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.
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 + 3H 2 O --> 3H 2 + Al 2 O 3 + 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 Al 2 O 3 , 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.
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.
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:
2Al 2 O 3 + 3С = 4Al + 3CO 2
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.
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:
соляной - 2А1 + 6НС1 = 2АlСl 3 + ЗН 2
серной - 2А1 + ЗН 2 SО 4 = Аl 2 (S0 4) 3 + 3Н 2
щелочами:
2Аl + 2NаОН + 2Н 2 О = 2NаАlО 2 + 3Н 2
а при определённых условиях и с водой
2Аl + 6Н 2 О = 2Аl(ОН) 3 + ЗН 2
или 2AI + ЗН 2 О = Al 2 O 3 + 3H 2 ,
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 Al 2 O 3 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 Аl 2 О 3 в расплавленном криолите Na 3 AlF 6 с добавкой AlF 3 и CaF 2 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 Аl 2 О 3 , 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.
При взаимодействии с водой одного килограмма электровзрывного нанопорошка алюминия выделяется 1244,5 л водорода, который при сжигании дает 13,43 МДж тепла. Эффективность такого процесса получения водорода выше, чем в случае электролиза. Окисление электровзрывного нанопорошка алюминия протекает на 100 %, т. е. применяемый материал используется полностью.
Для ряда важных применений в гражданской и военной области необходимы мобильные источники энергии, в частности, работающие на водороде, и технологии, которые бы обеспечили получение водорода в обычных, полевых условиях. Техническое решение этой проблемы – получения водорода основано на применении энергоаккумулирующих веществ с хемотермическим эффектом, в частности использование генераторов водорода работающих на эффекте саморазогрева электровзрывных наночастиц алюминия (ALEX) в воде.
При взаимодействии с водой одного килограмма электровзрывного нанопорошка алюминия выделяется 1244,5 л водорода, который при сжигании дает 13,43 МДж тепла. Эффективность такого процесса получения водорода выше, чем в случае электролиза. Окисление электровзрывного нанопорошка алюминия протекает на 100 %, т. е. применяемый материал используется полностью.
Особенности теплового режима процесса взаимодействия нанопорошков алюминия с водой приводят к появлению новых эффектов, которые не были известны для реакции с участием крупных порошков алюминия.
В первую очередь – это эффект саморазогрева наночастиц до температур, превышающих температуру окружающей воды на сотни градусов.
Так, при использовании промышленного порошка алюминия микронного размера скорость выделения водорода составляет лишь 0,138 мл в секунду на 1 г порошка. При этом в конечный продукт – смесь оксидов и гидроксидов алюминия – превращается только 20…30 % исходного порошка. Нанопорошок алюминия по своей реакционной способности превосходят обычные промышленные порошки микронного размера. В то же время, скорость выделения водорода при взаимодействии нанопорошка алюминия с дистиллированной водой при 60 °С составляет 3 мл в секунду на 1 г порошка, при 80 °С – 9,5 мл в секунду на 1 г порошка, что превышает скорость выделения водорода при гидротермальном синтезе приблизительно в 70 раз.
Другим преимуществом использования нанопорошка в данной реакции является то, что степень превращения алюминия составляет 98…100 % (в зависимости от температуры).
Более того, введение в дистиллированную воду даже незначительных количеств щелочи приводит к значительному возрастанию скорости реакции: при увеличении рН раствора до 12 скорость выделения водорода возрастает до 18 мл в секунду на 1 г порошка при 25 °С. Скорость выделения водорода при растворении алюминия микронного размера в растворе, содержащем 8 г/л NaOH, при этой же температуре, составляет лишь 1 мл в секунду на 1 г порошка.
Приведенные данные показывают, что электровзрывные нанопорошки алюминия, в отличие от компактного алюминия и крупных промышленных порошков, взаимодействуют с водой с большой скоростью и степенью превращения ~100 % и именно их применение позволит получать водород с достаточной скоростью при обычных условиях.
– простой и эффективный способ получения водорода в обычных и полевых условиях,
– получение водорода с высокой скоростью – в 10 (десятки) раз, превышающая традиционные технологии ,
промышленное получение водорода из воды кислот цинка электролизом воды соляной кислоты газа в лаборатории своими руками серной кислоты
раствор методы схема уравнения установка способы реакции электролизер для получения водорода
химическое получение кислорода перекиси аммиака пероксида оксида жидкого водорода в домашних условиях металлом свойства железа видео
получение электроэнергии воды из водорода и кислорода в промышленности применение из алюминия
способы электролизер для получения водорода своими руками
купить из воды
уравнение реакций технологии аппарат формула процесс промышленный способ бинарное неорганическое соединение для получения водорода пара
использование энергии получение водорода
Коэффициент востребованности 257
Водород - широко распространенный элемент. Благодаря своей уникальности он может выступать в качестве окислителя и в качестве восстановителя. Существует несколько методов получения водорода .
1. Электролиз водных растворов солей (поваренная соль NaCl ).
2. Пропускание паров поды над раскаленным коксом (Т = 1000 °С):
H 2 O + C = H 2 + CO ,
Реакция обратима!
Смесь (Н 2 , СО и Н 2 О ) называется водяным газом.
А на 2-ой стадии водяной газ пропускают над оксидом железа (III) при температуре около 450°С:
СО + Н 2 О = СО 2 + Н 2 ,
Часто эту реакцию называют реакцией сдвига.
3. Получение из природного газа. Основа - конверсия метана (основной компонент природного газа, СН 4 ) с водяным паром. В итоге получается обратимая смесь, которая называется синтез-газом. Условия протекания процесса: никелевый катализатор и 1000°С:
СН 4 + Н 2 О = СО 2 + 3Н 2 ,
Эту реакцию часто используют для получения водорода для реакции Габера (синтез аммиака).
4. Крекинг нефтяных продуктов.
1. Под воздействием разбавленных кислот на металлы, которые стоят в ряду напряжения левее водорода.
Zn + HCl = ZnCl 2 + H 2 ,
2. Электролиз растворов кислот, щелочей на катоде выделяется водород.
3. Действие щелочей на цинк или алюминий:
2Al + 2NaOH + 6H 2 O = 2Na + 3H 2
4. Гидролиз гидридов:
NaH + H 2 O = NaOH + H 2 ,
5. Реакция кальция с водой:
Ca + 2H 2 O = Ca(ОН) 2 + H 2 .
Но как же с научной точки зрения можно получить энергию из таких отходов? Один автор решил повторить этот эксперимент, и у него получилось вполне неплохо. Что же скрывается за всем этим? Все на самом деле очень просто, энергию мы будем получать из алюминия, добывая из него водород. Делать это можно различными способами, алюминий является довольно таки не стойким металлом, если разрушить его оксидную пленку. Он начинает при этом выделять водород, просто контактируя с воздухом. Для разрушения оксидной пленки можно использовать кислоты и другие вещества. К примеру, можно просто поцарапать алюминий иголочкой под капелькой ртути и в этом месте оксидная пленка будет разрушена.
Зачем же при эксперименте будет нужна кока-кола, узнаете из статьи;)
Материалы и инструменты, которые использовал
Список материалов:
- шланги;
- доски;
- пластиковые бутылки;
- двухтактный двигатель;
- двигатель постоянного тока 12В;
- аккумулятор 12В;
- (по желанию);
- пластиковая канистра;
- манометр;
- металлические хомуты;
- кусок металлической трубочки;
- холодная сварка;
- активированный уголь;
- вода;
- тонкая листовая сталь;
- саморезы.
Для химической реакции: алюминий, кока-кола, гидроксид натрия.
Список инструментов:
- ножницы;
- шуруповерт;
- ножовка;
- ;
- ключи, отвертки и прочие мелочи.
Приступаем к сборке устройства:
Шаг первый. Теория
Суть в следующем, берем кока-колу и добавляем в нее гидроксид натрия. В кока-коле есть фосфорная кислота, при взаимодействии ее с гидроксидом натрия, получается вещество ортофосфат натрия, а также вода. Так вот, если в ортофосфат натрия добавить алюминий, получается бурная реакция с выделением водорода, который нам и нужен.
Все, что нам останется, это приспособить емкость для проведения реакции, а также установить фильтры и потребитель водорода, коим является ДВС.
Двигатель нужно подготовить к работе на газу. Для этого нам понадобится небольшая пластиковая бутылочка. Вырезаем в крышке отверстия под винты и делаем входящее отверстие под карбюраторное. Крышку крепим к карбюратору. От бутылочки отрежьте донышко, а вместо него наденьте губку или что-то подобное, что подойдет на роль фильтра.
Проделайте у входа в карбюратор отверстие в бутылочке и установите шланг для подвода газа.
Валы генератор и двигателя соединяются с помощью куска резинового шланга. Для надежности вы можете вставить более тонкий шланг в более толстый. Фиксируем все это дело с помощью металлических хомутов.
После этого можно попробовать завести двигатель. Брызните на воздушный фильтр жидкости для запуска двигателя и подайте напряжение на двигатель, чтобы раскрутить ДВС. Не забывайте о зажигании и направлении вращения.
В процессе реакции выделяется столько тепла, что вода начинает кипеть. Чтобы этого избежать, автор поливает канистру холодной водой.
