Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Рис.1. Микрофотография нанопорошка алюминия.
Рис.2. Термограмма исходного нанопорошка алюминия.
Рис.3. Зависимость температуры (Т) и интенсивности свечения (I) нанопорошка алюминия при его горении в воздухе: m = 2,5 г.
Рис.4. Рентгенограмма продуктов сгорания в воздухе нанопорошка алюминия.

Новые энергоаккумулирующие составы на основе нанопорошков алюминия и оксидов алюминия

Ключевые слова:  возобновляемые источники энергии, вторичные источники энергии, запасенная энергия, мобильные источники энергии, нанопорошок алюминия, нитридообразование, окисление в воздухе, периодика, пиротехническая смесь, тепловой эффект, энергоаккумулирующие вещества

Автор(ы): Ильин Адександр Петрович, Мостовщиков Андрей Владимирович, Толбанова Людмила Олеговна

Опубликовал(а):  Толбанова Людмила Олеговна

27 апреля 2008

Введение

По мере исчерпания и удорожания природных жидких и газообразных топлив их место в балансе первичных источников энергии будут занимать уголь, ядерные источники, а также другие нетрадиционные источники энергии. Для удобного и эффективного применения этих энергоресурсов на транспорте, в быту и других отраслях народного хозяйства необходимо их трансформировать во вторичные источники энергии мобильного типа. Для решения этой проблемы предложено новое направление в энергетике, основанное на применении энергоаккумулирующих веществ (ЭАВ) с хемотермическим эффектом [1].

Накопление естественных горючих ископаемых происходило в течение миллионов лет и в определённый исторический период. Потребности человечества в энергии обусловливают необходимость быстрого получения ЭАВ и использования их энергии. Энергия естественных горючих реализуется в процессе окисления. Следовательно, в качестве ЭАВ могут быть все простые вещества, окисляющиеся с выделением большой энергии. Это прежде всего водород, получаемый из воды, и другие простые вещества, восстанавливаемые из оксидов: алюминий, бор, кремний и др. Чем прочнее химическая связь в оксиде, тем больше первичной энергии затрачивается на восстановление простого элемента, но тем больше будет и энергоаккумулирующий эффект. В процессах энергоаккумуляции все оксиды являются своеобразными «разряженными» аккумуляторами энергии. Положительным свойством ЭАВ является возможность их многократного восстановления; традиционные горючие этим свойством не обладают.

Одна из основных первоочередных проблем широкого внедрения ЭАВ в промышленность – разработка и освоение крупномасштабного производства наиболее эффективного ЭАВ и способов его активации или использования без активации. Одним из путей решения этой проблемы является разработка и производство ЭАВ с использованием нанопорошков, имеющих высокую реакционную способность и повышенный энергоаккумулирующий эффект.

К ЭАВ, выделяющим энергию при окислении, относят ряд простых веществ. Они в результате реакций с кислородом выделяют тепловую энергию:
mЭ + nО2 → ЭmО2n –ΔН, (1)
где Э – ЭАВ, m и n – стехиометрические коэффициенты, ΔН – выделяемая тепловая энергия.

Тепловые эффекты некоторых ЭАВ приведены ниже:
4Al + 3O2 → 2Al2O3 – 30,91 МДж/кг; (2)
Si + O2 → SiO2 – 30,50 МДж/кг; (3)
2MgAl + 5/2O2 → Al2O3 + 2MgO – 27,90 МДж/кг; (4)
2Mg + O2 → 2MgO – 24,7 МДж/кг; (5)
4Na + O2 → 2Na2O – 9,03 МДж/кг. (6)

Анализ показывает, что наиболее энергоемкими ЭАВ являются алюминий и кремний. Поэтому они являются значительно более перспективными веществами, которые могут быть использованы в качестве ЭАВ, к тому же они широко распространены в природе и имеют значительную энергоемкость: алюминия в земной коре 5,5, а кремния 16,7 % от общего числа атомов. В то же время, в связи с ростом цен на нефть получаемый электролизом алюминий в настоящее время уже не слишком дорог для использования в энергетике в качестве ЭАВ. При сжигании кремния образуется стеклофаза SiO2, которая трудно измельчается и восстанавливается. Поэтому в ряду ЭАВ на первое место выходит алюминий.

Исследование ЭАВ и их практическое применение позволяют расширить топливно-энергетические ресурсы, положительно решать ряд экологических задач. Многократное восстановление ЭАВ производится за счет использования солнечной, атомной анергии, электрической энергии или энергии сжигания природных топлив, включая низкокалорийные угли.

Перечисленные ЭАВ, кроме высокой энергоемкости, имеют следующие преимущества перед традиционными видами топлива: не загрязняют окружающую среду, так как продукты реакций не токсичны; безопасны в пожарном отношении при хранении; их можно хранить под открытым небом; при хранении не портятся; для их получения, могут использоваться низкокалорийные угли, торфы, а также солнечная, атомная, электрическая и другие виды энергии.

В простейшем случае в качестве вторичного источника тепловой энергии можно использовать процесс сжигания порошка алюминия в воздухе [2]. Образующийся порошок оксида алюминия подвергают электрохимическому восстановлению и вновь получают порошок алюминия. Максимальный КПД (≈ 90 %) получен при сжигании в воздухе порошка алюминия, имеющего плоские частицы с характерным размером ≤ 10 мкм. При использовании воздуха в качестве окислителя 2-8 % мас. порошка алюминия не сгорает, 0,5-7,0 % мас. порошка превращается в нитрид алюминия. Образующийся порошок оксида алюминия состоит преимущественно из δ-фазы с небольшой примесью α-фазы и представлен частицами сферической формы диаметром 0,1-0,5 мкм с площадью удельной поверхности ≈ 7 м2/г. Недостатком такого способа является сжигание в потоке воздуха и создание устройства для улавливания конденсированных продуктов сгорания, что исключает возможность создания малогабаритных источников.

Цель работы – теоретическое обоснование и экспериментальное исследование энергоаккумулирующих составов с максимальными и регулируемыми параметрами эмиссии тепловой энергии.

Экспериментальные результаты

Основу исследуемых смесей составлял нанопорошок алюминия, полученный с помощью электрического взрыва алюминиевого проводника при следующих условиях и параметрах: зарядное напряжение емкостного накопителя энергии (U0) – 24 кВ; емкость накопителя энергии (C) – 2,02 мкФ; удельная энергия, введенная в проводник (e/es) – 1,45; удельная энергия дуговой стадии разряда (ea/es) – 0,38; среда – аргон; давление аргона – 1,5 · 105 Па [3]. Полученный нанопорошок алюминия был изучен с помощью сканирующего электронного микроскопа (рис.1).

Нанопорошок алюминия состоит из частиц диаметром 100 нм, но присутствуют и частицы большего диаметра – порядка 200 нм. Вместе с тем присутствует много частиц и меньшего диаметра – 50 – 60 нм. Форма частиц близка к сферической, имеются отдельные агломераты частиц, которые частично спечены. Площадь удельной поверхности (по БЭТ) равна ~ 12 м2/г. По данным РФА нанопорошок алюминия состоит из одной фазы – металлического алюминия, а оксидно-гидроксидная оболочка, по-видимому, рентгенаморфна, и ее рефлексы на рентгенограмме отсутствуют.

При нагревании в воздухе, согласно ДТА (рис.2), НП алюминия проявляет высокую активность в сравнении с другими, нанопорошками. В то же время, частицы НП алюминия защищены достаточно плотной и термически устойчивой оксидно-гидроксидной оболочкой: в сравнении с другими, НП алюминия имеет наиболее высокую термическую устойчивость – для него характерна самая высокая температура начала окисления (>400°C).

По данным термического анализа (ТГ) заметна десорбция газообразных веществ, адсорбированных на поверхности частиц (~ 3 % мас.). Затем происходит резкое увеличение скорости роста массы и выделение теплоты, носящие взрывоподобный характер. Параметры химической активности нанопорошка алюминия [4]:

  • температура начала окисления смесей (Тн.о.) – 450 °С;
  • степень окисленности (α) – 63,8 %;
  • максимальная скорость окисления (Vmax) – 0,13 % мас./с;
  • удельный тепловой эффект (dН) – 4995 Дж/г.

Для изучения процесса горения НП алюминия образец массой 2,5 г был сожжен в воздухе согласно принятой в работе методике. Процесс горения НП алюминия и его смесей протекает в три стадии (рис.3.): после инициирования происходит распространение тепловых волн по поверхности образца (первая – низкотемпературная стадия, < 900 °С), затем появляется яркое свечение из одной или более точек, которое охватывает весь образец (вторая – высокотемпературная стадия, 2200 – 2400°С), после чего наступает третья стадия – охлаждение [5]. Системы измерения тепловых процессов характеризуются инерционностью, поэтому отдельные стадии при использовании ДТА не фиксируются. Существенно менее инерционны процессы, связанные с излучением света. Действительно, интенсивность свечения горящих нанопорошков изменяется не монотонно, особенно при высокой температуре – 2200°-2400°С: происходят колебательные процессы на ± 200°С. Как показали исследования, во время этих процессов происходит образование и стабилизация фазы нитрида алюминия, а так же двухуровневых нитридных кристаллов [6].

Состав продуктов сгорания был представлен следующими кристаллическими фазами (рис.3.): нитрид алюминия, оксинитрид алюминия, остаточный алюминий, оксид алюминия. Необходимо отметить, что 100 %-ный по интенсивности рефлекс относится к фазе нитрида алюминия. Соотношение AlN/Al2O3 по данным РФА в продуктах полного сгорания составляет 3,2.

Стандартная термитная смесь теоретически имеет запасённую энергию:
2Al + Fe2O3 → Al2O3 + 2Fe + 3873 кДж/кг (7)
А при окислении алюминия выделившаяся энергия в 8 раз выше и составляет:
2Al + 3/2O2 → Al2O3 + 31018 кДж/кг (8)
3Al + 10%Al2O3 + 1/2N2 (3/2O2) → Al2O3 (68%) + AlN (32%) + 22386 кДж/кг (9)

Образование нитрида алюминия приводит к снижению теплового эффекта:
3Al + 20%Al2O3 + 1/2N2 (3/2O2) → Al2O3 (59%) + AlN (41%) + 18516 кДж/кг (10)

В то же время, при стабилизации 41 % AlN в продуктах сгорания тепловой эффект ЭАВ остаётся приблизительно в 5 раз выше, чем известного ЭАВ на основе железо-алюминиевого термита. Резкое увеличение скорости тепловыделения может привести к разрушению устройств (рис.2), поэтому необходимо разбавить НП Al нанопорошком γ-Al2O3 в количестве 10-20% масс. Наличие фазы нитрида алюминия играет положительную роль: не происходит образования жидкой фазы продуктов горения, что облегчает измельчение и их переработку в металлический алюминий. Новые энергоаккумулирующие составы могут использоваться в качестве мобильных источников тепловой энергии для разогрева двигателей внутреннего сгорания, труб нефте-, газо- и водопроводов, для удаления льда, для обогрева в случае чрезвычайных ситуаций, особенно в северных регионах.

Список литературы

  1. Научные основы прогрессивной техники и технологии/ Г.И. Марчук, И.Ф. Образцов, Л.И. Седов и др.-М.: Машиностроение, 1986г.-376с.
  2. Durisch W., Hoas O., Muelli R. et al. Speigherung electrischer Energic in secundaeren chemischen Energietraegern am Biespiel des Aluminiums // “EIR-Ber”.1985. №557.P.56
  3. Назаренко О.Б. Электровзрывные нанопорошки: получение, свойства, применение/ Под ред. проф. А.П. Ильина. – Томск: Изд-во Том. ун-та, 2005.-148 с.
  4. Ильин А.П., Громов А.А Яблуновский Г.В.,. Об активности порошков алюминия//Физика горения и взрыва. 2001. Т.37, №4. С.58-62.
  5. Ильин А.П., Громов А.А Яблуновский Г.В.,. Горение алюминия и бора в сверхтонком состоянии. – Томск: Изд-во Том. ун-та, 2002.-154с.
  6. Толбанова Л.О. Синтез керамических нитридсодержащих материалов сжиганием в воздухе смесей нанопорошка алюминия с нанопорошками W и Мо и порошком Cr. Дисс. на соиск. уч. степ. к.т.н.-Томск: ТПУ. -2007.-215с.



Средний балл: 7.3 (голосов 4)

 


Комментарии
alex112, 06 мая 2008 18:41 
alex112, 06 мая 2008 18:45 
У меня вопрос, эта новая смесь горит также как термит без использования кислорода воздуха?
Мне не до конца понятна новизна данной работы. Вроде все это было известно уже очень давно. Если основной плюс - это нанометровые размеры, то встает другой вопрос. Не слишком уж энергозаратные способы получения таких порошков? Электровзрыв при 24кВ например... Остальные данные типа e/es не ясны. что такое es? (искать приведенную книгу в ссылке я не имею возможности)
Нанопоршки могут быть совершенным орудием убийства?
В прессе МК промелькнуло, что женщина, которая была директором института кристаллографии, умерла после того, как получила по почте белый порошок - нанопорошок SIO2
Вспоминается киноклассика: "он бросил курить, и умер...хотя нет, кажется он сначала умер, а потом бросил курить" ((С), Максим Перепелица)
В этой статье непонятно одно, откуда взялся такой тепловой эффект, если даже теоретически рассчитанный в два раза ниже.

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Трава у дома
Трава у дома

Все члены сборной России получили медали на 30-й Международной биологической олимпиаде для школьников
21 июля в Сегеде (Венгрия) подвели итоги 30-й Международной биологической олимпиады для школьников. Российская сборная на состязании завоевала три серебряные медали и одну бронзовую.

Шесть медалей завоевали российские школьники на 60-й Международной математической олимпиаде
Стали известны итоги 60-й Международной математической олимпиады для школьников, которая проходила в Бате (Великобритания). Российская сборная завоевала две золотые и четыре серебряные медали.

Участие НТ-МДТ Cпектрум Инструментс в международной конференции ACNS’2019
Участие НТ-МДТ Cпектрум Инструментс в международной конференции ACNS’2019. Тезисы доклада Быкова В.А.

3D нанотехнологии в физике, химии, биологии, медицине и инженерном искусстве
И.В.Яминский
Материалы лекции проф. МГУ, д.ф.-м.н., генерального директора Центра Перспективных технологий И.В.Яминского "3D нанотехнологии в физике, химии, биологии, медицине и инженерном искусстве". 3D принтер, сканирующий зондовый микроскоп и фрезерный станок. Что общего между ними? Как конструировать их своими руками? Небольшой экскурс в практические нанотехнологии. Поучительная история о создании сканирующего туннельного микроскопа. От идеи до нобелевской премии за 5 лет. Взгляд в микромир – от атомов и молекул до живых клеток. Как взвесить массу одного атома? Вирусы и бактерии – наши друзья или враги? Медицинские приложения нанотехнологий – нанобиосенсоры для обнаружения биологических агентов.

Материалы и пленочные структуры спинтроники и стрейнтроники
В.А.Кецко
Девятый Наноград, проходивший в Ханты - Мансийске, собрал талантливых школьников, интересных лекторов и преподавателей в области наноматериалов, нанотехнологий и технопредпринимательства. В сообщении даны материалы лекции д.х.н., в.н.с. ИОНХ РАН В.А.Кецко "Материалы и пленочные структуры спинтроники и стрейнтроники".

Лекции и семинары от ФНМ МГУ на Нанограде
Е.А.Гудилин
Девятый Наноград, проходивший в Ханты - Мансийске, собрал талантливых школьников, интересных лекторов и преподавателей в области наноматериалов, нанотехнологий и технопредпринимательства. Ниже даны материалы лекций и семинаров представителя ФНМ МГУ проф., д.х.н. Е.А.Гудилина.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.