铝燃料电池的铝是一种节能环保绿色金属

2019-01-25      900 次浏览

铝是一种银白色金属,现在用的英文名“Aluminium”是从古罗马语“Alumen(明矾)”衍生来的,在北美洲用“aluminum”,在世界其他国家及地区则多用“Aluminium”。1807年英国化学家波特(J.H.Pott)用明矾制得氧化铝。1807年英国化学家戴维(H.Davy)试图电解熔融氧化铝制取金属,1808年他将这个预想的金属命名为“Aluminum”,后改为“Aluminium”。1825年丹麦科学家奥斯忒(H.C.Qersted)用钾汞齐还原无水氯化铝,制得几毫克铝。1827年德国化学家沃勒(F.Wohler)用钾还原氧化铝,制得了少量较纯的铝,并描述了它的一些性质,不过在此之前,这个金属一直是实验室中的一种名贵“古董”。到1854年法国科学家德维尔(HenriSaint,ClaiteDeville)改进了以前的制备方法,用钠作为还原剂成功地生产了较多的以kg计的更纯的铝,价格比黄金的还贵一些,并建厂为皇室贵族生产一些头盔、餐具及玩具。1886年美国奥伯宁学院化学系大学生霍尔(C.M.Hall)与法国埃科尔矿业学院(EcoledesMines)大学生埃罗(PaulL.Heroult)在大洋彼岸独立地发明了冰晶石-氧化铝熔盐电解炼铝法,并分别在各自国家取得了专利。1888年霍尔组建了匹兹堡冶金公司(PittsburghReductionCompany),即当今的美国铝业公司(Alcoa)的前身,埃罗也在瑞士成立了产铝工厂。铝的生产从此进入了工业化,年年增加,一路攀升,1956年全世界原铝产量超过铜,成为仅次于钢的第二大金属,2016年全世界原铝产量59166kt,其中中国的产量32650kt,占世界总产量的55.18%,中国已成为世界原铝生产的全面领军者。

在此顺便说明一下,在提到铝时,不要在铝的前面加“金属”二字,因为汉字“铝”有“金”字偏旁,就说明它是一种金属,而由英文的“Aluminium”并不能看出它是什么状态与什么属性的物质,因此他们常说与书写为“metalaluminium(金属铝)”。

铝是地球和月球上较丰富的金属元素,占地球表面固体部分的8%以上,海水平均含0.5ppm铝。目前全世界查明的铝土矿工业储量约280×108t,储量丰富和产量较大的国家有几内亚、澳大利亚、巴西、牙买加、印度等国,他们的铝土矿多为优质的高铁低硅三水软铝石型,适用于以简单的成本较低的拜耳(Bayer)法生产氧化铝,而中国缺乏这种优质铝土矿,已探明的93%以上为一水硬铝石型,主要杂质为SiO2和少量的Fe2O3、TiO2,不适宜用纯拜耳法生产氧化铝,所以说中国并不是一个铝土矿资源丰富的国家。

铝的基本特性

铝是一种轻金属,化学符号Al,在元素周期表中属ⅢA族,原子序数13,原子量26.982,面心立方晶格,常见化合价+3099.99%Al的物理性质:20℃时密度2.70g/cm3,熔点660.1℃,沸点2520℃,0℃——100℃的平均比热容917J/(kg·k),20℃——100℃的平均线胀系数23.6×10-6/℃,20℃的体胀系数68×10-6/℃,熔化热10.47KJ/mo1,汽化热291.4KJ/mo1,热导率(0℃——100℃)238W/(m·k),电阻率(20℃)2.67μΩ·cm,电导率(62%——68%)IACS,撞击时不发火花,非磁性,反射全光谱辐射能,声音在铝中的传播速度5000m/s——6500m/s,对光的反射率85%——90%,25℃时热扩散率0.969cm2/s。

华学性能:铝在空气中会立即与氧形成薄的(0.005μm——0.02μm)氧化膜,它很致密,可阻止铝的继续氧化,因而有强的抗蚀性,但是铝是两种元素,与大多数稀酸只发生缓慢的反应,可迅速溶解于浓盐酸,而不与浓硝酸反应,因为发生了钝化,铝可与NaOH溶液发生强烈反应,铝可与氮、硫和卤族元素在高温下发生反应;99.50%Al在2.67%AlCl3溶液中对标准甘汞电极的自然电位-955.8mV,在3.5%NaCl溶液中对标准电极的孔蚀电位-732.2mV,铝有很好的可阳极氧化与电泳涂漆性能,可电镀性能也不错。铝的腐蚀有多种类型:普通腐蚀、点腐蚀、晶间腐蚀与剥落腐蚀,应力腐蚀等,杂质的性质与分布状态决定它们对腐蚀的影响;影响腐蚀介质侵蚀能力较重要的因素是:浓度、温度、压力与运动。

力学性能:总体上,铝及铝合金有很好的力学性能,抗拉强度Rm从1070-H18合金的125N/mm2——7075-T6合金的570N/mm2,有些合金的Rm可以达到700N/mm2或更高一些,不少铝合金材料的Rm可接近软钢的;铝及铝合金有的可压力加工性能,可加工成各种半成品,可工业化轧制宽2000mm,厚0.006mm的箔;其他的力学性能如弹性模量、疲劳性能、抗蠕变性能、断裂韧性、损伤容限等等都可以满足现代化工业发展的需求。

铝是一种节能环保的绿色金属

在上世纪60年代以前,人们都认为铝是一种耗能大与污染严重的金属,因为生产一吨原铝需要15000kWh以上的综合交流电:在原铝提取过程中,排放的气体有CO2、CO、HF、CF4、C2F6、SiF4、SO2、H2S、CS2、COS、H2O等,其中CO2是主要的,占75左右,另外,烟气中还含有微量的C、Al2O3、Na3AlF6、Na5AL3F14、NaAlF4、AlF3、CAF2等固体微粒,在这些排放物中较有害的是F,在现代化预焙糟原铝中产生的烟气经集气净化处理后,排放大气的烟气中的含F量可≤0.60kg/tAl,这就是说,一座800kt/a的原铝厂每年排放的有害物质F仍可达约480t。在生产中,每生产1t铝需要消耗约4t铝土矿,产生约3t固体废弃物,它们虽不是有毒的,但却是有害的。自上世纪70年代以来,人们开始对铝有了新的认识:

●能源储蓄银行

美国铝业协会公司认为铝是“能源储蓄银行”即在原铝提取过程中所消耗的能源,在其后的使用及回收过程中可以“支取”,还给社会。汽车的质量每减轻10%可节油8%;每使用1kg铝,可使车在合用期内减少20kg尾气排放;采用铝所节省的能量是生产该零件所用原铝耗能的6倍——12倍。

●铝在使用过程中,由于零部件质量的减轻,以及抗蚀性的提高与寿命的延长,因而可减少温室气体排放。

●铝是一种可回收性极强的金属,每循环一次仅损失约5%,而回收的能耗及排放的温室气体,仅相当于原铝提取5%在一定程度上说,铝是一种“与世长存”的金属,自1988年至2016年全世界共生产了约13.5亿吨铝,至今仍有约75%在使用。

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