Вода плюс алюминий: Al + H2O = Al(OH)3 + H2

Содержание

Смятые банки из-под газировки и пива превратят в источники энергии

27 марта 2018 годаСМИ о нас

ТАСС Чердак

Вместо сложной переплавки алюминиевых банок их можно использовать для получения водородного топлива

В НИТУ «МИСиС» разработали новый способ получения водорода из отходов алюминия (цветных металлов) и воды. Переработка одной пустой банки из-под газировки объемом 0,33 литра сможет дать топливо для 20 метров пробега автомобиля на водородном топливе. Соответствующая статья опубликована вPowder Technology.

Алюминий и цветные металлы — самые дорогие отходы, ведь на получение одного килограмма алюминия уходит до 19 киловатт-часов электроэнергии. К тому же при складировании алюминиевый лом постепенно окисляется и выделяет в воздух водород — взрывоопасный газ. Емкость российского рынка алюминиевой тары составляет 2–3 миллиарда упаковок в год. Вес банки объемом 0,33 литра — 15 граммов, а значит, речь идет о 30–40 тысячах тонн чистого металла, выбрасываемого на свалки. Общеевропейский рынок вторичного алюминия оценивается примерно в 9 миллионов тонн. Более половины этого алюминия пока не используется, что в пересчете на энергетический эквивалент равно 130 ТДж энергии.

Одним из выходов, как в Швейцарии, является переплавка алюминия во вторичный металл. Однако транспортировка, очистка и сам процесс переплавки алюминиевого лома довольно дорог, а образующиеся при этом шлаки токсичны. Поэтому в НИТУ «МИСиС» предложили использовать отходы алюминия в качестве сырья для производства водорода — экологически чистого и энергоемкого топлива, а также востребованного химического сырья.

Алюминий в предложенной схеме выступает реагентом для генерирующей водород системы «металлический алюминий — вода». В реакции алюминия с водой выделяется свободный водород, который затем можно сжигать или окислять с получением электричества в топливной ячейке. Химическая энергия, извлекаемая из одной алюминиевой банки — 255 килоджоулей, в пересчете на бензин это 20 метров пробега бюджетного автомобиля.

Обычно алюминий реагирует с кислородом и водой довольно медленно. Происходит это потому, что при окислении его поверхность быстро покрывается тонкой оксидно-гидроксидной пленкой, которая защищает металл от контакта с окислителем и приостанавливает дальнейшую реакцию. Чтобы ускорить процесс, исследователи предложили метод механоактивации — измельчение и реагентную обработку алюминиевых отходов, что приводит к разрушению оксидной пленки.

Аппарат, который проводит такую работу, — аналог карбидного генератора ацетилена. Предлагаемый метод пожаровзрывобезопасный и помогает утилизировать отходы алюминия и других гидрореагирующих металлов без существенных затрат. Он не требует тщательной сепарации алюминиевого мусора, а также не предполагает каких-либо сложностей с очисткой вторичного металла, как при применяемых за рубежом методиках. В настоящий момент коллектив ученых работает над созданием экспериментальной установки и проводит лабораторные испытания технологии.

28 марта Российские ученые объяснили феномен работы сверхбыстрой компьютерной памяти
27 марта Сыны Гефеста
27 марта Смятые банки из-под газировки и пива превратят в источники энергии
25 марта Почему компании вроде Google переносят свои дата-центры за полярный круг, и в чем плюс сверхпроводящей электроники
24 марта Программа «Наука». Россия — 24

НовостиСМИ о нас

Свежие

СМИ о нас

Поступающим

5-100

Объявления приемной комиссии

Наука

Образование

Международное сотрудничество

Университетская жизнь

Достижения науки

Научное сообщество

Федеральные целевые программы

Взаимодействие с бизнесом

COVID-19

Объявления для студентов

Объявления Центра подготовки кадров высшей квалификации

НИТУ МИСИС меняет мир

Достижения студентов

Поздравления

Импортозамещение

Мероприятия и выставки

ЦИНТИ

Программа «Приоритет 2030»

28 августа

«Смесь живого и неживого». Какие органы печатают в России и когда их начнут имплантировать людям

25 августа

Найден метод получения катализаторов для промышленной переработки CO2

24 августа

Ученые и инженеры будут определять будущее России. Итоги приема 2022

Читать все новости

Хлорид алюминия, химические свойства, получение

ВодородВодород

1,008

1s¹

2,2

Бесцветный газ

t°_пл=-259°C

t°_кип=-253°C

ГелийГелий

4,0026

1s²

Бесцветный газ

t°_кип=-269°C

ЛитийЛитий

6,941

2s¹

0,99

Мягкий серебристо-белый металл

t°_пл=180°C

t°_кип=1317°C

БериллийБериллий

9,0122

2s²

1,57

Светло-серый металл

t°_пл=1278°C

t°_кип=2970°C

БорБор

10,811

2s² 2p¹

2,04

Темно-коричневое аморфное вещество

t°_пл=2300°C

t°_кип=2550°C

УглеродУглерод

12,011

2s² 2p²

2,55

Прозрачный (алмаз) / черный (графит) минерал

t°_пл=3550°C

t°_кип=4830°C

АзотАзот

14,007

2s² 2p³

3,04

Бесцветный газ

t°_пл=-210°C

t°_кип=-196°C

КислородКислород

15,999

2s² 2p⁴

3,44

Бесцветный газ

t°_пл=-218°C

t°_кип=-183°C

ФторФтор

18,998

2s² 2p⁵

4,0

Бледно-желтый газ

t°_пл=-220°C

t°_кип=-188°C

НеонНеон

20,180

2s² 2p⁶

Бесцветный газ

t°_пл=-249°C

t°_кип=-246°C

НатрийНатрий

22,990

3s¹

0,93

Мягкий серебристо-белый металл

t°_пл=98°C

t°_кип=892°C

МагнийМагний

24,305

3s²

1,31

Серебристо-белый металл

t°_пл=649°C

t°_кип=1107°C

АлюминийАлюминий

26,982

3s² 3p¹

1,61

Серебристо-белый металл

t°_пл=660°C

t°_кип=2467°C

КремнийКремний

28,086

3s² 3p²

1,9

Коричневый порошок / минерал

t°_пл=1410°C

t°_кип=2355°C

ФосфорФосфор

30,974

3s² 3p³

2,2

Белый минерал / красный порошок

t°_пл=44°C

t°_кип=280°C

СераСера

32,065

3s² 3p⁴

2,58

Светло-желтый порошок

t°_пл=113°C

t°_кип=445°C

ХлорХлор

35,453

3s² 3p⁵

3,16

Желтовато-зеленый газ

t°_пл=-101°C

t°_кип=-35°C

АргонАргон

39,948

3s² 3p⁶

Бесцветный газ

t°_пл=-189°C

t°_кип=-186°C

КалийКалий

39,098

4s¹

0,82

Мягкий серебристо-белый металл

t°_пл=64°C

t°_кип=774°C

КальцийКальций

40,078

4s²

1,0

Серебристо-белый металл

t°_пл=839°C

t°_кип=1487°C

СкандийСкандий

44,956

3d¹ 4s²

1,36

Серебристый металл с желтым отливом

t°_пл=1539°C

t°_кип=2832°C

ТитанТитан

47,867

3d² 4s²

1,54

Серебристо-белый металл

t°_пл=1660°C

t°_кип=3260°C

ВанадийВанадий

50,942

3d³ 4s²

1,63

Серебристо-белый металл

t°_пл=1890°C

t°_кип=3380°C

ХромХром

51,996

3d⁵ 4s¹

1,66

Голубовато-белый металл

t°_пл=1857°C

t°_кип=2482°C

МарганецМарганец

54,938

3d⁵ 4s²

1,55

Хрупкий серебристо-белый металл

t°_пл=1244°C

t°_кип=2097°C

ЖелезоЖелезо

55,845

3d⁶ 4s²

1,83

Серебристо-белый металл

t°_пл=1535°C

t°_кип=2750°C

КобальтКобальт

58,933

3d⁷ 4s²

1,88

Серебристо-белый металл

t°_пл=1495°C

t°_кип=2870°C

НикельНикель

58,693

3d⁸ 4s²

1,91

Серебристо-белый металл

t°_пл=1453°C

t°_кип=2732°C

МедьМедь

63,546

3d¹⁰ 4s¹

1,9

Золотисто-розовый металл

t°_пл=1084°C

t°_кип=2595°C

ЦинкЦинк

65,409

3d¹⁰ 4s²

1,65

Голубовато-белый металл

t°_пл=420°C

t°_кип=907°C

ГаллийГаллий

69,723

4s² 4p¹

1,81

Белый металл с голубоватым оттенком

t°_пл=30°C

t°_кип=2403°C

ГерманийГерманий

72,64

4s² 4p²

2,0

Светло-серый полуметалл

t°_пл=937°C

t°_кип=2830°C

МышьякМышьяк

74,922

4s² 4p³

2,18

Зеленоватый полуметалл

t°_субл=613°C

(сублимация)

СеленСелен

78,96

4s² 4p⁴

2,55

Хрупкий черный минерал

t°_пл=217°C

t°_кип=685°C

БромБром

79,904

4s² 4p⁵

2,96

Красно-бурая едкая жидкость

t°_пл=-7°C

t°_кип=59°C

КриптонКриптон

83,798

4s² 4p⁶

3,0

Бесцветный газ

t°_пл=-157°C

t°_кип=-152°C

РубидийРубидий

85,468

5s¹

0,82

Серебристо-белый металл

t°_пл=39°C

t°_кип=688°C

СтронцийСтронций

87,62

5s²

0,95

Серебристо-белый металл

t°_пл=769°C

t°_кип=1384°C

ИттрийИттрий

88,906

4d¹ 5s²

1,22

Серебристо-белый металл

t°_пл=1523°C

t°_кип=3337°C

ЦирконийЦирконий

91,224

4d² 5s²

1,33

Серебристо-белый металл

t°_пл=1852°C

t°_кип=4377°C

НиобийНиобий

92,906

4d⁴ 5s¹

1,6

Блестящий серебристый металл

t°_пл=2468°C

t°_кип=4927°C

МолибденМолибден

95,94

4d⁵ 5s¹

2,16

Блестящий серебристый металл

t°_пл=2617°C

t°_кип=5560°C

ТехнецийТехнеций

98,906

4d⁶ 5s¹

1,9

Синтетический радиоактивный металл

t°_пл=2172°C

t°_кип=5030°C

РутенийРутений

101,07

4d⁷ 5s¹

2,2

Серебристо-белый металл

t°_пл=2310°C

t°_кип=3900°C

РодийРодий

102,91

4d⁸ 5s¹

2,28

Серебристо-белый металл

t°_пл=1966°C

t°_кип=3727°C

ПалладийПалладий

106,42

4d¹⁰

2,2

Мягкий серебристо-белый металл

t°_пл=1552°C

t°_кип=3140°C

СереброСеребро

107,87

4d¹⁰ 5s¹

1,93

Серебристо-белый металл

t°_пл=962°C

t°_кип=2212°C

КадмийКадмий

112,41

4d¹⁰ 5s²

1,69

Серебристо-серый металл

t°_пл=321°C

t°_кип=765°C

ИндийИндий

114,82

5s² 5p¹

1,78

Мягкий серебристо-белый металл

t°_пл=156°C

t°_кип=2080°C

ОловоОлово

118,71

5s² 5p²

1,96

Мягкий серебристо-белый металл

t°_пл=232°C

t°_кип=2270°C

СурьмаСурьма

121,76

5s² 5p³

2,05

Серебристо-белый полуметалл

t°_пл=631°C

t°_кип=1750°C

ТеллурТеллур

127,60

5s² 5p⁴

2,1

Серебристый блестящий полуметалл

t°_пл=450°C

t°_кип=990°C

ИодИод

126,90

5s² 5p⁵

2,66

Черно-серые кристаллы

t°_пл=114°C

t°_кип=184°C

КсенонКсенон

131,29

5s² 5p⁶

2,6

Бесцветный газ

t°_пл=-112°C

t°_кип=-107°C

ЦезийЦезий

132,91

6s¹

0,79

Мягкий серебристо-желтый металл

t°_пл=28°C

t°_кип=690°C

БарийБарий

137,33

6s²

0,89

Серебристо-белый металл

t°_пл=725°C

t°_кип=1640°C

ЛантанЛантан

138,91

5d¹ 6s²

1,1

Серебристый металл

t°_пл=920°C

t°_кип=3454°C

ЦерийЦерий

140,12

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=798°C

t°_кип=3257°C

ПразеодимПразеодим

140,91

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=931°C

t°_кип=3212°C

НеодимНеодим

144,24

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1010°C

t°_кип=3127°C

ПрометийПрометий

146,92

f-элемент

Светло-серый радиоактивный металл

t°_пл=1080°C

t°_кип=2730°C

СамарийСамарий

150,36

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1072°C

t°_кип=1778°C

ЕвропийЕвропий

151,96

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=822°C

t°_кип=1597°C

ГадолинийГадолиний

157,25

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1311°C

t°_кип=3233°C

ТербийТербий

158,93

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1360°C

t°_кип=3041°C

ДиспрозийДиспрозий

162,50

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1409°C

t°_кип=2335°C

ГольмийГольмий

164,93

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1470°C

t°_кип=2720°C

ЭрбийЭрбий

167,26

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1522°C

t°_кип=2510°C

ТулийТулий

168,93

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1545°C

t°_кип=1727°C

ИттербийИттербий

173,04

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=824°C

t°_кип=1193°C

ЛютецийЛютеций

174,96

f-элемент

Серебристый металл

t°_пл=1656°C

t°_кип=3315°C

ГафнийГафний

178,49

5d² 6s²

Серебристый металл

t°_пл=2150°C

t°_кип=5400°C

ТанталТантал

180,95

5d³ 6s²

Серый металл

t°_пл=2996°C

t°_кип=5425°C

ВольфрамВольфрам

183,84

5d⁴ 6s²

2,36

Серый металл

t°_пл=3407°C

t°_кип=5927°C

РенийРений

186,21

5d⁵ 6s²

Серебристо-белый металл

t°_пл=3180°C

t°_кип=5873°C

ОсмийОсмий

190,23

5d⁶ 6s²

Серебристый металл с голубоватым оттенком

t°_пл=3045°C

t°_кип=5027°C

ИридийИридий

192,22

5d⁷ 6s²

Серебристый металл

t°_пл=2410°C

t°_кип=4130°C

ПлатинаПлатина

195,08

5d⁹ 6s¹

2,28

Мягкий серебристо-белый металл

t°_пл=1772°C

t°_кип=3827°C

ЗолотоЗолото

196,97

5d¹⁰ 6s¹

2,54

Мягкий блестящий желтый металл

t°_пл=1064°C

t°_кип=2940°C

РтутьРтуть

200,59

5d¹⁰ 6s²

2,0

Жидкий серебристо-белый металл

t°_пл=-39°C

t°_кип=357°C

ТаллийТаллий

204,38

6s² 6p¹

Серебристый металл

t°_пл=304°C

t°_кип=1457°C

СвинецСвинец

207,2

6s² 6p²

2,33

Серый металл с синеватым оттенком

t°_пл=328°C

t°_кип=1740°C

ВисмутВисмут

208,98

6s² 6p³

Блестящий серебристый металл

t°_пл=271°C

t°_кип=1560°C

ПолонийПолоний

208,98

6s² 6p⁴

Мягкий серебристо-белый металл

t°_пл=254°C

t°_кип=962°C

АстатАстат

209,98

6s² 6p⁵

2,2

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

t°_пл=302°C

t°_кип=337°C

РадонРадон

222,02

6s² 6p⁶

2,2

Радиоактивный газ

t°_пл=-71°C

t°_кип=-62°C

ФранцийФранций

223,02

7s¹

0,7

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

t°_пл=27°C

t°_кип=677°C

РадийРадий

226,03

7s²

0,9

Серебристо-белый радиоактивный металл

t°_пл=700°C

t°_кип=1140°C

АктинийАктиний

227,03

6d¹ 7s²

1,1

Серебристо-белый радиоактивный металл

t°_пл=1047°C

t°_кип=3197°C

ТорийТорий

232,04

f-элемент

Серый мягкий металл

ПротактинийПротактиний

231,04

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

УранУран

238,03

f-элемент

1,38

Серебристо-белый металл

t°_пл=1132°C

t°_кип=3818°C

НептунийНептуний

237,05

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

ПлутонийПлутоний

244,06

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

АмерицийАмериций

243,06

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

КюрийКюрий

247,07

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

БерклийБерклий

247,07

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

КалифорнийКалифорний

251,08

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

ЭйнштейнийЭйнштейний

252,08

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

100

ФермийФермий

257,10

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

101

МенделевийМенделевий

258,10

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

102

НобелийНобелий

259,10

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

103

ЛоуренсийЛоуренсий

266

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

104

РезерфордийРезерфордий

267

6d² 7s²

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

105

ДубнийДубний

268

6d³ 7s²

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

106

СиборгийСиборгий

269

6d⁴ 7s²

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

107

БорийБорий

270

6d⁵ 7s²

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

108

ХассийХассий

277

6d⁶ 7s²

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

109

МейтнерийМейтнерий

278

6d⁷ 7s²

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

110

ДармштадтийДармштадтий

281

6d⁹ 7s¹

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

Металлы

Неметаллы

Щелочные

Щелоч-зем

Благородные

Галогены

Халькогены

Полуметаллы

s-элементы

p-элементы

d-элементы

f-элементы

Наведите курсор на ячейку элемента, чтобы получить его краткое описание.

Чтобы получить подробное описание элемента, кликните по его названию.

Алюминий (Al) и вода

Дом
Периодическая таблица
Элементы и вода
Алюминий в воде (AL + h3O)

Известно, что Атлантический океан содержит больше алюминия, чем Тихий океан. Речная вода обычно содержит около 400 частей на миллиард алюминия.
Алюминий в основном встречается в виде Al ³⁺ (водн.) в кислых условиях и в виде Al(OH) ₄ ^— (водный) в условиях от нейтрального до щелочного. Другие формы включают AlOH ₂ ⁺ (водн.) и Al(OH) ₃ (водн.).

Как и в какой форме алюминий реагирует с водой?

Металлический алюминий быстро образует тонкий слой оксида алюминия толщиной в несколько миллиметров, который препятствует реакции металла с водой. Когда этот слой подвергается коррозии, развивается реакция с выделением легковоспламеняющегося газообразного водорода.
Хлорид алюминия гидролизуется в воде и образует туман при контакте с воздухом, потому что при взаимодействии с водяным паром образуются капли соляной кислоты.
Ионы алюминия в других соединениях также гидролизуются, и это продолжается до тех пор, пока катионный заряд не иссякнет, что завершает реакцию образованием гидроксида. Начало реакции гидролиза следующее:

Al ³⁺ (водн.) + 6H ₂ O(ж) <-> [Al(H ₂ O) ₆ ] ³⁺ ( aq)

Растворимость алюминия и соединений алюминия

Наиболее распространенными соединениями алюминия являются оксид алюминия и гидроксид алюминия, которые не растворяются в воде.
Оксид алюминия может находиться в воде как в щелочной форме (2Al ₂ O ₃ (т) + 6H ⁺ (водн.) -> Al ³⁺ (водн.) + 3H ₂ O (л. )) и в кислой форме (2Al ₂ O ₃ (т) + 2OH ^— (водн.) -> AlO ₂ ^— (водн. ) + H ₂ O (л)).
Примером водорастворимого соединения алюминия является сульфат алюминия с растворимостью в воде 370 г/л.

Почему алюминий присутствует в воде?

Алюминий образуется при выветривании минералов полевых шпатов, таких как ортоклаз, анортит, альбит, слюда и боксит, и впоследствии попадает в глинистые минералы. Некоторые драгоценные камни содержат алюминий, например, рубин и сапфир.
В настоящее время только железо и сталь производятся в больших количествах, чем алюминий. Кроме того, алюминий в значительной степени перерабатывается, потому что это вполне возможно. Он применяется, например, в рамах, дверных ручках, кузовах автомобилей, деталях самолетов (соотношение веса и прочности очень благоприятное), двигателях, кабелях и банках. Алюминий является хорошим отражателем и поэтому применяется в солнечных зеркалах и теплоотражающих покрытиях. Алюминий перерабатывается на банки, проводку и сплавы.
Соли алюминия часто добавляют в воду, чтобы запустить реакции осаждения для удаления фосфатов. Следовательно, осадок сточных вод при очистке воды со значением рН от 6,8 до 7,3 присутствует в виде гидроксидов.
Квасцы применяются в качестве удобрения на чайных плантациях. Другие соединения алюминия применяются в производстве бумаги. Применяются такие сплавы, как дюралюминий, потому что они прочнее самого алюминия. Алюминиевая пена применяется в туннелях в качестве звукоизоляционного материала.
Другие примеры применения алюминия включают использование хлорида алюминия в процессах крекинга, оксида алюминия в качестве абразива или для производства легковоспламеняющихся предметов, использование сульфата алюминия в качестве основного материала в бумажном клее, дубильных веществах, протравах и синтетическом каучуке, а также водороде алюминия в качестве восстановителя. и увлажняющий агент.
Алюминий встречается в виде аэрозоля в поверхностных слоях океана и в водах. Это связано с тем, что алюминиевая пыль попадает в воду. Частицы попадают в воду в результате поверхностного стока или атмосферного переноса.
Как правило, концентрация алюминия увеличивается с увеличением глубины воды.

Каково воздействие алюминия в воде на окружающую среду?

Алюминий может по-разному негативно влиять на наземную и водную жизнь. Обычные концентрации алюминия в грунтовых водах составляют около 0,4 частей на миллион, потому что он присутствует в почвах в виде нерастворимого в воде гидроксида. При значениях pH ниже 4,5 растворимость быстро увеличивается, в результате чего концентрации алюминия превышают 5 частей на миллион. Это может происходить и при очень высоких значениях pH.
Растворенный Al ³⁺ -ионы токсичны для растений; они влияют на корни и снижают потребление фосфатов. Как было сказано выше, при увеличении значений рН алюминий растворяется. Это объясняет корреляцию между кислотными дождями и концентрациями алюминия в почве. При увеличении осаждения нитратов количество алюминия увеличивается, тогда как под большими вересковыми и сельскохозяйственными угодьями оно уменьшается. В лесных почвах увеличивается.
Алюминий не является диетическим требованием для растений, но может положительно влиять на рост некоторых видов. Он поглощается всеми растениями из-за его широкого распространения в почвах. Виды злаков могут накапливать алюминий в концентрации выше 1% сухой массы.
Кислотные дожди растворяют минералы в почве и переносят их в источники воды. Это может привести к повышению концентрации алюминия в реках и озерах.
Алюминий естественным образом встречается в водах в очень низких концентрациях. Более высокие концентрации, полученные из отходов добычи полезных ископаемых, могут негативно влиять на водные биоценозы. Алюминий токсичен для рыб в кислых, незабуференных водах, начиная с концентрации 0,1 мг/л. Одновременный дефицит электролитов влияет на проницаемость чаек и повреждает поверхностные клетки чаек. Алюминий в основном токсичен для рыб при значениях рН 5,0-5,5. Ионы алюминия накапливаются на чайках и закупоривают их слизистым слоем, что ограничивает дыхание. При снижении значений рН ионы алюминия влияют на кальциевую регуляцию проницаемости чайки. Это увеличивает потери натрия. Кальций и алюминий являются антагонистами, но добавление кальция не может ограничить потерю электролита. В основном это касается молодняка. Концентрация алюминия 1,5 мг/л оказалась смертельной для форели. Элемент также влияет на рост пресноводных костистых рыб.
Фитопланктон содержит примерно 40–400 ppm алюминия (сухая масса), что приводит к коэффициенту биоконцентрации 10 ⁴ -10 ⁵ по сравнению с морской водой.
Наземные организмы также содержат некоторое количество алюминия. Примеры: личинки комаров 7-33 промилле, ногохвостки 36-424 промилле (сухая масса). Вместе значения pH и концентрации алюминия определяют смертность личинок.
Для алюминия известен ряд значений LD ₅₀ для крыс. При пероральном приеме это составляет 420 мг/кг для хлорида алюминия и 3671 мг/кг для нонагидрата алюминия. Механизм токсичности в основном основан на ингибировании ферментов.
В природе встречается только один нерадиоактивный изотоп алюминия. Существует восемь нестабильных изотопов.

Какое влияние на здоровье оказывает содержание алюминия в воде?

Общая концентрация алюминия в организме человека составляет примерно 9 частей на миллион (сухая масса). В некоторых органах, особенно в селезенке, почках и легких, могут присутствовать концентрации до 100 ppm (сухая масса). Ежедневное потребление алюминия составляет примерно 5 мг, из которых усваивается лишь небольшая часть. Это приводит к относительно низкой острой токсичности. Абсорбция составляет около 10 мкг в сутки. Эти количества считаются безвредными для человека. Кремний может снизить поглощение алюминия. Однако, как только элемент попадает в организм, его нелегко удалить.
Большое потребление алюминия может отрицательно сказаться на здоровье. Это было связано с повреждением нерва. Особенно чувствительны к алюминиевой токсичности люди с поражением почек. Есть риск аллергии. Алюминий, вероятно, обладает мутагенными и канцерогенными свойствами. Подозревается корреляция между потреблением алюминия и увеличением числа случаев болезни Альцгеймера. Однако это неясно, поскольку концентрация алюминия всегда увеличивается с возрастом. Повышенное потребление алюминия также может вызвать остеомаляцию (дефицит витамина D и кальция).
Поступление алюминия в основном происходит с пищей и питьевой водой. Самые последние стандарты составляли от 50 до 200 мкг/л. Частицы алюминия могут вызвать функциональное расстройство легких.
Нет известных заболеваний, связанных с нехваткой алюминия.
Хлорид алюминия может разъедать кожу, раздражать слизистые оболочки глаз и вызывать потоотделение, одышку и кашель. Квасцы повышают свертываемость крови.

Какие технологии очистки воды можно применить для удаления алюминия из воды?

Алюминий можно удалить из воды с помощью ионного обмена или коагуляции/флокуляции. Соли алюминия применяются при очистке воды для реакций осаждения. Добавление в воду сульфата алюминия и извести вызывает образование гидроксида алюминия, что приводит к осаждению загрязняющих веществ. Гидроксид нерастворим в воде, поэтому остается только 0,05 ppm растворенного алюминия. Это ниже разрешенного Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) предела содержания алюминия в питьевой воде, составляющего 0,2 промилле.

Литература и другие элементы и их взаимодействие с водой

Еще из «Элементы и вода»

Аргон в воде (Ar + h3O)

Мышьяк в воде (As + h3O)

Бор в воде (B + h3O)

Кальций в воде (Ca + h3O)

Хром в воде (Cr + h3O)

Гелий в воде (He + h3O)

Йод в воде (I + h3O)

Железо в воде (Fe + h3O)

Свинец в воде (Pb + h3O)

Литий в воде (Li + h3O)

Магний в воде (Mg + h3O)

Никель в воде (Ni + h3O)

Азот в воде (N + h3O)

Кислород в воде (O2 + h3O)

Калий в воде (K + h3O)

Кремний в воде (Si + h3O)

Серебро в воде (Ag + h3O)

Натрий в воде (Na + h3O)

Стронций в воде (Sr + h3O)

Олово в воде (SN + h3O)

Титан в воде (Ti + h3O)

Цинк в воде (Zn + h3O)

Мышьяк в воде

Использование алюминия и воды для получения чистого водородного топлива

Нэнси В. Штауффер, Массачусетский технологический институт

Лорин Меруэ, доктор философии 2020 года (на фото), и профессора Дуглас П. Харт и Томас В. Игар показали, как использовать алюминиевый лом плюс воду для создания потока водорода, необходимого для конкретного практического применения. Кредит: Реза Миршекари

Поскольку мир работает над отказом от ископаемого топлива, многие исследователи изучают, может ли чистое водородное топливо играть более важную роль в различных секторах, от транспорта и промышленности до строительства и производства электроэнергии. Его можно использовать в транспортных средствах на топливных элементах, тепловых котлах, газовых турбинах, вырабатывающих электроэнергию, системах хранения возобновляемой энергии и многом другом.

Но при использовании водорода выбросы углерода не образуются, как обычно. Сегодня почти весь водород производится с использованием процессов, основанных на ископаемом топливе, которые вместе производят более 2 процентов всех глобальных выбросов парниковых газов. Кроме того, водород часто производится в одном месте, а потребляется в другом, что означает, что его использование также сопряжено с логистическими проблемами.

Многообещающая реакция

Еще один способ получения водорода исходит, возможно, из неожиданного источника: реакции алюминия с водой. Металлический алюминий легко реагирует с водой при комнатной температуре с образованием гидроксида алюминия и водорода. Эта реакция обычно не происходит, потому что слой оксида алюминия естественным образом покрывает необработанный металл, предотвращая его прямой контакт с водой.

Использование реакции алюминий-вода для получения водорода не приводит к выбросам парниковых газов и обещает решить проблему транспортировки в любом месте с доступной водой. Просто переместите алюминий, а затем проведите реакцию с водой на месте. «По сути, алюминий становится механизмом хранения водорода — и очень эффективным», — говорит Дуглас П. Харт, профессор машиностроения Массачусетского технологического института. «Используя алюминий в качестве источника, мы можем «хранить» водород с плотностью в 10 раз большей, чем если бы мы просто хранили его в виде сжатого газа».

Две проблемы не позволяют использовать алюминий в качестве безопасного и экономичного источника для производства водорода. Первая проблема заключается в обеспечении того, чтобы алюминиевая поверхность была чистой и доступной для реакции с водой. С этой целью практическая система должна включать средства, сначала модифицирующие оксидный слой, а затем предотвращающие его повторное формирование по мере протекания реакции.

Вторая проблема заключается в том, что добыча и производство чистого алюминия требует больших затрат энергии, поэтому любой практический подход требует использования лома алюминия из различных источников. Но алюминиевый лом – не самый простой исходный материал. Обычно он встречается в легированной форме, что означает, что он содержит другие элементы, которые добавляются для изменения свойств или характеристик алюминия для различных целей. Например, добавление магния увеличивает прочность и коррозионную стойкость, добавление кремния снижает температуру плавления, а добавление небольшого количества того и другого делает сплав умеренно прочным и устойчивым к коррозии.

Несмотря на обширные исследования алюминия как источника водорода, остаются два ключевых вопроса: как лучше всего предотвратить прилипание оксидного слоя к поверхности алюминия и как легирующие элементы в куске алюминиевого лома влияют на общее количество генерируемого водорода и скорость, с которой он генерируется?

«Если мы собираемся использовать алюминиевый лом для производства водорода в практических целях, мы должны быть в состоянии лучше предсказать, какие характеристики образования водорода мы будем наблюдать в результате реакции алюминия с водой», — говорит Лорин Меруэ, доктор философии. .Д. 20 лет, получившая докторскую степень в области машиностроения.

Поскольку основные этапы реакции изучены недостаточно, было трудно предсказать скорость и объем образования водорода из алюминиевого лома, который может содержать различные типы и концентрации легирующих элементов. Поэтому Харт, Меруэ и Томас В. Игар, профессор кафедры материаловедения и инженерного менеджмента на факультете материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института, решили систематически изучить влияние этих легирующих элементов на реакцию алюминия с водой. и о перспективной методике предотвращения образования мешающего оксидного слоя.

Для подготовки специалисты Novelis Inc. изготовили образцы чистого алюминия и специальных алюминиевых сплавов, изготовленных из технически чистого алюминия в сочетании с 0,6% кремния (по весу), 1% магния или с обоими составами, которые типичны для алюминиевый лом из различных источников. Используя эти образцы, исследователи Массачусетского технологического института провели серию тестов для изучения различных аспектов реакции алюминия с водой.

Предварительная обработка алюминия

Первым шагом была демонстрация эффективного средства проникновения через оксидный слой, который образуется на алюминии на воздухе. Твердый алюминий состоит из крошечных зерен, которые упакованы вместе со случайными границами, где они не совпадают идеально. Чтобы максимизировать производство водорода, исследователям необходимо предотвратить образование оксидного слоя на всех внутренних поверхностях зерен.

Исследовательские группы уже опробовали различные способы поддержания «активации» алюминиевых зерен для реакции с водой. Некоторые измельчают образцы металлолома на настолько мелкие частицы, что оксидный слой не прилипает. А вот алюминиевые порошки опасны, так как могут вступить в реакцию с влагой и взорваться. Другой подход требует измельчения образцов лома и добавления жидких металлов для предотвращения осаждения оксидов. Но шлифование – это дорогостоящий и энергоемкий процесс.

По мнению Харта, Меруэ и Игара, наиболее многообещающий подход, впервые предложенный Джонатаном Слокумом, доктором философии ’18, когда он работал в исследовательской группе Харта, включал предварительную обработку твердого алюминия путем нанесения сверху жидких металлов и предоставления им возможности проникнуть через границы зерен.

Чтобы определить эффективность этого подхода, исследователям необходимо было подтвердить, что жидкие металлы могут достигать внутренних поверхностей зерен как с присутствием легирующих элементов, так и без них. И им нужно было установить, сколько времени потребуется, чтобы жидкий металл покрыл все зерна чистого алюминия и его сплавов.

Они начали с объединения двух металлов — галлия и индия — в определенных пропорциях, чтобы создать «эвтектическую» смесь; то есть смесь, которая останется в жидкой форме при комнатной температуре. Они покрыли свои образцы эвтектикой и позволили ей проникнуть в течение периода времени от 48 до 96 часов. Затем они подвергали образцы воздействию воды и контролировали выход водорода (количество образовавшегося) и скорость потока в течение 250 минут. Через 48 часов они также сделали изображения с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) с большим увеличением, чтобы увидеть границы между соседними зернами алюминия.

Основываясь на измерениях выхода водорода и изображениях СЭМ, команда Массачусетского технологического института пришла к выводу, что эвтектика галлия-индия естественным образом проникает и достигает внутренних поверхностей зерен. Однако скорость и степень проникновения варьируются в зависимости от сплава. Скорость проникновения в образцах алюминия, легированных кремнием, была такой же, как и в образцах чистого алюминия, но ниже в образцах, легированных магнием.

Возможно, наиболее интересными были результаты для образцов, легированных как кремнием, так и магнием — алюминиевым сплавом, который часто встречается в рециркуляционных потоках. Кремний и магний химически связываются с образованием силицида магния, который образуется в виде твердых отложений на внутренней поверхности зерна. Меруэх предположил, что, когда в алюминиевом ломе присутствуют и кремний, и магний, эти отложения могут действовать как барьеры, препятствующие протеканию эвтектики галлий-индий.

Эксперименты и изображения подтвердили ее гипотезу: твердые отложения действительно действовали как барьеры, а изображения образцов, предварительно обработанных в течение 48 часов, показали, что проникновение не было полным. Ясно, что длительный период предварительной обработки будет иметь решающее значение для максимизации выхода водорода из алюминиевых отходов, содержащих как кремний, так и магний.

Меруэ указывает на несколько преимуществ используемого ими процесса. «Вам не нужно применять какую-либо энергию, чтобы эвтектика галлия-индия воздействовала на алюминий и избавлялась от этого оксидного слоя», — говорит она. «После того, как вы активировали алюминий, вы можете бросить его в воду, и он будет генерировать водород — никаких затрат энергии не требуется». Более того, эвтектика не вступает в химическую реакцию с алюминием. «Он просто физически перемещается между зернами», — говорит она. «В конце процесса я мог восстановить весь галлий и индий, которые я вложил, и использовать их снова» — ценная особенность, поскольку галлий и (особенно) индий дороги и относительно дефицитны.

Влияние легирующих элементов на образование водорода

Затем исследователи исследовали, как присутствие легирующих элементов влияет на образование водорода. Они испытали образцы, обработанные эвтектикой в течение 96 часов; к тому времени выход водорода и скорость потока выровнялись во всех образцах.

Присутствие 0,6 процента кремния увеличило выход водорода для данного веса алюминия на 20 процентов по сравнению с чистым алюминием, даже несмотря на то, что кремнийсодержащий образец содержал меньше алюминия, чем образец чистого алюминия. Напротив, присутствие 1 процента магния производило гораздо меньше водорода, а добавление как кремния, так и магния увеличивало выход, но не до уровня чистого алюминия.

Присутствие кремния также значительно ускоряло скорость реакции, вызывая гораздо более высокий пик скорости потока, но сокращая продолжительность выделения водорода. Присутствие магния приводило к более низкой скорости потока, но позволяло выходу водорода оставаться довольно стабильным с течением времени. И снова алюминий с обоими легирующими элементами давал скорость потока между легированным магнием и чистым алюминием.

Эти результаты дают практическое руководство о том, как отрегулировать выход водорода в соответствии с рабочими потребностями устройства, потребляющего водород. Если исходным материалом является технически чистый алюминий, добавление небольшого количества тщательно подобранных легирующих элементов может регулировать выход водорода и скорость потока. Если исходным материалом является алюминиевый лом, ключевым фактором может быть тщательный выбор источника. Для мощных кратковременных всплесков водорода хорошо подойдут куски кремнийсодержащего алюминия со свалки автомобилей. Для более низких, но более длинных потоков лучше использовать содержащие магний отходы от каркаса снесенного здания. Для результатов где-то посередине хорошо подойдет алюминий, содержащий как кремний, так и магний; такой материал в изобилии доступен из списанных автомобилей и мотоциклов, яхт, велосипедных рам и даже чехлов для смартфонов.

Также должна быть возможность комбинировать обрезки различных алюминиевых сплавов для улучшения результата, отмечает Меруэ. «Если у меня есть образец активированного алюминия, который содержит только кремний, и другой образец, содержащий только магний, я могу поместить их оба в контейнер с водой и дать им прореагировать», — говорит она. «Таким образом, я получаю быстрый рост производства водорода из кремния, а затем магний вступает во владение и имеет такой стабильный выход».

Еще одна возможность для настройки: уменьшение размера зерна

Другим практическим способом повлиять на производство водорода может быть уменьшение размера зерен алюминия — изменение, которое должно увеличить общую площадь поверхности, доступную для протекания реакций.

Чтобы исследовать этот подход, исследователи запросили у своего поставщика специально изготовленные образцы. Используя стандартные промышленные процедуры, специалисты Novelis сначала пропускали каждый образец через два ролика, сжимая его сверху и снизу, чтобы внутренние зерна были сплющены. Затем они нагревали каждый образец до тех пор, пока длинные плоские зерна не реорганизовались и не сжались до заданного размера.

В ходе серии тщательно спланированных экспериментов команда Массачусетского технологического института обнаружила, что уменьшение размера зерна повышает эффективность и сокращает продолжительность реакции в различной степени в различных образцах. Опять же, большое влияние на результат оказало присутствие определенных легирующих элементов.

Требуется: пересмотренная теория, объясняющая наблюдения

В ходе своих экспериментов исследователи столкнулись с некоторыми неожиданными результатами. Например, стандартная теория коррозии предсказывает, что чистый алюминий будет генерировать больше водорода, чем алюминий, легированный кремнием, — противоположное тому, что они наблюдали в своих экспериментах.

Чтобы пролить свет на лежащие в основе химические реакции, Харт, Меруэ и Игар исследовали «поток» водорода, то есть объем водорода, образующийся с течением времени на каждом квадратном сантиметре поверхности алюминия, включая внутренние зерна. Они изучили три размера зерна для каждого из четырех составов и собрали тысячи точек данных, измеряющих поток водорода.

Их результаты показывают, что уменьшение размера зерна оказывает значительное влияние. Он увеличивает пиковый поток водорода из алюминия, легированного кремнием, в 100 раз, а из трех других составов — в 10 раз. Как для чистого алюминия, так и для алюминия, содержащего кремний, уменьшение размера зерна также уменьшает задержку перед пиковым потоком и увеличивает скорость последующего снижения. В магнийсодержащем алюминии уменьшение размера зерна приводит к увеличению пикового потока водорода и приводит к несколько более быстрому снижению скорости выхода водорода. При наличии как кремния, так и магния поток водорода с течением времени напоминает поток алюминия, содержащего магний, когда размер зерна не изменяется. Когда размер зерна уменьшается, характеристики выхода водорода начинают напоминать поведение, наблюдаемое в кремнийсодержащем алюминии. Этот результат был неожиданным, потому что, когда одновременно присутствуют кремний и магний, они реагируют с образованием силицида магния, в результате чего получается новый тип алюминиевого сплава со своими свойствами.

Исследователи подчеркивают преимущества лучшего фундаментального понимания лежащих в основе химических реакций. В дополнение к руководству по проектированию практических систем, это могло бы помочь им найти замену дорогому индию в их смеси для предварительной обработки. Другая работа показала, что галлий естественным образом проникает через границы зерен алюминия. «На данный момент мы знаем, что индий в нашей эвтектике важен, но мы не совсем понимаем, что он делает, поэтому мы не знаем, как его заменить», — говорит Харт.

Но Харт, Меруэ и Игар уже продемонстрировали два практических способа регулирования скорости водородной реакции: добавлением определенных элементов к алюминию и изменением размера внутренних алюминиевых зерен. В сочетании эти подходы могут дать значительные результаты. «Если перейти от магнийсодержащего алюминия с наибольшим размером зерна к кремнийсодержащему алюминию с наименьшим размером зерна, вы получите скорость водородной реакции, отличающуюся на два порядка», — говорит Меруэ. «Это очень важно, если вы пытаетесь спроектировать реальную систему, которая будет использовать эту реакцию».

Дополнительная информация:
Лорин Меруэх и др., Влияние легирования магнием и кремнием на образование водорода путем восстановления алюминиевых сплавов в воде, ACS Applied Energy Materials (2020).