Алюминий для зеленой экономики

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!