Водород из алюминия и воды

Получение водорода из алюминия

В новостях по альтернативной энергетике за последнее время стали довольно часто упоминаться возможности получения энергии из алюминия. Прежде всего, имеется в виду использование алюминия для получения водорода и использования этого водорода как топлива для автомобильных и других двигателей. Попробуем с помощью обычных учебников по химии оценить возможности алюминиевой энергетики.

Прежде всего, определим количество водорода, которое можно получить из 1 кг алюминия при различных химических реакциях и его энергетическую ценность.

Для получения водорода из алюминия можно использовать свойство алюминия взаимодействовать с неконцентрированными кислотами:

а при определённых условиях и с водой

Молярная масса алюминия M=27 г/моль, что равно 0,027 кг/моль.

Молярная масса водорода, состоящего из двух атомов составляет 2г/моль, что равно 0,002 кг/моль.

Молярная масса воды равна 18 г/моль.

Во всех этих реакциях из двух молекул алюминия получается три молекулы водорода.

Значит, в реакции из каждых 0,054 кг алюминия получается 0,006 кг водорода. Во второй реакции алюминия с водой для получения Al₂O₃ также участвует 0,054 кг воды. В первой реакции количество воды для получения 2Аl(ОН)₃ будет участвовать в два раза больше. Несложными вычислениями получаем, что при химических реакциях с участием 1 кг алюминия и как минимум 1 кг воды получаем 0,111 кг водорода, объём которого при нормальных условиях составит 1,24 м 3 .

Теперь посчитаем энергетическую ценность полученного водорода.

Теплота сгорания водорода составляет 120 МДж/кг. Для полученного количества водорода количество энергии при его сгорании составит 13,32 МДж, что после перевода в более наглядные единицы измерения составит 3,7 кВт.ч. энергии.

Если теплота сгорания бензина в среднем составляет 46 МДж/кг, то для замены энергии водорода, полученной из 1 кг алюминия понадобится 0,296 кг бензина, или примерно треть литра.

Если сравнить алюминий и другие реактивы участвующие в реакции, как по массе, так и по стоимости с бензином, то алюминиевая энергетика явно проигрывает бензину и другим традиционным видам топлива. Сравним также энергозатраты на получение алюминия с выходом энергии водорода полученного из алюминия.

В промышленности алюминий получают электролизом раствора глинозёма Аl₂О₃ в расплавленном криолите Na₃ AlF₆ с добавкой AlF₃ и CaF₂ при температуре 960°С и током в несколько тысяч ампер. На выплавку 1 кг алюминия расходуется 20 кВт.ч. электрической энергии.

Таким образом, расход энергии на получение алюминия в 5,4 раза больше, чем можно получить от водорода. Не смотря на то, что алюминий, как и водород один из самых распространённых на планете химических элементов, его невозможно использовать как источник энергии, предварительно не затрачивая на его производство большего количества энергии.

При обсуждении применения алюминия как энергоносителя не всегда учитываются технологические возможности применения алюминиевой энергетики. Сам процесс протекания химической реакции получения водорода из алюминия имеет определённые особенности. Алюминий относится к химически активным элементам и по активности занимает место между магнием и цинком. В обычных условиях реакции с водой не происходит из-за прочной плёнки окисла Аl₂О₃, который защищает алюминий от дальнейшего окисления. Чтобы алюминий в обычных условиях мог взаимодействовать с водой, необходимо удалять плёнку окисла без доступа воздуха, например, под слоем ртути, довольно ядовитым веществом. Но и тогда скорость реакции невелика. Чтобы разрушить окисную плёнку для взаимодействия алюминия с водой, необходимо подавать воду под давлением в виде пара при температуре 300 – 350 0 С. На нагрев пара необходимы время и энергия, чтобы и в пробках держать автомобиль в готовности «под парами». Поэтому удобнее пользоваться щёлочью или кислотой.

При взаимодействии алюминия со щёлочью или кислотой, плёнка постепенно разрушается и скорость реакции увеличивается. При этом увеличивается и температура реактивов, что в свою очередь ещё больше увеличивает скорость выделения водорода и повышения температуры. При других реакциях алюминиевого порошка с некоторыми реактивами, скорость протекания реакции и температура может быть большой, например, при горении термита. Алюминиевый порошок может входить в состав некоторых взрывчатых смесей. Как медленное, так и быстрое выделение тепла при химических реакциях трудно использовать для движения транспорта.

При работе автомобиля часто приходится быстро разгоняться и замедлять скорость или останавливаться. Увеличение или уменьшение мощности двигателя производится изменением количества поступающего топлива. Быстро удалить с алюминиевого порошка реактивы, чтобы точно регулировать скорость химической реакции невозможно. Поэтому автомобиль не сможет быстро набирать скорость, а после остановки некоторое время будет выделяться избыточный водород, создавая излишнее давление.

Химическим реакциям с выделением тепла (экзотермическим), предшествуют эндотермические реакции с поглощением тепла при получении реагентов. Поэтому дополнительной энергии получить не удаются. Реально мы имеем потери на переплавку шлаков, а также другие потери энергии на добычу, подготовку, транспортировку сырья и обычные тепловые потери при переплавке и электролизе алюминия.

Затраты энергии на обычную переплавку алюминиевого лома составляют примерно 5% от затрат энергии на получение алюминия электролизом расплава смеси сырья, поэтому алюминиевый лом нельзя считать бесполезными отходами. А вот реагенты, получаемые после химических реакций, перерабатывать опять в алюминий сложно и дорого.

Сейчас разработаны несколько вариантов сплавов алюминия, у которых не образуется защитной плёнки, но их надо защищать от действия воды и воздуха, да и стоимость их больше, чем обычного алюминия.

По мере прохождения химической реакции, всё большую часть смеси составляют уже отработанные реактивы и скорость реакции замедляется. Количество получаемого водорода уменьшается и двигатель, работающий на водороде, получаемом из алюминия уже «не тянет». Необходима заправка новой порцией топлива. Но, топливный бак остаётся почти полным, и не до конца прореагировавшую смесь, например, на основе алюминия с кислотой или щёлочью нужно удалять из бака и только потом можно добавлять новые реактивы. После удаления отработанных реактивов и добавления новых, обеспечить надёжную герметизацию заправочного отверстия, так как бак будет находиться под некоторым давлением.

Алюминиевая энергетика оказывается не такой уж и экологически чистой. Для перехода автомобилей на алюминиевое топливо необходимо во много раз увеличить количество электрической энергии для получения алюминия и достаточного количества других химических реактивов.

Существуют химические способы восстановления алюминия, например, восстановление его с помощью более активных химических элементов. Эти и другие похожие реакции использовали для получения самых первых образцов алюминия, когда стоимость алюминия была сравнима со стоимостью драгоценных металлов. Пожалуй, возвращаться к тем временам не стоит.

1" :pagination="pagination" :callback="loadData" :options="paginationOptions">

Метод довольно прост и способен дать Вам водород довольно быстро.
берем слиток алюминия, наносим на него шарик ртути, той что используется в обыкновенных градусниках. Берем острый предмет, например нож и царапаем им алюминий прямо под шариком ртути, то есть вводим в ртуть кончик ножа и царапаем под ним алюминиевый слиток, после этой операции у нас под шариком ртути получиться амальгама, то есть сплав ртути с алюминием, когда мы царапаем алюминий, то мы срываем с него защитный слой оксида алюминия.

В обычных условиях, на открытом воздухе алюминий сразу покрывается тончайшей, но очень прочной оксидной пленкой, эта пленка и препятствует дальнейшему окислению алюминия. Но когда мы покрыли алюминий ртутью и под ней поцарапали алюминий, то мы содрав пленку позволили ртути создать сплав с алюминием, то есть ртуть тут же внедряется в кристаллическую решетку алюминия. Теперь самое главное. Оксидная пленка препятствует окислению, а вот то место где мы сделали амальгаму, там алюминий довольно активно будет окисляться кислородом воздуха с образованием белого порошка, так будет продолжаться пока весь слиток алюминия не окислиться. Если положить такой слиток в воду, то он будет очень активно окисляться и там, вытесняя из воды водород. реакция в воде протекает настолько бурно, что происходит взрыв.

Чтобы взрыва не было и чтобы можно было контролировать выход количества водорода, можно не класть слиток в воду, а продувать мимо такого слитка водяной пар, который будет окисляться до водорода, то есть алюминий будет отнимать у пара кислород, а водород будет побочным продуктом, который Вы запросто можете использовать в качестве топлива для авто.
Алюминий можно добывать повсюду, на свалках, на помойках, можно даже открыть нелегальный приемный пункт, в любом случае при всех затратах, этот метод окупиться с лихвой, это будет самое дешевое и легко добываемое топливо.

Представьте что у Вас на авто стоит некий герметичный бачок, который Вы можете открыть и бросить туда алюминиевую вилку, ложку или кастрюлю или кучу алюминиевых проводов, естественно вначале следует купить градусник и ртуть из него нанести на алюминий выше упомянутым способом. Для удобства можно плавить алюминиевый хлам и отливать из него компактные заготовки, потом создать на слитке хотя бы маленькую точку амальгамы, а после покрыть это место замазкой или скотчем, или просто положить в целлофановый пакет и плотно завязать его, чтобы не было реакции окисления. Вот такие заготовки потом Вы можете кидать в герметично закрывающийся бачок, потом подавать туда пар и получать на выходе чистый водород, который будет питать Ваше авто. метод взрыво безопасен, так как количество выделенного водорода зависит от количества поданного пара. распологать такой «реактор» можно непосредственно перед камерой куда будет впрыскиваться водород, чтобы выделяющийся водород, сразу же использовался не образуя больших взрывоопасных скоплений.
Этот метод вполне реален.
Кто не верит, читайте школьный учебник химии.

Добавить комментарий Отменить ответ

Для отправки комментария вам необходимо авторизоваться.

Пока весь мир разрабатывает топливные элементы и говорит о водородной энергетике будущего, скептики не устают повторять, что до сих пор у человечества не существует дешевого способа получения водорода. Современным методом получения является электролиз воды, однако для его осуществления в глобальных масштабах потребуется уйма электричества.

Основные надежды человечество возлагает на проект термоядерного синтеза, который должен открыть людям неисчерпаемый источник энергии, однако прогнозировать дату вступления первого токамака в строй до сих пор никто не берется. Кроме того, ученые пытаются приспособить бактерии для выработки водорода из пищевых и промышленных отходов, а еще пытаются имитировать процесс фотосинтеза, разделяющий воду на водород и кислород в растениях. Все эти методы пока еще очень далеки от промышленной реализации.

Американские ученые, похоже, научились получать водород в больших количествах при реакции алюминия с водой.

Разработчики из Университета Пердью создали новый сплав металлов, обогащенный алюминием, который может быть весьма эффективен в процессе выработки водорода. Использование этого сплава, кроме прочего, экономически оправдано, и такой метод может уже в скором времени составить конкуренцию современным видам топлива, используемым в транспортной и энергетической индустрии.

Искусственный фотосинтез стал ближе

Как говорит Джерри Вудолл, профессор университета и инициатор работ, его инновация может найти применение во всех сферах — как в мобильных устройствах для выработки энергии, так и в больших промышленных установках.

Новый сплав на 95% состоит из алюминия, а на оставшиеся 5% — из сложного сплава галлия, индия и олова. Хотя галлий и является очень редким и дорогим элементом, его количества в сплаве настолько малы, что стоимость сплава, и особенно стоимость его эксплуатации, может быть коммерчески выгодной.
При внесении этого сплава в воду алюминий вступает в реакцию окисления, в результате которой выделяется водород и тепловая энергия, а алюминий переходит в форму оксида.
2Al + 3H₂O –> 3H₂ + Al₂O₃ + Q

Из школьного курса химии каждому должно быть известно, что алюминий — чрезвычайно активный металл и легко вступает в реакцию с водой, высвобождая водород в ходе собственного окисления. Однако использование алюминия в быту, и особенно в качестве посуды для приготовления пищи, абсолютно безопасно, так как на поверхности алюминия всегда есть тончайшая, но очень прочная и инертная оксидная пленка Al₂O₃, из-за которой заставить алюминий вступить в реакцию с водой не так уж и легко.

Сплав индия, галлия и олова является критическим компонентом для технологии Вудолла: он препятствует образованию этой оксидной пленки и позволяет алюминию количественно вступить в реакцию с водой.

Кроме водорода ценным продуктом реакции является и тепловая энергия, которая также может быть использована. Оксид алюминия и более инертный сплав галлия, индия и олова может быть впоследствии восстановлен в ходе известного промышленного процесса, таким образом, замкнутый цикл может снизить стоимость выработки энергии, в пересчете на отечественные деньги, до менее чем 2 рублей за киловатт-час.

Заслуга химиков-технологов в том, что они не только смогли проделать титаническую работу по подбору химического состава алюминиевого сплава, но и научились контролировать его микроструктуру, которая и является ключом к функционализации материала.

Микроструктура металлов

Дело в том, что смесь металлов при затвердевании не формирует однородного твердого раствора из-за различий в строении кристаллических решеток металлов, кроме того, формирующийся сплав имеет довольно низкую температуру плавления. В результате конечный сплав формируется при остывании из расплава в виде смеси двух независимых фаз — алюминия и сплава галлия, индия и олова, вкрапленных в толщу материала в виде микроскопических кристаллитов.

Именно такая двухфазная композиция и определяет способность алюминия в данном сплаве вступать в реакцию с водой при нормальных условиях, а потому является критичной для всей технологии.

Кроме того, как оказалось, данный материал может быть получен в двух разных формах в зависимости от способа охлаждения расплавленной смеси металлов. Судя по всему, при быстром охлаждении (закалке) кристаллическая структура раствора не успевает перестроиться, в результате чего образец на выходе получается практически однофазным. Сплав Вудолла в такой форме не вступает в реакцию с водой до тех пор, пока не будет смочен расплавленной смесью галлия, индия и олова.

Однако обнаружив способность такого смоченного материала вступать в реакцию с водой при нормальных условиях, ученые изрядно воодушевились и спустя некоторое время обнаружили способность расплава, обогащенного алюминием, кристаллизоваться при медленном охлаждении в двухфазной форме. Такой материал способен вступать в реакцию с водой уже без участия жидкого сплава галлия, индия и олова. Как полагают ученые, определяющим фактором в препятствии для образования пленки оксида на поверхности материала является микроструктура материалов на поверхности раздела между двумя фазами, образующими материал.

Галлий

В данный момент ученые озабочены технологической задачей брикетирования своего сплава для повышения удобства его использования. Так, брусочек алюминиевого сплава может быть помещен в реактор, размеры которого определяются необходимым количеством водорода, и выдать ровно столько водорода, сколько нужно в том месте и в то время, когда это необходимо. Такая технология, будучи доведенной до логического конца, снимет еще две насущные проблемы водородной энергетики (помимо собственно получения водорода из воды), а именно, хранение водорода и его транспортировку.
Сплав индия, галлия и олова является инертным компонентом и не участвует в реакции, так что после окончания реакции может быть использован заново практически без потерь.

Оксид алюминия также является очень удобной субстанцией для проведения его электрохимического восстановления в соответствии с процессом Холла-Эру, повсеместно используемого в алюминиевой промышленности в настоящее время:
2Al₂O₃ + 3С = 4Al + 3CO₂
По словам учёных, восстановление алюминия из оксида, получающегося при производстве водорода, даже дешевле, чем его стандартное производство из бокситов, хотя полный цикл из алюминия в алюминий, разумеется, затратен — вечный двигатель учёные создавать не собирались.

В принципе, для внедрения технологии Вудолла, пока еще не описанной в научных публикациях, не требуется новых инноваций — необходимо лишь наладить инфраструктуру доставки сплава к конечному потребителю и организовать процесс его восстановления с использованием хорошо освоенных промышленностью методов получения металлического алюминия.

Алюминий является самым распространенным металлом на Земле. Кроме того, побочным продуктом разработки бокситных руд — минералов, содержащих алюминий, является как раз галлий — самый ценный компонент сплава Вудолла.

Сам ученый, награжденный в прошлом высшей наградой в области технологии в США, отмечает наряду с проблемами чисто экономического характера и необходимость проведения дополнительных экспериментов по влиянию состава и в особенности микроструктуры на поверхности раздела фаз в новом материале на его свойства. Такие работы вполне могут позволить в будущем перейти к использованию более дешевых и доступных металлов, чем галлий.