Najúžasnejšia vlastnosť pre sci-fi a v zásade očakávaná v budúcnosti všetkými z nás - je naplnená vodou v nádrži na auto a odštartovala. V súčasnosti sa vodík už dlho zvažuje a na niektorých miestach sa používa ako ekologický druh paliva. Širšiemu využívaniu vodíkových palív však v súčasnosti bráni množstvo nevyriešených problémov, ktorých hlavným problémom je skladovanie a preprava.

A tu by bola najlepšou možnosťou jeho priama výroba v aute priamo z vody.

Zdá sa, že sa k tomu dostávame bližšie a bližšie ...

Skupina vedcov z amerického armádneho výskumného laboratória, ktorá uskutočňovala experimenty v Aberdeen Proving Ground neďaleko Marylandu, dospela k náhodnému objavu. Po rozliatí vody na tyč zo špeciálnej hliníkovej zliatiny, ktorej zloženie je stále utajené, vedci zaznamenali proces rýchleho vývoja vodíka, ktorý sa ihneď začal.

Ak si na školskom semestri pamätá niekto iný, vodík je vedľajší produkt reakcie medzi vodou a hliníkom. Táto reakcia však zvyčajne prebieha iba pri dostatočne vysokej teplote alebo v prítomnosti špeciálnych katalyzátorov. A potom to ide celkom „pokojne“, naplnenie nádrže na vodíkový automobil trvá približne 50 hodín a energetická účinnosť tohto spôsobu výroby vodíka nepresahuje 50 percent.

Všetky vyššie uvedené nie sú relevantné pre reakciu, v ktorej je zahrnutá nová zliatina hliníka. „Účinnosť tejto reakcie sa blíži k 100 percentám a samotná reakcia sa„ zrýchľuje “na maximálnu produktivitu za menej ako tri minúty,“ uviedol Scott Grendahl, vedúci výskumného tímu.

Použitie systému, ktorý produkuje vodík podľa potreby, rieši veľa problémov. Voda a zliatina hliníka sa ľahko prenášajú z jedného miesta na druhé, obe tieto látky sú samy osebe inertné a stabilné. Po druhé, na začatie reakcie nie je potrebný žiadny katalyzátor ani počiatočný impulz, reakcia začína prebiehať, len čo sa voda dostane do styku so zliatinou.

To všetko neznamená, že vedci našli všeliek v oblasti vodíka. V tomto prípade stále existuje množstvo problémov, ktoré je potrebné objasniť alebo objasniť. Prvou otázkou je, či bude taký systém výroby vodíka mimo laboratória fungovať, pretože existuje veľa príkladov, kde experimentálne technológie fungujú v laboratórnych podmienkach dobre, ale v terénnych pokusoch úplne zlyhajú. Druhou otázkou je otázka zložitosti a nákladov na výrobu hliníkovej zliatiny, nákladov na používanie reakčných produktov, ktoré sa stanú faktormi určujúcimi ekonomickú uskutočniteľnosť novej metódy výroby vodíka.

Na záver treba poznamenať, že na objasnenie vyššie uvedených otázok s najväčšou pravdepodobnosťou nebude trvať tak dlho. Až potom bude možné vyvodiť závery o ďalšej životaschopnosti novej metódy výroby vodíka.

PS, Delorian na prvom obrázku, aby upútal pozornosť :-)

zdroje

Vodík je jediný plyn, ktorý sa znateľne rozpúšťa v hliníku a jeho zliatinách. Jeho rozpustnosť sa mení v pomere k teplote a druhej odmocnine tlaku. Ako je znázornené na obrázku, rozpustnosť vodíka v tekutom hliníku je výrazne vyššia ako v pevnom hliníku: 0,65 a 0,034 ml / 100 g, v danom poradí. Tieto hodnoty sa mierne líšia v závislosti od chemického zloženia zliatin. Ak je ochladzovanie a tuhnutie roztaveného hliníka s obsahom vodíka podstatne vyššie ako jeho rozpustnosť v pevnom stave, môže sa (vodík) uvoľňovať v molekulárnej forme, čo vedie k tvorbe primárnych alebo sekundárnych pórov.

Vodíková pórovitosť hliníka

Tvorba vodíkových bublín v hliníku je vysoko závislá od rýchlosti ochladzovania a tuhnutia, ako aj od prítomnosti centier nukleácie na vývoj vodíka, ako sú oxidy zachytené vo vnútri taveniny. Preto si tvorba pórovitosti vyžaduje výrazný prebytok obsahu rozpusteného vodíka v porovnaní s rozpustnosťou vodíka v pevnom hliníku. V neprítomnosti nukleačných centier vyžaduje vývoj vodíka relatívne vysokú koncentráciu vodíka - asi 0,30 ml / 100 g. V mnohých priemyselných zliatinách sa pórovitosť nezistí ani pri tak vysokom obsahu vodíka, ako je 0,15 ml / 100 g.

Vodík v hliníkových odliatkoch

Poloha vodíka v kalenom hliníku závisí od jeho hladiny v tekutom hliníku a od podmienok, za ktorých došlo k tvrdnutiu. Pretože prítomnosť vodíkovej pórovitosti je výsledkom nukleačných a rastových mechanizmov, ktoré sú riadené difúziou, zníženie koncentrácie vodíka a zvýšenie rýchlosti tuhnutia majú prevažujúci vplyv na nukleáciu a rast pórov. Z tohto dôvodu sú vyrobené odliatky náchylnejšie na defekty spojené s vodíkom ako napríklad odliatky, ktoré sa vyrábajú.

Zdroje vodíka v hliníku

Vodík vstupuje do hliníka z mnohých zdrojov, vrátane atmosféry pece, vsádzkových materiálov, tavív, taviacich nástrojov a reakcií medzi roztaveným hliníkom a formou.

Atmosféra pece, Ak taviareň pracuje na zemný plyn alebo, napríklad, na vykurovací olej, potom je možné nedokonalé spaľovanie paliva s tvorbou voľného vodíka.

Nabíjajte materiály, Ingoty, šrot a zlievarenské výrobky môžu obsahovať oxidy, korózne výrobky, piesok a ďalšie zlievarenské obrysy, ako aj mazadlá, ktoré sa používajú pri obrábaní. Všetky tieto znečisťujúce látky sú potenciálnymi zdrojmi vodíka, ktorý sa vytvára pri regenerácii organických látok alebo chemickom rozklade vodnej pary.

Tavivá.  Väčšina tokov sú soli a ako sú všetky soli hygroskopické, to znamená, že sú pripravené „potešiť“ vodu. Preto mokrý tok nevyhnutne zavádza vodík do taveniny, ktorá sa vytvára chemickým rozkladom vody.

Taviace nástroje.  Taviace nástroje, ako sú vrcholy, škrabky a lopaty, môžu byť tiež zdrojom vodíka, ak sa nebudú udržiavať čisté. Oxidy a zvyšky taviva na takýchto nástrojoch sú obzvlášť zložitými zdrojmi kontaminácie, pretože absorbujú vlhkosť priamo z okolitého vzduchu. Žiaruvzdorné pece, odkvapové žľaby a distribučné kanály, vápenné a cementové malty, vzorkovacie panvy sú potenciálne zdroje vodíka, najmä ak nie sú dostatočne vysušené.

Interakcia medzi tekutým hliníkom a plesňou.  Pokiaľ tekutý kov počas plnenia formy prúdi príliš turbulentne, môže zachytiť vzduch do svojho vnútorného objemu. Ak vzduch nemôže alebo nemá čas vystúpiť pred začiatkom tuhnutia, vodík vstúpi do kovu. Nesprávne vyrobené podávače foriem môžu tiež spôsobiť zachytenie vzduchu. Ďalším zdrojom vodíka sú príliš vlhké pieskové formy.

Reakcia hliníka s vodíkom

Predpokladá sa, že hliník, rovnako ako väčšina kovov, priamo nereaguje s vodíkom. Kovy obvykle tvoria zlúčeniny stratou elektrónov, ktoré sú akceptované inými prvkami. Vodík tiež vytvára zlúčeniny, ktoré strácajú elektróny (alebo zdieľajú elektróny). Atómy vodíka preto zvyčajne neakceptujú elektróny, ktoré darujú kovy za vzniku zlúčenín. Iba niektoré veľmi reaktívne kovy, ako napríklad sodík, draslík, vápnik a horčík, môžu „donútiť“ atómy vodíka, aby prijali svoje elektróny za vzniku pevných iónových zlúčenín nazývaných hydridy týchto kovov.

Priama syntéza hydridu hliníka z vodíka a hliníka vyžaduje šialený tlak asi 2 000 000 000 atmosfér a teplotu nad 800 K. Medzitým existuje taká zlúčenina, ako je hydrid hlinitý. Hydrid hlinitý je nestabilná zlúčenina, ktorá sa ľahko rozkladá pri teplotách nad 100 ° C. Nezískava sa priamo, ale v dôsledku reakcií iných zlúčenín.

ALUMINIUM

Hliník je prvok so sériovým číslom 13, relatívna atómová hmotnosť - 26,98154. Nachádza sa v III. Etape, III. Skupine, hlavnej podskupine. Elektronická konfigurácia: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 3d 0. Stabilný oxidačný stav hliníka je „+3“. Katión vytvorený v tomto prípade má obal vzácneho plynu, ktorý prispieva k jeho stabilite, ale pomer náboja k polomeru, to znamená koncentrácia náboja, je dostatočne vysoká, čo zvyšuje energiu katiónu. Táto vlastnosť vedie k skutočnosti, že hliník tvorí spolu s iónovými zlúčeninami množstvo kovalentných zlúčenín a jeho katión prechádza v roztoku významnou hydrolýzou.

Hliník môže vykazovať valenciu I iba pri teplotách nad 1500 ° C. Al2O a AlCl sú známe.

Hliník je podľa svojich fyzikálnych vlastností typický kov s vysokou tepelnou a elektrickou vodivosťou, druhý za striebrom a meďou. Ionizačný potenciál hliníka nie je príliš vysoký, takže od neho možno očakávať veľkú chemickú aktivitu, ale je významne znížený v dôsledku skutočnosti, že kov je pasivovaný vo vzduchu v dôsledku tvorby silného oxidového filmu na jeho povrchu. Ak je kov aktivovaný: a) mechanicky odstráňte film, b) amalgamát (reagujte s ortuťou), c) použite prášok, potom sa taký kov stáva tak reaktívnym, že dokonca interaguje s vlhkosťou a kyslíkom, pričom sa podľa postupu zrúti:

4 (Al, Hg) + 3O2 + 6H20 \u003d 4Al (OH) 3 + (Hg)

Interakcia s jednoduchými látkami.

1. Práškový hliník reaguje so silným zahrievaním   s kyslíkom.Tieto podmienky sú potrebné kvôli pasivácii a samotná reakcia tvorby oxidu hlinitého je vysoko exotermická - uvoľňuje sa 1676 kJ / mol tepla.

2. S chlórom a brómomreaguje v štandardných podmienkach, je dokonca schopný vznietiť sa vo svojom prostredí. Iba neodpovedá s fluoridom  pretože fluorid hlinitý, podobne ako oxid, tvorí ochranný film soli na povrchu kovu. S jódomreaguje pri zahrievaní a v prítomnosti vody ako katalyzátora.

3. Sivou farboureaguje počas fúzie, čím sa získa sulfid hlinitý Al2S3.

4. Fosfor C tiež reaguje pri zahrievaní za vzniku fosfidu: AlP.

5. Priamo s vodíkomhliník nereaguje.

6. S dusíkominteraguje pri 800 ° C, čím poskytuje nitrid hliníka (AlN). Malo by sa povedať, že hliník horí na vzduchu pri približne takých teplotách, preto produktmi spaľovania (berúc do úvahy zloženie vzduchu) sú oxid aj nitrid.

7. S uhlíkom  hliník interaguje pri ešte vyššej teplote: 2000 ° C. Karbid hliníka v zložení Al4C3 patrí k metanidom, neobsahuje väzby C - C a metán sa uvoľňuje počas hydrolýzy: Al4C3 + 12H20 \u003d 4Al (OH) ) 3 + 3CH4

Interakcia s komplexnými látkami

1. S vodouaktivovaný (bez ochranného filmu) hliník aktívne reaguje s vývojom vodíka: 2Al (akt.) + 6H20 \u003d 2Al (OH) 3 + 3H2 Hydroxid hlinitý sa získa vo forme sypkého bieleho prášku, neprítomnosť filmu nezasahuje do reakcie.

2. Reakcia s kyselinami:a) Hliník aktívne interaguje s neoxidujúcimi kyselinami podľa rovnice: 2Al + 6H30 + + 6H20 \u003d 2++ + 3H2,

b) Pri oxidujúcich kyselinách dochádza k interakcii s nasledujúcimi vlastnosťami. Koncentrovaná kyselina dusičná a kyselina sírová, ako aj veľmi zriedený pasivát hliníka v kyseline dusičnej (rýchla oxidácia povrchu vedie k tvorbe oxidového filmu) v chlade. Po zahriatí sa film rozbije a reakcia prechádza, ale iba koncentrované kyseliny sa pri zahrievaní izolujú iba produkty ich minimálnej redukcie: 2Al + 6H2S04 (konc.) \u003d Al2 (S04) 3 + 3SO2 6H20 O Al + 6HN03 ( konc) \u003d AI (N03) 3 + 3NO 2 + 3 H20 Pomocou mierne zriedenej kyseliny dusičnej je možné v závislosti od reakčných podmienok získať NO, N20, N2, NH4 +.

3, Interakcia s alkáliami.Hliník je amfotérny prvok (v chemických vlastnostiach), pretože má dostatočne veľkú elektronegativitu pre kovy - 1.61. Preto je celkom ľahko rozpustný v alkalických roztokoch s tvorbou hydroxokomplexov a vodíka. Zloženie hydroxokomplexu závisí od pomeru činidiel: 2Al + 2NaOH + 6H20 \u003d 2Na + 3H2 2Al + 6NaOH + 6H20 \u003d 2Na3 + 3H2. Pomer hliníka a vodíka je určený elektronickou rovnováhou redoxnej reakcie medzi nimi a pomerom činidiel nezávislý.

4. Nízky ionizačný potenciál a vysoká afinita pre kyslík (vysoká stabilita oxidu) vedú k skutočnosti, že hliník aktívne interaguje s oxidy mnohých kovovich obnovenie. Reakcie sa uskutočňujú počas počiatočného zahrievania s ďalším vývojom tepla, takže teplota stúpa na 1 200 - 3 000 ° C. Zmes 75% hliníkového prášku a 25% (hmotnostných) Fe304 sa nazýva „termit“. Doteraz sa spaľovacia reakcia tejto zmesi používala na zváranie koľajníc. Redukcia kovov z oxidov pomocou hliníka sa nazýva aluminotermia a používa sa v priemysle ako spôsob výroby kovov, ako sú mangán, chróm, vanád, volfrám a ferozliatiny.

5. So soľnými roztokmihliník interaguje dvoma rôznymi spôsobmi. 1. Ak má soľný roztok v dôsledku hydrolýzy kyslé alebo zásadité médium, uvoľňuje sa vodík (pri kyslých roztokoch prebieha reakcia iba pri významnom zahrievaní, pretože ochranný oxidový film sa rozpúšťa lepšie v zásadách ako v kyselinách). 2Al + 6KHS04 + (H20) \u003d Al2 (S04) 3 + 3K2S04 + 3H202Al + 2K2C03 + 8H20 \u003d 2K + 2KHC03 + 3H2. 2. Hliník môže vytlačiť kovy zo zloženia solí, ktoré sú napravo od vedenia napätia, ako je napr bude skutočne oxidovaný katiónmi týchto kovov. Kvôli oxidovému filmu táto reakcia nie vždy nastane. Napríklad chloridové anióny sú schopné rozbiť film a reakcia 2Al + 3FeCl2 \u003d 2AlCl3 + 3Fe prechádza a podobná reakcia so síranmi pri izbovej teplote nebude fungovať. Pri aktivovanom hliníku bude fungovať každá interakcia, ktorá nie je v rozpore so všeobecným pravidlom.

Hliníkové zlúčeniny.

1. Oxid (AI203). Známy vo forme niekoľkých modifikácií, z ktorých väčšina je veľmi trvanlivá a chemicky inertná. Modifikácia a-Al203 sa prirodzene vyskytuje vo forme minerálu korundu. V kryštálovej mriežke tejto zlúčeniny sú niekedy katióny hliníka čiastočne nahradené katiónmi iných kovov, ktoré dodávajú minerálu farbu. Prímes Cr (III) dáva červenú farbu, taký korund je už rubínovým drahokamom. Prímes Ti (III) a Fe (III) poskytuje modrý zafír. Amorfná modifikácia je chemicky aktívna. Oxid hlinitý je typický amfotérny oxid, ktorý reaguje s kyselinami aj s oxidmi kyselín a s alkáliami a zásaditými oxidmi, pričom zásady sú výhodné. Reakčné produkty v roztoku a v tuhej fáze sa počas fúzie líšia: Na20 + AI203 \u003d 2NaAl02 (fúzia) - metaaluminát sodný, 6NaOH + AI203 \u003d 2Na3Al03 + 3H20 (fúzia) - ortoaluminát. sodík, Al203 + 3Cr03 \u003d Al2 (Cr04) 3 (fúzia) - chroman hlinitý. Okrem oxidov a tuhých alkálií hliník počas legovania reaguje so soľami tvorenými prchavými oxidmi kyselín a vytesňuje ich zo zloženia solí: K2C03 + AI203 \u003d 2KA102 + CO2 Reakcie v roztoku: AI203 + 6HCl \u003d 2 3+ + 6Cl 1- + 3H20 Al203 +2 NaOH + 3H20 \u003d 2 Na-tetrahydroxoaluminát sodný. Tetrahydroxoaluminátový anión je vlastne 1- tetrahydroxodiaquaanion, pretože uprednostňuje sa koordinačné číslo 6 pre hliník. S nadbytkom zásady sa vytvorí hexahydroxoaluminát: AI203 + 6NaOH + 3H20 \u003d 2Na3. Okrem kyselín a zásad je možné očakávať reakcie s kyslými soľami: 6KHS04 + AI203 \u003d 3K2S04 + AI2 (S04) 3 + 3H20.

3. Hydroxidy hliníka, Sú známe dva hydroxidy hlinité - metahydroxid –AlO (OH) a ortohydroxid –Al (OH) 3. Obidve sa nerozpúšťajú vo vode, ale sú tiež amfotérne, preto sa rozpúšťajú v roztokoch kyselín a zásad, ako aj solí, ktoré majú kyslé alebo zásadité prostredie v dôsledku hydrolýzy. Pri fúzii hydroxidy reagujú podobne ako oxid. Ako všetky nerozpustné bázy sa hydroxidy hlinité zahrievajú pri zahrievaní: 2Al (OH) 3 \u003d AI203 + 3H20. Keď sa hydroxidy hlinité rozpustia v alkalických roztokoch, nerozpúšťajú sa vo vodnom amoniaku, takže sa môžu zrážať amoniakom z rozpustnej soli: Al (NO) 3) 3 + 3NH3 + 2H20 \u003d AlO (OH) ↓ + 3NH4N03, táto reakcia produkuje presne metahydroxid. Je ťažké vyzrážať hydroxid alkalickou látkou, napr výsledná zrazenina sa ľahko rozpustí a celková reakcia má formu: AlCl3 + 4 NaOH \u003d Na + 3NaCl

4. Soli hliníka. Takmer všetky soli hliníka sú vysoko rozpustné vo vode. Nerozpustný fosforečnan AlP04 a fluorid AlF3. pretože katión hliníka má vysokú koncentráciu náboja, jeho aquakomplex nadobúda vlastnosti kyseliny katiónovej: 3+ + H20 \u003d H30 + + 2+, t.j. soli hliníka podliehajú silnej hydrolýze katiónov. V prípade solí slabých kyselín sa v dôsledku vzájomného zvýšenia hydrolýzy katiónom a aniónom stane hydrolýza nezvratná. Roztok sa úplne rozloží vodou alebo ho nemožno získať výmennou reakciou uhličitanu, siričitanu, sulfidu a kremičitanu hlinitého: Al2S3 + 6H20 \u003d 2Al (OH) 3 ↓ + 3H2S2Al (NO3) 3 + 3K2 CO3 + 3H20 \u003d 2Al (OH) 3 ↓ + 3CO2 + 6KNO3. Pri niektorých soliach sa hydrolýza pri zahrievaní nevratná. Mokrý octan hlinitý sa pri zahrievaní rozkladá podľa rovnice: 2Al (OOCCH3) 3 + 3H20 \u003d AI203 + 6CH3 COOH V prípade halogenidov hliníka sa rozklad soli uľahčí znížením rozpustnosti plynných halogenidov halogénu pri zahrievaní: AlCl3 + 3H20 \u003d AI (OH) 3 ↓ + 3HCl. Z halogenidov hliníka je iontová zlúčenina iba fluorid, zvyšok halogenidov sú kovalentné zlúčeniny, ich teploty topenia sú výrazne nižšie ako teploty topenia fluoridu, chlorid hlinitý môže sublimovať. Pri veľmi vysokých teplotách sú jednotlivé molekuly halogenidu hlinitého s plochou trojuholníkovou štruktúrou umiestnené v pároch kvôli hybridizácii sp2 atómových orbitálov centrálneho atómu. Hlavným stavom týchto zlúčenín vo výparoch a niektorých organických rozpúšťadlách sú diméry, napríklad AI2C1 6. Halogenidy hliníka sú silné Lewisove kyseliny, ako sú napr mať neobsadený atómový orbitál. Rozpúšťanie vo vode sa preto vyskytuje pri uvoľňovaní veľkého množstva tepla. Zaujímavou triedou zlúčenín hliníka (ako aj iných trojmocných kovov) sú kamenec - 12-vodné dvojité sírany M I M III (S04) 2, ktoré po rozpustení, ako všetky dvojité soli, poskytujú zmes zodpovedajúcich katiónov a aniónov.

5. Komplexné zlúčeniny.Zvážte hydroxokomplexy hliníka. Sú to soli, v ktorých komplexná častica je anión. Všetky soli sú rozpustné. Zničené interakciou s kyselinami. V tomto prípade silné kyseliny rozpustia výsledný ortohydroxid a vyzrážajú ho slabé alebo zodpovedajúce kyslé oxidy (H2S, CO2, S02): K + 4HCl \u003d KCl + AlCl3 + 4H2 OK + CO2 \u003d Al (OH) 3 ↓ + KHCO 3

Pri kalcinácii sa hydroxyalumináty menia na orto - alebo metaalumináty, ktoré strácajú vodu.

železo

Prvok so sériovým číslom 26, s relatívnou atómovou hmotnosťou 55 847. Patrí do skupiny 3d prvkov, má elektronickú konfiguráciu: 3d 6 4s 2 a v periodickom systéme je v perióde IV, skupina VIII, vedľajšia podskupina. V zlúčeninách železo vykazuje prevažne oxidačné stavy +2 a +3. Ión Fe 3+ má polovicu naplnenú d-elektrónovú škrupinu, 3d 5, čo jej dodáva ďalšiu stabilitu. Oxidačné stavy +4, +6, +8 sa dosahujú oveľa ťažšie.

Železo je svojimi fyzikálnymi vlastnosťami strieborno-biely, lesklý, relatívne mäkký, kujný, ľahko magnetizovaný a demagnetizovaný kov. Bod topenia 1539 о С. Má niekoľko alotrópnych modifikácií, ktoré sa líšia typom kryštalickej mriežky.

  Vlastnosti jednoduchej látky.

1. Pri spaľovaní na vzduchu vytvára zmesný oxid Fe 3 O 4 a pri interakcii s čistým kyslíkom - Fe 2 O 3. Práškové železo je samozápalné - samovznietivé vo vzduchu.

2. Fluór, chlór a bróm ľahko reagujú so železom a oxidujú ho na Fe 3+. FeJ2 sa tvorí s jódom, pretože katión trojmocného železa oxiduje jodidový anión, a preto zlúčenina FeJ3 neexistuje.

3. Z podobného dôvodu neexistuje zlúčenina Fe2S3 a interakcia železa a síry v bode topenia síry vedie k zlúčenine FeS. S prebytkom síry sa získa disulfid pyrito - železo (Fe) 2. Vytvoria sa tiež nestechiometrické zlúčeniny.

4. Železo reaguje s inými nekovmi pri silnom zahrievaní, pričom vytvára pevné roztoky alebo zlúčeniny podobné kovom. Reakcia prebiehajúca pri 500 ° C môže byť uskutočnená: 3Fe + C \u003d Fe3C. Táto zlúčenina železa a uhlíka sa nazýva cementit.

5. Pri mnohých kovoch formy železa tvoria zliatiny.

6. Na vzduchu pri izbovej teplote je železo potiahnuté filmom oxidu, preto neinteraguje s vodou. Interakcia s prehriatu parou poskytuje nasledujúce produkty: 3Fe + 4H20 (para) \u003d Fe304 + 4H2. V prítomnosti kyslíka železo dokonca interaguje s vlhkosťou vzduchu: 4Fe + 3O2 + 6H20 \u003d 4Fe (OH) 3. Uvedená rovnica odráža proces hrdzavenia, ktorý je vystavený až 10% kovových výrobkov ročne.

7. Pretože železo je v sérii stresov až po vodík, ľahko reaguje s neoxidujúcimi kyselinami, ale iba oxiduje na Fe 2+.

8. Koncentrovaná kyselina dusičná a kyselina sírová pasivujú železo, ale pri zahrievaní dochádza k reakcii. Zriedená kyselina dusičná tiež reaguje pri teplote miestnosti. So všetkými oxidujúcimi kyselinami železo poskytuje soli železa (III) (podľa niektorých správ je možné so zriedenou kyselinou dusičnou vytvoriť dusičnan železitý) a redukuje HNO 3 (rozklad) na NO, N20, N2, NH4. + v závislosti od podmienok a HNO 3 (konc.) - na NO 2 z dôvodu zahrievania, ktoré je nevyhnutné pre pokračovanie reakcie.

9. Železo je schopné pri zahrievaní reagovať s koncentrovanými (50%) zásadami: Fe + 2KOH + 2H20 \u003d K2 + H2

10. Reakciou s roztokmi solí menej aktívnych kovov železo tieto kovy vytláča zo soli a premení sa na dvojmocný katión: CuCl2 + Fe \u003d FeCl2 + Cu.

Vlastnosti zlúčenín železa.

Fe 2+  Pomer náboja k polomeru tohto katiónu je blízky pomeru náboja Mg2+, a preto je chemické správanie sa oxidu, hydroxidu a železitých solí podobné chovaniu zodpovedajúcich zlúčenín horčíka. Vo vodnom roztoku tvorí železitý katión 2+ svetlozelený vodný komplex. Tento katión sa ľahko oxiduje aj priamo v roztoku atmosférickým kyslíkom. Roztok FeCl2 obsahuje komplexné častice 0. Koncentrácia náboja takého katiónu je nízka, a preto je hydrolýza solí mierna.

1. FeO - hlavný oxid, čierny, sa vo vode nerozpúšťa. Ľahko rozpustný v kyselinách. Pri zahrievaní nad 500 ° C je neprimerané: 4FeO \u003d Fe + Fe304. Môže sa získať opatrným kalcinovaním príslušného hydroxidu, uhličitanu a oxalátu, zatiaľ čo tepelný rozklad iných solí Fe2 + vedie k tvorbe oxidu železitého: FeC204 \u003d FeO + CO + CO2, ale 2 FeSO4 \u003d Fe20 3 + S02 + S03 4Fe (N03) 2 \u003d 2Fe203 + 8NO 2 + 02 Oxid železitý (II) môže sám pôsobiť ako oxidačné činidlo, napríklad pri zahrievaní dôjde k reakcii: 3FeO + 2NH3 \u003d 3Fe + N 2 + 3H20

2. Zásada nerozpustná v hydroxidu Fe (OH) 2 - železnatom. Reaguje s kyselinami. K interakcii kyselina-báza a oxidácii na železité železo dochádza súčasne s oxidujúcimi kyselinami: 2Fe (OH) 2 + 4H2SO4 (konc.) \u003d Fe2 (S04) 3 + S02 + 4H20. Môže sa získať výmenou reakcie rozpustných solí. Jedná sa o bielu zlúčeninu, ktorá v dôsledku interakcie so vzdušnou vlhkosťou na vzduchu najskôr zmení farbu na zelenú a potom hnednú v dôsledku oxidácie atmosférickým kyslíkom: 4Fe (OH) 2 + 2H20 + 02 \u003d 4Fe (OH) 3.

3. Soli. Ako už bolo uvedené, väčšina solí Fe (II) sa pomaly oxiduje na vzduchu alebo v roztoku. Najodolnejšie voči oxidácii je Mohrova soľ - dvojitý síran železa (II) a amónny: (NH4) 2 Fe (S04) 2. 6H20. Katión Fe2 + sa ľahko oxiduje na Fe3 +, preto väčšina oxidačných činidiel, najmä oxidačné kyseliny, oxiduje železité soli. Pri spaľovaní sulfidu a sírovodíka sa získa oxid železitý a oxid siričitý: 4FeS2 + 11O2 \u003d 2Fe203 + 8SO2 Sulfid železitý sa tiež rozpúšťa v silných kyselinách: FeS + 2HCl \u003d FeCl2 + 2H2S Uhličitan železitý je nerozpustný, zatiaľ čo hydrogenuhličitan sa rozpúšťa vo vode.

Fe 3+Vzťahuje sa na polomer tento katión zodpovedá katiónu hliníka ,   preto vlastnosti katiónových zlúčenín železa (III) sú podobné ako zodpovedajúce zlúčeniny hliníka.

Fe 2 O 3 - hematit, oxid amfotérny, v ktorom prevládajú hlavné vlastnosti. Amfotérnosť sa prejavuje v možnosti legovania s tuhými uhličitanmi alkalických kovov a uhličitanov alkalických kovov: Fe203 + 2NaOH \u003d H20 + 2NaFe02 - žltá alebo červená, Fe203 + Na2C03 \u003d 2NaFe02 + CO2. Ferráty (II) sa rozpadajú vodou s uvoľňovaním Fe203. nH20.

Fe304- magnetit, čierna látka, ktorú možno považovať za zmiešaný oxid - FeO. Fe203 alebo ako oxometaferát železitý (III): Fe (Fe02) 2. Pri interakcii s kyselinami sa získa zmes solí: Fe304 + 8HCl \u003d FeCl2 + 2FeCl3 + 4H20.

Fe (OH) 3 alebo FeO (OH) je červenohnedá želatínová zrazenina, amfotérny hydroxid. Okrem interakcií s kyselinami reaguje s horúcim koncentrovaným alkalickým roztokom a je kondenzovaný s pevnými zásadami a uhličitanmi: Fe (OH) 3 + 3KOH \u003d K3.

Soľ.Väčšina solí železitého železa je rozpustných. Rovnako ako soli hliníka podliehajú silnej hydrolýze katiónom, ktorý sa v prítomnosti aniónov slabých a nestabilných alebo nerozpustných kyselín môže stať nevratným: 2FeCl3 + 3Na2C03 + 3H20 \u003d 2Fe (OH) 3 + 3CO2 + 6NaCl. Pri varení roztoku chloridu železitého môže byť hydrolýza tiež nezvratná, pretože rozpustnosť chlorovodíka ako akéhokoľvek plynu pri zahrievaní klesá a opúšťa reakčnú sféru: FeCl3 + 3H20 \u003d Fe (OH) 3 + 3HCl (pri zahrievaní).

Oxidačná schopnosť tohto katiónu je veľmi vysoká, najmä s ohľadom na konverziu Fe2 + na katión: Fe3 + + ε \u003d Fe2 + φ o \u003d 0,77v. V dôsledku toho:

a) roztoky železitých solí oxidujú všetky kovy až na meď: 2Fe (NO 3) 3 + Cu \u003d 2Fe (NO 3) 2 + Cu (N03) 2,

b) výmenné reakcie so soľami obsahujúcimi ľahko oxidovateľné anióny prechádzajú súčasne s ich oxidáciou: 2FeCl3 + 2KJ \u003d FeCl2 + J2 + 2KCl2FeCl3 + 3Na2S \u003d 2FeS + S + 6NaCl

Podobne ako iné trojmocné katióny, aj železo (III) je schopné tvoriť kamenec - dvojité sírany s katiónmi alkalických kovov alebo amónia, napríklad: NH4 Fe (S04) 2. 12H20;

Komplexné zlúčeniny.  Oba katióny železa sú náchylné na tvorbu aniónových komplexov, najmä železa (III). FeCl3 + KCl \u003d K, FeCl3 + Cl2 \u003d Cl + -. Táto posledná reakcia odráža účinok chloridu železitého ako katalyzátora elektrofilnej chlorácie. Zaujímavé sú kyanidové komplexy: 6KCN + FeS04 \u003d K4 - hexakyanoželezitan draselný (II), žltá krvná soľ. 2K4 + Cl2 \u003d 2K3 + 2KCl - hexakyanoferát draselný (III), červená krvná soľ. Komplex železného železa poskytuje modrú zrazeninu alebo roztok so železitou soľou, v závislosti od pomeru reaktantov. Rovnaká reakcia sa vyskytuje medzi červenou krvnou soľou a akoukoľvek železitou soľou. V prvom prípade sa zrazenina nazývala pruská modrá, v druhom - modrá. Neskôr sa ukázalo, že aspoň roztoky majú rovnaké zloženie: K - hexakyanoferát draselný železo (II, III). Opísané reakcie sú kvalitatívne na prítomnosť zodpovedajúcich katiónov železa v roztoku. Kvalitatívnou reakciou na prítomnosť železitého katiónu je objavenie sa červeno-červenej farby pri interakcii s tiokyanátom draselným (tiokyanát): 2FeCl3 + 6KCNS \u003d 6KCl + Fe.

Fe +6, Oxidačný stav +6 pre železo je nestabilný. Je možné získať iba anión Fe04-, ktorý existuje iba pri pH\u003e 7-9, ale je to silné oxidačné činidlo.

Fe203 + 4KOH + 3KNO3 \u003d 2K2 Fe04 + 3KNO 2 + 2H20

Fe (piliny) + H20 + KOH + KNO 3 \u003d K2 Fe04 + KNO 2 + H2

2Fe (OH) 3 + 3Cl2 + 10KOH \u003d 2K2 Fe04 + 6KCl + 6H20

Fe203 + KCl3 + 4KOH \u003d 2K2 Fe04 + KCl + 2H20

4K2 Fe04 + 6H20 \u003d 4FeO (OH) ↓ + 8KOH + 3O2

4BaFe04 (zahrievanie) \u003d 4BaO + 2Fe203 + 3O2

2K2 FeO 4 + 2CrCl3 + 2HCl \u003d FeCl3 + K2Cr207 + 2KCl + H20

Výroba železa v priemysle:

A) doménový proces: Fe203 + C \u003d 2FeO + CO

FeO + C \u003d Fe + CO

FeO + CO \u003d Fe + CO2

B) aluminotermia: Fe203 + Al \u003d AI203 + Fe

CHROM - prvok so sériovým číslom 24 s relatívnou atómovou hmotnosťou 51,996. Patrí do skupiny 3d prvkov, má elektronickú konfiguráciu 3d 5 4s 1 av periodickom systéme je v IV perióde, VI skupine, vedľajšej podskupine. Možné oxidačné stavy: +1, +2, +3, +4, +5, +6. Z nich sú najstabilnejšie +2, +3, +6 a +3 má minimálnu energiu.

Podľa jeho fyzikálnych vlastností je chróm sivobiely, lesklý tvrdý kov s teplotou topenia 1890 ° C. Sila jeho kryštalickej mriežky je spôsobená prítomnosťou piatich nepárových d-elektrónov schopných čiastočnej kovalentnej väzby.

Chemické vlastnosti jednoduchej látky.

Pri nízkych teplotách je chróm inertný kvôli prítomnosti oxidového filmu, neinteraguje s vodou a vzduchom.

1. Interaguje s kyslíkom pri teplotách nad 600 ° C. V tomto prípade sa tvorí oxid chromitý (III) - Cr203.

2. Interakcia s halogénmi nastáva rôznymi spôsobmi: Cr + 2F2 \u003d CrF4 (pri izbovej teplote), 2Cr + 3Cl2 (Br2) \u003d 2CrCl3 (Br3), Cr + J2 \u003d CrJ2 (so značným zahrievaním) ). Malo by sa povedať, že jodid chrómu (III) môže existovať a je získaný výmennou reakciou vo forme kryštalického hydrátu CrJ3. 9H20, ale jeho tepelná stabilita je nízka a po zahriatí sa rozloží na CrJ2 a J2.

3. Pri teplotách nad 120 ° C reaguje chróm s roztavenou sírou, čím sa získa sulfid chrómu (II) - CrS (čierny).

4. Pri teplotách nad 1000 ° C chróm reaguje s dusíkom a uhlíkom, čím sa získajú nestechiometrické, chemicky inertné zlúčeniny. Medzi nimi je možné uviesť karbid s približným zložením CrC, ktorý sa v tvrdosti približuje k diamantu.

5. Chróm nereaguje s vodíkom.

6. Reakcia s vodnou parou prebieha takto: 2Cr + 3H20 \u003d Cr203 + 3H2

7. Reakcia s neoxidujúcimi kyselinami je pomerne ľahká, pričom sa vytvorí vodný komplex 2+ s bledomodrou farbou, ktorý je stabilný iba v neprítomnosti vzduchu alebo vo vodíkovej atmosfére. V prítomnosti kyslíka reakcia prebieha inak: 4Cr + 12HCl + 3O2 \u003d 4CrCl3 + 6H20. Zriedené kyseliny nasýtené kyslíkom dokonca pasivujú chróm kvôli tvorbe silného oxidového filmu na povrchu.

8. Kyslé oxidačné činidlá: kyselina dusičná v akejkoľvek koncentrácii, koncentrovaná kyselina sírová kyselina chloristá pasivuje chróm tak, že po povrchovej úprave týmito kyselinami už nereaguje s inými kyselinami. Po zahriatí sa pasivácia odstráni. V tomto prípade sa získajú soli chrómu (III) a síra alebo oxid dusičitý (z kyseliny chloristej - chloridu). K pasivácii v dôsledku tvorby soľného filmu dochádza počas interakcie chrómu s kyselinou fosforečnou.

9. Chróm nereaguje priamo s alkáliami, ale reaguje s alkalickými topeniami s prídavkom oxidačných činidiel: 2Cr + 2Na2C03 (g) + 3O2 \u003d 2Na2Cr04 + 2CO2.

10. Chróm je schopný reagovať so soľnými roztokmi a vytlačiť z aktívnej soli menej aktívne kovy (stojace napravo od nich v rade napätia). V tomto prípade sa chróm sám premení na katión Cr2 +.

Vynález sa týka chemického priemyslu, najmä zariadenia na výrobu hydroxidu hlinitého a vodíka. Zariadenie obsahuje zariadenie na miešanie jemne rozptýleného prášku hliníka a vody, reaktor na chemickú interakciu vody s hliníkom, sprevádzaný vývojom plynnej zmesi obsahujúcej vodík a tvorbu oxidačných produktov hliníka, ako aj zariadenie na odstraňovanie plynnej zmesi obsahujúcej vodík a oxidačných produktov hliníka. Reaktor na chemickú interakciu vody s hliníkom je vybavený miešacím zariadením a ultrazvukovým zariadením na ožarovanie suspenzie umiestneným vo vnútri reaktora. Vynález zlepšuje produktivitu procesu. 1 chorý.

Údaje k patentu Ruskej federácie 2350563

[0001] Vynález sa týka chemického priemyslu, najmä zariadenia na výrobu vodíka a hydroxidu hlinitého v slabom roztoku zásady z kovu hliníka oxidáciou v ultrazvukovom poli.

Hydroxidy hliníka sa používajú v rôznych priemyselných odvetviach ako adsorbenty, katalyzátory atď. Hydroxidy hliníka vysokej čistoty sa používajú v elektronickom a optickom priemysle vo forme jemného prášku - najmä ako abrazívne prášky, pre pevné disky alebo magnetické hlavy, ako aj na získavanie surovín na tvrdenie keramiky, syntetických rubínov a zafírov pre optický a elektronický priemysel, na zvýšenie pevnostných charakteristík betónu v kritickej stavbe.

Vynález sa týka najmä spôsobu výroby hydroxidov hlinitého formy bôhitu. Táto metóda umožňuje získať vodík, ktorý sa môže použiť na chemickú výrobu, metalurgiu, autonómne zásobovanie energiou na základe vodíka.

Hlavnou metódou priemyselnej výroby hydroxidov hliníka je Bayerov proces a ich následné sušenie a kalcinácia vedie k produkcii oxidov hliníka (Chemical Encyclopedia, ed. "Soviet Encyclopedia", M., 1988, v.1, s.213-214).

Bežné spôsoby výroby hydroxidov hlinitých však neposkytujú vysokú čistotu produktu.

Známy spôsob výroby hydroxidov hliníka vo forme jemného prášku, ktorý spočíva v zmiešaní zlúčeniny hliníka, prekurzora hliníka a aspoň jednej zo zlúčenín použitých ako očkovací materiál pre kryštály hydroxidu hlinitého, po ktorej nasleduje kalcinácia v atmosfére obsahujúcej chlorovodík (EP č. 1262457, C01F 7/02, zverejnenie 04.12.2002).

Tento spôsob však neposkytuje materiál požadovanej čistoty a požadovanej štruktúry. Okrem toho spôsob výroby hydroxidov vo forme gélov je nepohodlný v tom, že jeho izolácia je ťažko filtrovateľná a okrem toho sú na získanie jemných práškov potrebné kroky mletia alebo extrúzie.

Zdá sa, že je vhodnejšie získať hydroxidy hlinité interakciou kovového hliníka s vodou, avšak v dôsledku tvorby oxidového filmu na povrchu hliníka sa jeho aktivita rýchlo znižuje. Aby sa tomuto javu zabránilo, používajú sa rôzne prísady.

Sú teda známe spôsoby výroby vodíka, ktoré spočívajú v interakcii kovov, vrátane hliníka s vodou (US č. 3348919, 423-657, publikácia 10.24.1967, US 3985866, 423-657, publikácia 12.10.1976). Pri týchto metódach sa však okrem hliníka používajú aj iné kovy - alkalické kovy, kovy alkalických zemín alebo zliatiny (EP č. 248960, 3/086, publikácia 16.12.1987).

Pri iných metódach (US č. 2958582, 423-627, zverejnenie 01.10.1958, US č. 2958583, 423-627, zverejnenie 01.10.1958) je potrebné použiť ďalšie látky, ktoré uľahčujú interakciu reagencií, napríklad katalytické množstvá. organické amíny. Zavedenie týchto látok znemožňuje získať čistý hydroxid hlinitý. Proces interakcie hliníka alebo jeho zlúčenín a vodíka sa uskutočňuje v zariadení, ktoré obsahuje reaktor s miešadlom, kde sa zavádzajú počiatočné reaktanty. Zariadenie obsahuje výmenník tepla, separátor a filter na oddelenie výslednej suspenzie hydroxidov hlinitého vodou.

Známy (US 2758011, 423-627, publikácia 07.08.1956), spôsob výroby oxidu hlinitého vo forme bôhitu (-AlOOH), ktorý spočíva v interakcii uskutočňovanej v autokláve, ktorý nanáša vodu a hliník vo forme jemných častíc. Zmes sa potom zahreje na teplotu 250 až 374 ° C (482 až 705 ° F) a potom sa začne miešanie pri rovnakej teplote pod tlakom dostatočným na udržanie vody v kvapalnej fáze. Proces sa uskutočňuje po dobu dostatočnú na interakciu všetkého hliníka, v uvedených príkladoch je tento čas asi 4 hodiny. Po reakcii všetkého hliníka sa miešanie zastaví, autokláv s reakčnou zmesou sa ochladí a výsledný hydroxid hlinitý sa oddelí. Zariadenie na uskutočnenie spôsobu zahrnuje reaktor s miešadlom, otvory na zavádzanie vody a práškového hliníka, nádržku, kondenzátor na príjem pary a plynu. Uskutočnenie takejto metódy v priemyselnom meradle nie je technologicky pokročilé z dôvodu jej periodického režimu; metóda neumožňuje meniť tvar výsledného produktu je hydroxid hlinitý.

Známy spôsob výroby vodíka, ktorý spočíva v tom, že látky obsahujúce kovy interagujú s vodou. Látky obsahujúce kovy sa pred plnením do reaktora potiahnu vodou rozpustným polymérnym filmom. Interakcia sa uskutočňuje vo vodnom médiu, ktorého parametre zodpovedajú parametrom jej nadkritického stavu, čo umožňuje uskutočňovať proces spaľovania látok obsahujúcich kovy po vrstvách s vývojom vodíka (RU č. 2165388, 3/10, publikácia 04.07.2000).

Práškový hliník sa môže použiť ako látky obsahujúce kovy a ako roztok vo vode rozpustného polyméru sa môže použiť roztok polyetylénoxidu v dioxáne alebo metylalkohole. Tlak nadkritického stavu vodného prostredia je vyšší ako 22,12 MPa a teplota je vyššia ako 647,3 K (374 ° C). Tento spôsob umožňuje získať vodíkovú zmes kompozície: 96,1 obj.% Vodíka, 3,9 obj.% Oxidu uhoľnatého; a vykonať regeneráciu suroviny. Forma výsledného procesu hydroxidu hlinitého však nie je bôhmit.

Známy je zlepšený spôsob výroby vysoko čistého hydroxidu hlinitého vo forme hydrargilitu, ktorý zahrnuje kroky: (a) zavedenie pevného, \u200b\u200bnepráškovaného hliníka, výhodne vo forme ingotov, do horúcej vody pri asi 70 ° C, aby sa získala reakčná zmes; (b) miešanie tejto zmesi počas približne 20 minút; (c) zavedenie alkalickej tuhej látky, výhodne hydroxidu sodného, \u200b\u200bdo zmesi a zahrievanie na teplotu varu; (d) zníženie teploty na 75 až 80 ° C a miešanie počas 60 minút; (e) zníženie teploty na teplotu miestnosti; a (f) filtrovanie zmesi, čo vedie k vysoko čistému hydroxidu hlinitému. Táto metóda používa ďalšiu látku - hydroxid sodný, ktorý prispieva k tvorbe nečistôt (US č. 5435986, C01F 7/02, publikácia 25.07.1995).

Známy spôsob výroby hydroxidov alebo oxidov hliníka a vodíka z hliníka a destilovanej vody, vyznačujúci sa tým, že z jemne rozptýleného hliníka s veľkosťou častíc najviac 20 μm sa pripraví suspenzia práškového hliníka vo vode v pomere Al: H20 \u003d 1: 4 až 16% hm. , ktorý sa nepretržite dodáva do vysokotlakového reaktora, kde sa suspenzia práškového hliníka rozprašuje s priemerom kvapiek najviac 100 μm do vody pri teplote 220 až 900 ° C a tlaku 20 až 40 MPa, s pomerom suspenzie k vode 1: 50 až 100%. hodiny po výstupe z maxima Pri tlaku sa plyn privádza do kondenzátora a vodík sa z neho odstráni a hydroxid hlinitý alebo oxid hlinitý sa prenesie do suspenznej vane. V tomto prípade sa hydroxid hlinitý formy bôhmitu získa pri teplote 250 až 350 ° C, tlaku 32 až 35 MPa s pomerom Al: H20 \u003d 1: 8 až 12 hmotnostných dielov. (RU č. 2223221, C01F 7/42, ВВ 3/10, publikácia 02/10/2004).

Z toho istého zdroja je známe zariadenie na implementáciu spôsobu vrátane miešača, reaktora, sedimentačnej nádrže na suspenziu, kondenzátora. Reaktor je zároveň vysokotlakovým zariadením vybaveným dýzou na rozprašovanie suspenzie práškového hliníka vo vode na priemer kvapôčok nie viac ako 100 um. Na uskutočnenie tohto spôsobu sa najprv pripraví suspenzia práškového hliníka (veľkosť častíc do 20 mikrónov, výhodne do 5 mikrónov) vo vode v pomere Al: H20 \u003d 1: 4 až 16 hmot. H. Táto disperzia sa privádza do reaktora, kde sa rozprašuje vo vode pod tlakom 20 až 40 MPa pri teplote 220 až 900 ° C. Je potrebné zaistiť jemné rozprašovanie suspenzie - veľkosť kvapiek by nemala byť väčšia ako 100 mikrónov, zatiaľ čo pomer suspenzie k vode je 1: 50 až 100 hmotnostných dielov s nepretržitým odstraňovaním vodíka a hydroxidu hlinitého.

Toto známe rozhodnutie bolo urobené ako prototyp.

Z analýzy domácich a zahraničných publikácií vyplýva, že v súčasnosti známe metódy nezabezpečujú úplnosť oxidácie hliníka vodou a sú neúčinné. Okrem toho tieto metódy používajú prevažne drahé ultrajemné prášky hliníka a aktivované zliatiny hliníka. Použitie tohto na výrobu vodíka je nekompromisné, pretože ide o energeticky náročné a neefektívne metódy.

Cieľom tohto vynálezu je vyriešiť technický problém vytvorenia zariadenia na kontinuálny proces, ktorý umožňuje súčasne získať hydroxidy vodíka a hliníka s vysokou čistotou konečného produktu pri najnižšej možnej spotrebe energie.

Technickým výsledkom dosiahnutým v tomto prípade je zvýšenie prevádzkovej efektívnosti a produktivity zabezpečením výroby čistých produktov oxidácie vodíka a hliníka pri súčasnom zachovaní bezpečného teplotného režimu procesnej zmesi a eliminácii tvorby výbušnej zmesi vodíka s kyslíkom.

Špecifikovaný technický výsledok sa dosiahne skutočnosťou, že v zariadení na výrobu hydroxidu hlinitého a vodíka, vrátane zariadenia na miešanie jemne rozptýleného hliníka a vody, reaktora na chemickú interakciu vody s hliníkom, sprevádzaného uvoľňovaním plynnej zmesi obsahujúcej vodík a tvorbou produktov oxidácie hliníka, ako aj zariadenia na odstraňovanie vodíka obsahujúceho plynnej zmesi a produktov oxidácie hliníka, reaktor na chemickú interakciu vody s hliníkom je vybavený miešacím zariadením ma zariadenie na ultrazvukové ožarovanie suspenzie umiestnenej vo vnútri reaktora.

Tieto vlastnosti sú významné a vzájomne súvisia s vytvorením stabilnej sady základných znakov dostatočných na dosiahnutie špecifikovaného technického výsledku.

Tento vynález je ilustrovaný konkrétnym príkladom, ktorý však nie je jediný možný, ale jasne demonštruje možnosť dosiahnuť vyššie uvedenú množinu znakov požadovaného technického výsledku.

Na výkrese je vývojový diagram výroby hydroxidu hlinitého a vodíka.

V rámci predloženého vynálezu je na výkrese znázornený vývojový diagram výroby hydroxidu hlinitého v reaktore pomocou ultrazvukovej aktivácie prášku kovového hliníka v slabom alkalickom roztoku v kontinuálnom režime pre kontinuálny spôsob výroby vodíka a nanodispergovaného hydroxidu hlinitého v reaktore pomocou ultrazvukovej aktivácie prášku kovového hliníka v slabom alkalickom roztoku.

Zariadenie na výrobu hydroxidu hlinitého a vodíka obsahuje zariadenie na miešanie jemne rozomletého prášku hliníka a vody vo vopred stanovenom pomere, z ktorého sa táto zmes privádza do reaktora na chemickú interakciu vody s hliníkom, sprevádzanú vývojom vodíka a tvorbou oxidačných produktov hliníka. Reaktor pre chemickú interakciu vody s hliníkom je vyrobený z nízkeho tlaku s funkciou zmiešavania rotácie suspenzie vo vnútri reaktora a je vybavený ultrazvukovým ožarovacím zariadením pre suspenziu vo vnútri reaktora, keď je miešaná rotáciou. Zariadenia na odstraňovanie plynnej zmesi obsahujúcej vodík a produktov oxidácie hliníka tvoria dopravné toky hotových výrobkov získaných v reaktore.

Zariadenie na výrobu hydroxidu hlinitého a vodíka zahrnuje plošinovú váhu 1, reaktor 2 s rozpúšťadlom, reaktor 3, kondenzátor 4, sušiacu kolónu 5, čistič 6, filter 7 (alebo odstredivku), elektrickú pec 8 (sušičku) a guľový mlyn 9, výmenník tepla 10. Reaktor 3 je vybavený tlakovým senzorom, senzorom teploty roztoku v reaktore, kovovým senzorom v roztoku v reaktore a zmiešavacím zariadením.

Roztok elektrolytu danej koncentrácie sa pripraví v rozpúšťadlovom reaktore 2 rozpustením množstva tuhej alkálie meranej váhami platforiem 1 v deionizovanej vode. Pripravený roztok sa privádza do reaktora súčasne, do reaktora sa dávkovacím čerpadlom privádza vodno-hliníková suspenzia, ktorej zmes sa podrobí ultrazvukovému ožarovaniu, aby sa film oxidu z povrchu hliníkových častíc rozrušil a oxidácia sa začala v reaktore 3 za miešania a teplota elektrolytu vo vnútri tohto reaktora bola 65 až 70 °. S. Produkt vznikajúci chemickými reakciami, nanodispergovaný hydroxid hlinitý, sa premyje z elektrolytu na filtri 7. Prvý filtrát sa vracia do reaktora s rozpúšťadlom 2, aby sa pripravila nová časť roztoku elektrolytu. Aby sa znížilo zaťaženie filtra, ľahko sa zrážajú sedimenty od supernatantu v číriacom a čistiacom prostriedku 6. Supernatant sa používa na prípravu roztoku elektrolytu v reaktore 2. Namiesto filtra 7 je niekedy vhodné použiť odstredivku. Nevyhnutné sušenie a kalcinácia produktu sa uskutočňuje v elektrickej peci 8. Ak v dôsledku tepelného spracovania produkt stráca svoju tekutosť, melie sa v guľovom mlyne 9. Zariadenia 7, 8 a 9 možno nahradiť rozprašovacou sušičkou.

Vyvinutý vodík prechádza cez kondenzátor 4, aby sa odstránila vodná para, sušiaca kolóna 5 a posiela sa do kolektora. Kondenzát pary sa vracia do reaktora. 3. Na ohrev vody pridanej do reaktora je v okruhu upravený výmenník tepla 10.

Pri organizovaní nepretržitej výroby hydroxidu hlinitého musí byť do plášťa reaktora s rozpúšťadlom privádzaná voda, aby sa elektrolyt zahrial na požadovanú teplotu. Na to sa využíva teplo použité v plášti reaktora 3.

Vyvinutý hardvérový a technologický systém na výrobu hydroxidu hlinitého sa dá ľahko namontovať na základe existujúcich elektrochemických zariadení. Technológia výroby vodíka a hydroxidov hliníka spočíva v tom, že z jemne dispergovaného hliníka s veľkosťou častíc najviac 20 μm sa pripraví suspenzia práškového hliníka vo vode, ktorá sa nepretržite dodáva do reaktora ultrazvukovou ožarovacou jednotkou. Z hornej časti reaktora sa výsledná zmes para-vodík privádza do kondenzátora, v ktorom sa kondenzuje para a vodík sa privádza do nadbytku alebo spotrebiteľa cez sušiaci systém. Hydroxid hlinitý sa odstráni zo spodnej časti reaktora do číriaceho činidla. Technológia výroby vodíka a ultrajemného hydroxidu hlinitého je založená na chemickej reakcii predloženej podľa schémy.

Preferované ukazovatele.

1. Jednoduchosť, spoľahlivosť a kompaktnosť vykonávania v porovnaní s analógmi.

2. Nízka spotreba energie na 1 m 3 N a 2 kg VŽDY: ultrazvuk - 500 W · h, čerpadlo - 500 W · h.

Novosť spôsobu spočíva v tom, že pri nepretržitom riadenom prívode vodnej suspenzie hliníkového prášku sa vykonáva jeho ultrazvuková aktivácia, pri ktorej dochádza k chemickej interakcii vody s hliníkom, ktorá je sprevádzaná vývojom vodíka a tvorbou oxidačných produktov hliníka (hydroxidy). Všeobecne platí, že použitie kombinácie ovplyvňujúcich faktorov v vyvinutej metóde zaisťuje výrobu čistého vodíka, oxidačných produktov hliníka, udržiavanie bezpečnej teploty procesnej zmesi a eliminuje tvorbu výbušnej zmesi vodíka s kyslíkom.

Aktivácia hliníka sa uskutočňuje podľa technológie predbežného spracovania hliníkových práškov vyrobených v priemysle ultrazvukom.

Z výsledkov teoretických výpočtov a experimentálnych štúdií vyplýva, že pri spaľovaní 1 kg hliníka vo vodnom prostredí spolu s tepelnou energiou (17,1 MJ) sa uvoľňuje veľké množstvo vysoko čistého vodíka (1,165 nm 3) a vytvára sa viac ako 2 kg nanokryštalických hydroxidov hliníka, trh ktorého cena je 50 - 400 dolárov za kg.

To vám umožňuje použiť tento proces na výrobu vodíka v autonómnych, vysokovýkonných a energeticky účinných zariadeniach na výrobu plynu, vrátane malých a autonómnych jednotiek na zváranie plynov.

Keď sa generovaný vodík spaľuje v tepelných a pohonných systémoch, energetický výnos (30,57 MJ / kg) prevyšuje náklady na regeneráciu počiatočného paliva z oxidu hlinitého (26,3 MJ / kg). Energia sa dodáva počas úplnej regenerácie východiskových zložiek (hliník a voda) bez emisie toxických zložiek do atmosféry.

Špecifické náklady na 1 MJ energie pri spaľovaní hliníka s jeho následnou regeneráciou elektrolýzou oxidu hlinitého sú podstatne nižšie v porovnaní so spaľovaním benzínov a vodnou elektrinou.

Energetická bilancia spaľovacích a regeneračných cyklov poskytuje zisk asi 16% energie v dôsledku dodatočného spaľovania uvoľneného vodíka do vody atmosférickým kyslíkom. Teda s úplnou regeneráciou východiskových činidiel (hliník a voda) je možné autonómne poskytovať tepelnú energiu za cenu 1 MJ - 0,0015 dolárov, čo je ekonomicky výhodnejšie než spaľovanie uhľovodíkových palív (0,007 dolárov).

Hliníkové energetické technológie sa môžu používať v rôznych energetických zariadeniach, ako aj na výrobu vodíka a vysoko čistého vysoko dispergovaného oxidu hlinitého, ktorého trhová hodnota pre 1 kg je od 150 do 400 dolárov s nákladmi na zdrojový hliník 1,5 až 2 $ za 1 kg.

Predložený vynález teda umožňuje spoločnú výrobu hydroxidov hliníka danej štruktúry a vodíka pri uskutočňovaní spôsobu v kontinuálnom režime s predbežnou prípravou suspenzie práškového hliníka vo vode. Výsledný spôsob je charakterizovaný neodpadom, spracovateľnosťou a vysokou produktivitou, ako aj environmentálnou bezpečnosťou.

ZHRNUTIE VYNÁLEZU

Zariadenie na výrobu hydroxidu hlinitého a vodíka vrátane zariadenia na miešanie jemne rozptýleného prášku hliníka a vody, reaktora na chemickú interakciu vody s hliníkom, sprevádzané vývojom plynnej zmesi obsahujúcej vodík a tvorby oxidačných produktov hliníka, ako aj zariadenia na odstraňovanie plynnej zmesi obsahujúcej vodík a oxidačných produktov hliníka, charakterizované skutočnosť, že reaktor na chemickú interakciu vody s hliníkom je vybavený miešacím zariadením a ultrazvukovým zariadením žiarenie suspenzie umiestnenej vo vnútri reaktora.

„Vodík sa vyrába iba vtedy, keď je to potrebné, takže ho môžete vyrobiť presne tak, ako potrebujete,“ vysvetlil Woodall na univerzitnom sympóziu, ktoré popisovalo podrobnosti tohto objavu. Túto technológiu je možné použiť napríklad v spojení s malými spaľovacími motormi v rôznych aplikáciách - prenosné núdzové generátory, kosačky na trávu a píly. Teoreticky sa dá použiť na osobné a nákladné automobily.

Vodík sa uvoľňuje spontánne, keď sa do guľôčok vyrobených zo zliatiny hliníka a gália pridá voda. „Zároveň hliník v tuhej zliatine reaguje s vodou a oddeľuje kyslík od svojich molekúl,“ komentuje Woodall. V súlade s tým sa zvyšný vodík uvoľňuje do okolitého priestoru.

Prítomnosť gália je kritická pre priebeh reakcie, pretože bráni tvorbe oxidového filmu na povrchu hliníka počas jeho oxidácie. Takýto film obvykle zabraňuje ďalšej oxidácii hliníka, ktorý pôsobí ako bariéra. Ak dôjde k narušeniu jeho tvorby, reakcia bude pokračovať, až kým sa nespotrebuje všetok hliník.

Woodall objavil tento proces s tekutou zliatinou hliníka a gália v roku 1967, keď pracoval v polovodičovom priemysle. "Čistil som téglik obsahujúci zliatinu gália a hliníka," hovorí. "Keď som tam pridal vodu, objavila sa silná bavlna." Potom som odišiel do laboratória a študoval som niekoľko hodín, čo sa presne stalo. “

„Gálium je nevyhnutná zložka, pretože sa topí pri nízkej teplote a rozpúšťa hliník, čo umožňuje reakciu s vodou. - vysvetľuje Woodall. "Bol to neočakávaný objav, pretože je dobre známe, že pevný hliník neinteraguje s vodou."

Konečnými reakčnými produktmi sú gálium a alumina. Spaľovanie vodíka vedie k tvorbe vody. „Nedochádza tak k žiadnym toxickým emisiám,“ hovorí Woodall. „Je dôležité si uvedomiť, že gálium sa nezúčastňuje reakcie, takže sa môže zneškodniť a znovu použiť. Je to dôležité, pretože tento kov je teraz oveľa drahší ako hliník. Ak sa však tento proces začne široko využívať, ťažobný priemysel bude schopný vyrábať lacnejšie nízkorozmerné gálium. Pre porovnanie je v súčasnosti používané gálium vysoko purifikované a používa sa hlavne v polovodičovom priemysle. “

Woodall hovorí, že keďže vodík je možné použiť namiesto benzínu vo spaľovacích motoroch, je možné túto techniku \u200b\u200bpoužiť v automobilovej doprave. Aby však táto technológia mohla konkurovať benzínu, je potrebné znížiť náklady na redukciu oxidu hlinitého. „V súčasnosti sú náklady na jednu libru hliníka vyššie ako 1 dolár, a preto nemôžete získať množstvo vodíka ekvivalentné benzínu za cenu 3 doláre za galón,“ vysvetľuje Woodall.

Náklady na hliník sa však môžu znížiť, ak sa získajú z oxidu elektrolýzou a elektrina na tento účel pôjde s alebo. V tomto prípade sa hliník môže vyrábať priamo na mieste a nie je potrebné prenášať elektrinu, čo znižuje celkové náklady. Takéto systémy môžu byť navyše umiestnené vo vzdialených oblastiach, čo je obzvlášť dôležité pri výstavbe jadrových elektrární. Podľa Woodalla tento prístup zníži používanie benzínu, zníži znečistenie a závislosť od dovozu ropy.

„Nazývame to vodíkovou energiou na báze hliníka,“ hovorí Woodall, „a pri premene spaľovacích motorov na vodík nebude problém.“ Všetko, čo je potrebné, je nahradiť ich vstrekovač paliva vodíkom. ““

Systém sa dá použiť aj na pohon palivových článkov. V tomto prípade už môže konkurovať benzínovým motorom - a to aj pri dnešných vysokých nákladoch na hliník. „Účinnosť systémov palivových článkov je 75%, zatiaľ čo spaľovací motor je 25%,“ hovorí Woodall. „Akonáhle bude táto technológia široko dostupná, naša technika získavania vodíka sa stane ekonomicky životaschopnou.“

Vedci zdôrazňujú hodnotu hliníka pre výrobu energie. „Väčšina ľudí nevie, koľko energie v nej obsahuje,“ vysvetľuje Woodall. „Každá libra (450 gramov) kovu môže pri spaľovaní uvoľneného vodíka poskytnúť 2 kW * hodiny, a toľko energie vo forme tepla. Priemerný automobil s nádržou naplnenou guľôčkami z hliníkovej zliatiny (asi 150 kg) tak bude schopný jazdiť asi 600 km a bude stáť 60 dolárov (predpokladá sa, že oxid hlinitý bude potom zlikvidovaný). Pre porovnanie, ak vložím plyn do nádrže, dostanem 6 kW * hodín z každej libry, čo je 2,5-krát viac energie z libry hliníka. Inými slovami, potrebujem 2,5-krát viac hliníka, aby som získal rovnaké množstvo energie. Je však dôležité, aby som úplne vylúčil benzín a namiesto toho používal lacnú látku dostupnú v USA. “