0
177393
Газета Экология Интернет-версия

28.03.2018 00:01:00

Алюминий для зеленой экономики

Ученые и инженеры находят все новые области использования "крылатого металла"

Тэги: аллюминий, топливо, металл, экология, наука, промышленность, производство


аллюминий, топливо, металл, экология, наука, промышленность, производство Европейский рынок вторичного алюминия оценивается примерно в 9 млн т. Фото предоставлено пресс-службой НИТУ «МИСиС»

Интерес к этому металлу знал и периоды ажиотажного спроса на него, и периоды спада. Впервые алюминий упоминается в «Естественной истории» древнеримского историка Плиния Старшего. В 1959 году в Китае при археологических раскопках была обнаружена пряжка III–IV веков, изготовленная из сплава, состоящего на 85% из алюминия, на 10% из меди и на 5% из марганца. В начале XIX века этот легкий блестящий металл стоил дороже серебра и золота.

Промышленное производство алюминия началось в середине XIX века. С этого момента цена одного килограмма алюминия (в марках) начала достаточно быстро снижаться: с 1000 в 1855 году до 2,1 в 1899 году. Сегодня алюминий – один из основных конструктивных материалов глобальной экономики. (Что неудивительно: запасы алюминия сегодня оцениваются в 6 х 109 тонн; это в 200 раз больше, например, чем углерода!) Казалось бы, все возможные ниши применения его давно уже открыты и освоены. И тем не менее до сих пор этот серебристый – «крылатый», как его называют, – металл продолжает преподносить сюрпризы инженерам и конструкторам.

Научный коллектив кафедры цветных металлов и золота НИТУ «МИСиС» под руководством приглашенного профессора Александра Громова разработал способ… получать альтернативное экологически чистое топливо (водород) из отходов алюминия и цветных металлов. Об этом сообщила пресс-служба НИТУ «МИСиС». Переработка одной банки объемом 0,33 л из-под газированного напитка по новой технологии даст топливо для 20 м автопробега.

После этого язык не поворачивается называть алюминиевую тару отходами! В любом случае алюминий и цветные металлы – самые дорогие отходы. Емкость российского рынка алюминиевой тары оценивается приблизительно в 2–3 млрд упаковок в год. Время жизни такой банки – от нескольких дней до нескольких месяцев. После использования пустая банка, как правило, попадает на свалку, как и другие алюминиевые отходы. Вес банки объемом 0,33 л – 15 г. Соответственно в год количество затраченного алюминия приближается к 30–40 тыс. т чистого металла.

Для сравнения. По данным исследования European can market report 2013–2014, европейский рынок вторичного алюминия, бесполезно и бесконтрольно выделяющего водород в атмосферу при хранении, оценивается примерно в 9 млн т. Более половины этого алюминия не используется, что в пересчете на энергетический эквивалент равно 130 ТДж (тераджоулей; 1,3 х 1014 Дж) энергии.

В странах, где существует сортировка отходов алюминия и цветных металлов, применяется технология переплавки во вторичный металл. Например, в Швейцарии утилизируется до 90% бытовых алюминиевых отходов (данные за 2017 год). Недостатки этого способа утилизации – затраты на транспортировку, очистку и переплавку, а также высокая токсичность образующихся шлаков.

«Научный коллектив под руководством профессора кафедры цветных металлов и золота НИТУ «МИСиС», д.т.н. Александра Громова совместно с коллегами из Института высоких температур РАН предложил использовать отходы алюминия в альтернативной зеленой энергетике в качестве реагента для производства водорода – экологически чистого и энергоемкого топлива», – рассказала ректор НИТУ «МИСиС» Алевтина Черникова.

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, хранящаяся в каждой банке алюминия массой 15 г, составляет 255 кДж. В пересчете на бензин 255 кДж энергии эквивалентны тем самым 20 м пробега автомобиля с расходом бензина 5 л на 100 км.

Химики сразу запротестуют: алюминий реагирует с кислородом и водой очень медленно, поскольку в результате окисления его поверхность покрывается тонкой, но прочнейшей в химическом отношении оксидно-гидроксидной пленкой. Она и защищает металл от контакта с окислителем и останавливает химический процесс. Необходима активация процесса окисления. В качестве решения этой задачи исследователи предложили метод механоактивации. Уже из названия понятно, что он подразумевает механическое измельчение и обработку алюминиевых отходов специальными реагентами. В результате оксидная пленка разрушается.

«Мы предложили систему, – поясняет руководитель проекта Александр Громов, – которая включает анализ исходного сырья, оптимальные способы измельчения алюминиевых отходов, разработку механизмов и режимов окисления, а также хранения и транспортировки полученного твердого металлического реагента. Мы нашли оптимальные реагенты для окисления алюминиевых отходов, разработали концепцию аппарата для получения водорода – аналога карбидного генератора ацетилена. Эта технология  пожаровзрывобезопасна и помогает решить три практические задачи: утилизировать отходы алюминия и других гидрореагирующих металлов; получить практически бесплатный водород из отходов; привлечь внимание к проблеме сортировки и раздельной утилизации мусора».

Водород, получаемый окислением отходов металлического алюминия и других цветных металлов, может использоваться как топливо в портативных источниках электропитания, в транспортных системах и установках малой стационарной энергетики. Результаты своей работы ученые опубликовали в журнале Powder Technology.

Не менее эффектную разработку выполнили сотрудники опорного Новосибирского государственного технического университета (НГТУ). Они изготовили из алюминия первый в мире… авиадвигатель! Причем если ученые из Московского института стали и сплавов решали задачу – как избавить от оксидной пленки алюминий, то их сибирские коллеги бились над решением зеркальной задачи – как покрыть алюминий наиболее прочной оксидной пленкой. «Из алюминия изготовлены даже те части, которые подвергаются самым высоким нагрузкам: коленчатый вал, гильзы и маховик», – подчеркивается в сообщении пресс-службы вуза.

Алюминий уже достаточно давно применяется в авиационных и автомобильных двигателях. Скажем, по данным экспертов журнала «Уральский рынок металлов», в двигателях автомобилей, изготовленных в США, использование алюминия достигает 40 кг на автомобиль; этот же показатель в Японии и Южной Корее – 36,4 кг, а в Западной Европе – 35,2 кг на автомобиль. Но вот детали, работающие под высокой нагрузкой, до сих пор изготавливаются из стали.

Ученым НГТУ удалось заменить сталь алюминием с помощью особой технологии плазменно-электролитического оксидирования, разработанной в Институте неорганической химии (Новосибирск). На алюминиевые детали воздействуют плазменными разрядами, в результате чего на поверхности алюминиевой детали образуется тонкий слой оксида алюминия – корунда, который обладает высокой твердостью и температурой плавления.

«Наземные испытания двигателя успешно прошли на аэродроме Мочище под Новосибирском в январе 2018 года. Теперь специалисты готовятся проводить испытания двигателя на заявленный ресурс. Он должен быть не меньше, чем у моторов из стали – 2 тыс. часов. После этого двигатель будет установлен на самолет Як-52 и начнутся его летные испытания», – отмечается в сообщении НГТУ.

Использование алюминия вместо стали позволяет снизить вес двигателя на 40–50% по сравнению с традиционными двигателями аналогичной мощности. В снаряженном состоянии он будет весить около 200 кг, тогда как вес предшественника, двигателя М-14П – не менее 250 кг. Мощность нового двигателя выросла на 40 лошадиных сил – до 400 лошадиных сил, а расход топлива снизился примерно на 15%.

Предполагается, что новый двигатель будет устанавливаться на двухместные самолеты ЯК-52, старые двигатели которых либо уже выработали свой ресурс, либо находятся на грани выработки. Сейчас в России эксплуатируется несколько сотен самолетов ЯК-52, они используются как учебно-тренировочные в школах ДОСААФ, а также как частные и коммерческие самолеты.

Интересная техническая деталь: алюминиевый двигатель будет работать на обычном автомобильном бензине АИ-95. Также на него будет устанавливаться автономная система подогрева. Предполагается, что в серийном производстве двигатель будет вдвое дешевле современных аналогов...

А ведь чуть больше 200 лет назад Наполеону пищу подавали на алюминиевых блюдах – роскошь!


Оставлять комментарии могут только авторизованные пользователи.

Вам необходимо Войти или Зарегистрироваться

комментарии(0)


Вы можете оставить комментарии.


Комментарии отключены - материал старше 3 дней

Читайте также


Видеоигры не станут запрещать после цензуры...

Видеоигры не станут запрещать после цензуры...

Иван Родин

Совет безопасности РФ обсудил готовность ко Дню Победы

0
863
В России сохраняется высокий уровень эксплуатации рабочих

В России сохраняется высокий уровень эксплуатации рабочих

Ольга Соловьева

Дефицит кадров в промышленности предлагают устранить увеличением налогов для самозанятых

0
6122
Константин Ремчуков. Си Цзиньпин потребовал предотвратить повторение недавней волны массовых убийств, потрясших страну

Константин Ремчуков. Си Цзиньпин потребовал предотвратить повторение недавней волны массовых убийств, потрясших страну

Константин Ремчуков

Мониторинг ситуации в Китайской Народной Республике по состоянию на 06.01.25

0
5871
Возможен ли промышленный рост за пределами госзаказа

Возможен ли промышленный рост за пределами госзаказа

Анастасия Башкатова

Индустриальная развилка: нацпроекты – стимул, денежно-кредитная политика – тормоз

0
11658

Другие новости