ПОЛУЧЕНИЕ ВОДОРОДА В РЕАКЦИИ НАНОАЛЮМИНИЯ СО ЛЬДОМ
Authors: Кудряшова О.Б. , Морозова О.Н. , Антонникова А.А. 
Published: January 2025

В работе рассматривается реакции окисления нанодисперсного порошка алюминия водой при комнатной температуре в реакторе без перемешивания, разогрева и иных способов активации из предварительно подготовленной гомогенной смеси порошка со льдом. Процесс рассмотрен теоретически на основе полученных ранее данных о макрокинетике реакции взаимодействия дисперсного алюминия с водой с учетом таяния ледяной смеси и разогрева до комнатной температуры. Проведен эксперимент, подтверждающий полученные теоретические результаты. Решение проблемы поиска режимов управляемой генерации водорода в реакции наноалюминия с водой актуально в связи с разработкой источников водорода для топливных элементов. Задача оптимизации режимов генерации водорода в реакции алюминий-вода встает в связи с тем, что динамика реакции взаимодействия алюминия высокой дисперсности с водой носит экстремальный характер с резким нарастанием давления водорода и резким спадом, и начинается уже при комнатной температуре, что затрудняет подготовку смеси в этих условиях. С другой стороны, в технологиях, использующих водород как топливо, необходимо равномерное поступление газа к топливному элементу. Рассматривается подготовка гомогенной смеси порошка наноалюминия со льдом при температуре, ниже 0°С, когда реакция не происходит. Затем смесь помещается в реактор в условиях комнатной температуры (17–25°С); реакция начинается постепенно по мере нагревания смеси в постепенном режиме без негативных явлений экстремального саморазогрева. Определяется температура смеси, степень превращения алюминия, и скорость образования водорода в зависимости от времени. В расчетах принимаются кинетические параметры порошка марки Alex; считается, что масса льда (воды) существенно превышает стехиометрическую. Из решения задачи в безразмерном виде и проведенных расчетов получены интерполяционные формулы для времени полного превращения алюминия в зависимости от ведущих параметров процесса. Теоретически и экспериментально показано, что в рассматриваемом процессе водород генерируется за несколько часов в полном объеме в управляемом режиме, и теплового взрыва в результате экзотермической реакции не происходит. Найденные закономерности протекания реакции в дальнейшем могут быть использованы для расчета технических параметров систем генерации водорода из заранее подготовленной смеси наноалюминия со льдом.
The paper considers the oxidation reactions of nanodispersed aluminum powder with water at room temperature in a reactor without stirring, heating, or other activation methods from a pre-prepared homogeneous mixture of powder with ice. The process is considered theoretically based on previously obtained data on the macrokinetics of the reaction of interaction of dispersed aluminum with water, taking into account the melting of the ice mixture and heating to room temperature. An experiment confirming the obtained theoretical results is conducted. The solution to the problem of searching for controlled hydrogen generation modes in the reaction of nanoaluminum with water is relevant in connection with the development of hydrogen sources for fuel cells. The problem of optimizing hydrogen generation modes in the aluminum-water reaction arises due to the fact that the dynamics of the reaction of interaction of highly dispersed aluminum with water is extreme in nature with a sharp increase in hydrogen pressure and a sharp decline, and begins already at room temperature, which complicates the preparation of the mixture under these conditions. On the other hand, in technologies using hydrogen as a fuel, a uniform supply of gas to the fuel cell is necessary. The article considers the preparation of a homogeneous mixture of nanoaluminum powder with ice at a temperature below 0°C, when the reaction does not occur. Then the mixture is placed in a reactor at room temperature (17–25°C); the reaction begins gradually as the mixture is heated in a gradual mode without negative phenomena of extreme self-heating. The temperature of the mixture, the degree of aluminum conversion, and the rate of hydrogen formation depending on time are determined. The kinetic parameters of Alex brand powder are taken into account in the calculations; it is considered that the mass of ice (water) significantly exceeds the stoichiometric one. From the solution of the problem in dimensionless form and the calculations performed, interpolation formulas are obtained for the time of complete aluminum conversion depending on the leading process parameters. It is shown theoretically and experimentally that in the process under consideration, hydrogen is generated in full in a controlled mode within several hours, and a thermal explosion does not occur as a result of the exothermic reaction. The found patterns of the reaction can be further used to calculate the technical parameters of hydrogen generation systems from a pre-prepared mixture of nanoaluminum with ice.Index terms: hydrogen generation, nanoaluminum powder, homogeneous mixture, reagent preparation.