维孔道结构。具体地，首先在200~240℃焙烧3~4h，使发泡剂释放出气体，形成孔状结构。在400~450℃焙烧1~2h，除去混合材料中沸点较低的有机物。在650~750℃焙烧1~2h，除去混合材料中的椰棕纤维或棕榈丝。最后将泡沫镁粉孔道中的杂质清洗干净。本发明通过将金属镁粉制成泡沫镁粉的方式，增大了镁粉的比表面积，从而增大了镁粉与水的接触面积，加快了镁粉水解制氢的反应速率。

作为优选，所述分子筛的结构式为na2o•x(al2o3)•y(sio2)•z(h2o)，所述x=1~5，y=1~10，z=1~15。

作为优选，所述泡沫碳的制备方法为：将农林废弃物用乙醇浸泡1~2h，用水冲洗、干燥后进行研磨，然后加入煤焦油沥青，混合均匀，农林废弃物与煤焦油沥青的质量比为100:0.05~0.15，然后研磨至粒径为100~150μm，在氮气保护下在1~1.5mpa、400~450℃自发泡3.5~4.5h，得到泡沫碳前体，将泡沫碳前体在氮气保护下在1600~1650℃碳化40~60min，得到泡沫碳。

作为优选，所述农林废弃物为秸秆、稻壳、食用菌基质、边角料、薪柴、树皮、花生壳、玉米芯、枝桠柴、卷皮、刨花、树叶中的至少一种；所述煤焦油沥青制备方法为：煤焦油与n,n-二甲基甲酰胺以6~7:1的质量比在65~75℃静置7~10h，然后在460~480℃减压蒸馏1.5~3h得到煤焦油沥青。

本发明将金属镁粉用聚乙烯吡咯烷酮处理后分散在水中，加入发泡剂和粘合剂，发泡剂在加热的条件下释放出气体，在基体中形成孔，通过调节发泡剂和粘合剂的用量可以控制泡沫镁粉的密度和孔径。壳聚糖在水中为絮状沉淀和团成絮状的椰棕纤维和棕榈丝作为泡沫镁粉的模板剂，发明人采用不同直径和长度的团成絮状的椰棕纤维和棕榈丝形成的网络结构以及絮状的壳聚糖作为泡沫镁粉的模板剂，在泡沫镁粉中形成不同孔径大小的通孔，混合液固化后经过分段焙烧去除有机物和椰棕纤维和棕榈丝，同时使发泡剂释放出气体，形成泡沫镁粉。制备的泡沫镁粉中形成的孔道为不同孔径大小的三维孔道结构。具体地，首先在200~240℃焙烧3~4h，使发泡剂释放出气体，形成孔状结构。在400~450℃焙烧1~2h，除去混合材料中沸点较低的有机物。在650~750℃焙烧1~2h，除去混合材料中的椰棕纤维或棕榈丝。最后将泡沫镁粉孔道中的杂质清洗干净。本发明通过将金属镁粉制成泡沫镁粉的方式，增大了镁粉的比表面积，从而增大了镁粉与水的接触面积，加快了镁粉水解制氢的反应速率。

一种镁粉制氢棒的制备方法，包括以下步骤：

（1）称取配方量的镁粉、柠檬酸和吸附材料，粉碎混合均匀后得到制氢粉；

（2）将制氢粉均匀平铺在无纺布上，然后将其卷成圆柱状得到氢粉卷；

（3）将氢粉卷塞到管内，封上管的两个开口端即得到制氢棒。

本发明制备工艺简易、生产效率高，所制备的制氢棒在常温水里产氢量高，氢气转化率高达90%以上，且所制备的氢气无异味；在整个过程中吸水透气无纺布和海绵可以将水传递给制氢粉，并反应产生氢气，该无纺布和海绵既可以调控制氢反应速率也可以吸附氢气中的异味，该制氢棒与水反应的产物近中性对环境无污染，是制作氢气保健产品的一种高效、友好的材料，对促进氢气在医疗保健方面应用具有重要意义。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明采用镁粉、柠檬酸和吸附材料作为原材料，将其按照一定的配比混合均匀得到制氢粉，将该制氢粉均匀平铺在一种吸水透气无纺布上，然后将铺有制氢粉的无纺布卷成圆柱状，最后塞到一个塑料管内，塑料管的两个开口端用吸水透气海绵封口即得到制氢棒。将该制氢棒直接放在水杯里，可以持续产生氢气，所产生的氢气可以通过呼吸或喝水进入人体，起到一定的医疗保健功效。

附图说明

图1为本发明的镁粉制氢棒在不同温度下与水反应的制氢曲线图；

图2为本发明的镁粉制氢棒暴露在空气中不同时间后与水反应的制氢曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。在本发明中所涉及的装置、连接结构和方法，若无特指，均为本领域公知的装置、连接结构和方法。

实施例1

一种镁粉制氢棒中的制氢材料包括以下重量份数的组分：粒径为70μm的金属镁粉10份、粒径在200μm的柠檬酸60份和粒径在100μm的分子筛30份。所述分子筛的结构式为na2o•3(al2o3)•5(sio2)•8(h2o)。

一种镁粉制氢棒的制备方法包括以下步骤：

（1）称取配方量的镁粉、柠檬酸和分子筛，粉碎后以500rpm的转速混匀10min，得到制氢粉；

（2）将制氢粉均匀平铺在厚度为200μm的无纺布上，平铺的制氢粉的厚度为200μm，然后将其卷成圆柱状得到氢粉卷；

（3）将氢粉卷塞到内径为8mm的塑料管内，用吸水、透气海绵封上管的两个开口端即得到制氢棒。

实施例2

一种镁粉制氢棒中的制氢材料包括以下重量份数的组分：粒径为70μm的金属镁粉15份、粒径在200μm的柠檬酸55份和粒径在100μm的分子筛30份。所述分子筛的结构式为na2o•5(al2o3)•10(sio2)•h2o。

一种镁粉制氢棒的制备方法包括以下步骤：

（1）称取配方量的镁粉、柠檬酸和分子筛，粉碎后以500rpm的转速混匀10min，得到制氢粉；

（2）将制氢粉均匀平铺在厚度为200μm的无纺布上，平铺的制氢粉的厚度为500μm，然后将其卷成圆柱状得到氢粉卷；

（3）将氢粉卷塞到内径为20mm的塑料管内，用吸水、透气海绵封上管的两个开口端即得到制氢棒。

实施例3

一种镁粉制氢棒中的制氢材料包括以下重量份数的组分：粒径为200μm的金属镁粉15份、粒径在300μm的柠檬酸55份和粒径在200μm的泡沫碳30份。

所述泡沫碳的制备方法为：将秸秆用乙醇浸泡1.5h，用水冲洗、干燥后进行研磨，然后加入煤焦油沥青，混合均匀，秸秆与煤焦油沥青的质量比为100:0.1，然后研磨至粒径为130μm，在氮气保护下在1.25mpa、430℃自发泡4h，得到泡沫碳前体，将泡沫碳前体在氮气保护下在1630℃碳化50min，得到泡沫碳。所述煤焦油沥青制备方法为：煤焦油与n,n-二甲基甲酰胺以6.5:1的质量比在70℃静置8h，然后在470℃减压蒸馏2h得到煤焦油沥青。

一种镁粉制氢棒的制备方法包括以下步骤：

（1）称取配方量的镁粉、柠檬酸和分子筛，粉碎后以500rpm的转速混匀10min，得到制氢粉；

（2）将制氢粉均匀平铺在厚度为500μm的无纺布上，平铺的制氢粉的厚度为1000μm，然后将其卷成圆柱状得到氢粉卷；

（3）将氢粉卷塞到内径为40mm的塑料管内，用吸水、透气海绵封上管的两个开口端即得到制氢棒。

实施例4

一种镁粉制氢棒中的制氢材料包括以下重量份数的组分：粒径为70μm的金属镁粉15份、粒径在200μm的柠檬酸55份和粒径在100μm的泡沫碳30份。

所述泡沫碳的制备方法为：将薪柴用乙醇浸泡1h，用水冲洗、干燥后进行研磨，然后加入煤焦油沥青，混合均匀，薪柴与煤焦油沥青的质量比为100:0.15，然后研磨至粒径为100μm，在氮气保护下在1.5mpa、450℃自发泡3.5h，得到泡沫碳前体，将泡沫碳前体在氮气保护下在1600℃碳化60min，得到泡沫碳。所述煤焦油沥青制备方法为：煤焦油与n,n-二甲基甲酰胺以6:1的质量比在65℃静置10h，然后在460℃减压蒸馏3h得到煤焦油沥青。

一种镁粉制氢棒的制备方法包括以下步骤：

（1）称取配方量的镁粉、柠檬酸和分子筛，粉碎后以500rpm的转速混匀10min，得到制氢粉；

（2）将制氢粉均匀平铺在厚度为1000μm的无纺布上，平铺的制氢粉的厚度为1000μm，然后将其卷成圆柱状得到氢粉卷；

（3）将氢粉卷塞到内径为50mm的塑料管内，用吸水、透气海绵封上管的两个开口端即得到制氢棒。

实施例5

一种镁粉制氢棒中的制氢材料包括以下重量份数的组分：粒径为70μm的泡沫镁粉15份、粒径在200μm的柠檬酸85份和粒径在100μm的活性炭30份。

所述泡沫镁粉的制备方法为：将10份聚乙烯吡咯烷酮加入40份金属镁粉中混合均匀后加入蒸馏水中，超声分散，然后加入6份碳酸氢钠、20份聚乙烯醇和16份壳聚糖，搅拌均匀，得混合液；将混合液加入装有团成絮状的椰棕纤维或/和棕榈丝的模具中，超声1h后，在4℃静置固化；固化后的混合材料在240℃焙烧3h，450℃焙烧1h，最后在750℃焙烧1h，得泡沫镁粉，其中，椰棕纤维的直径为40nm、棕榈丝的直径为20μm，椰棕纤维和棕榈丝的长度为20cm。

一种镁粉制氢棒的制备方法包括以下步骤：

（1）称取配方量的泡沫镁粉、柠檬酸和分子筛，粉碎后以500rpm的转速混匀10min，得到制氢粉；

（2）将制氢粉均匀平铺在厚度为200μm的无纺布上，平铺的制氢粉的厚度为500μm，然后将其卷成圆柱状得到氢粉卷；

（3）将氢粉卷塞到内径为20mm的塑料管内，用吸水、透气海绵封上管的两个开口端即得到制氢棒。

实施例6

一种镁粉制氢棒中的制氢材料包括以下重量份数的组分：粒径为70μm的泡沫镁粉20份、粒径在200μm的柠檬酸65份和粒径在100μm的泡沫碳50份。

所述泡沫镁粉的制备方法为：将7份聚乙烯吡咯烷酮加入35份金属镁粉中混合均匀后加入蒸馏水中，超声分散，然后加入5份偶氮二甲酰胺、18份羧甲基纤维和14份壳聚糖，搅拌均匀，得混合液；将混合液加入装有团成絮状的椰棕纤维或/和棕榈丝的模具中，超声0.8h后，在2℃静置固化；固化后的混合材料在220℃焙烧3.5h，430℃焙烧1.5h，最后在700℃焙烧1.5h，得泡沫镁粉，其中，椰棕纤维的直径为32nm、棕榈丝的直径为15μm，椰棕纤维和棕榈丝的长度为18cm。

所述泡沫碳的制备方法为：将薪柴用乙醇浸泡1h，用水冲洗、干燥后进行研磨，然后加入煤焦油沥青，混合均匀，薪柴与煤焦油沥青的质量比为100:0.15，然后研磨至粒径为100μm，在氮气保护下在1.5mpa、450℃自发泡3.5h，得到泡沫碳前体，将泡沫碳前体在氮气保护下在1600℃碳化60min，得到泡沫碳。所述煤焦油沥青制备方法为：煤焦油与n,n-二甲基甲酰胺以6:1的质量比在65℃静置10h，然后在460℃减压蒸馏3h得到煤焦油沥青。

一种镁粉制氢棒的制备方法包括以下步骤：

（1）称取配方量的泡沫镁粉、柠檬酸和分子筛，粉碎后以500rpm的转速混匀10min，得到制氢粉；

（2）将制氢粉均匀平铺在厚度为200μm的无纺布上，平铺的制氢粉的厚度为500μm，然后将其卷成圆柱状得到氢粉卷；

（3）将氢粉卷塞到内径为20mm的塑料管内，用吸水、透气海绵封上管的两个开口端即得到制氢棒。

对实施例1~6制备的镁粉制氢棒进行水解制氢实验，方法如下：

将镁粉制氢棒放入20ml温度为0~70℃的纯水中进行反应，先测量产生氢气的体积，根据产氢量-时间画出其产氢曲线；镁粉制氢棒在不同温度下与水反应制氢曲线见图1。将镁粉制氢棒放置0~60天后放入与20ml温度为20℃的纯水中进行反应，先测量产生氢气的体积，根据产氢量-时间画出其产氢曲线；镁粉制氢棒暴露在空气中不同时间后与水反应制氢曲线见图2。

产氢量的计算公式为：产氢量=测定的产氢体积/所用镁粉质量

由图1可以看出，本发明的水解制氢棒在低温下也具有较高的制氢效率，在较高温度时，本发明的镁粉制氢棒能瞬间达到最大制氢量，氢气产生量高。由图2可见，本发明的镁粉制氢棒经过长时间的放置后依然具有较高的水解制氢效率。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。