高铝含量金属与水反应热力学的理论和实验研究

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金属铝是地壳中含量最多的金属,其能量密度高,与水反应可以生成氢气,而氢气发热量高,产物清洁,这使金属铝-水反应成为理想的水下推进系统的动力来源。  本文利用FactSage热力学软件进行了金属铝、镁、锂以及铝锂、铝镁、铝锂镁合金与水反应的热力学计算及分析,之后根据实际需要,搭建了熔融金属与水反应试验台,并在试验台上对金属铝、铝锂合金、铝镁金属混合物、铝锂镁金属混合物、铝锂镁合金与水的反应进行了研究,得到主要结论如下:  1)在研究的温度区间内,随着温度的升高反应放热逐渐降低且反应更容易向产生氢气的方向进行;上述金属与水反应主要固态生成物分别为Al2O3、MgO、Li2O、LiAlO2、MgAl2O4,且他们的量随温度变化很小,温度对金属与水反应的固态生成物种类影响较小。压力对金属与水反应的影响很小。对于单一金属铝和镁,燃水比为当量比时,反应放出的热量最大,富燃料和富氧化剂的条件下都需要热量去加热富余的物质;而对于金属锂,燃料越多,反应放热越多;对铝锂和铝镁合金来说,不同的组成对应不同的生成物组成,在金属铝中添加金属锂或者金属镁形成合金后与水反应,生成的LiAlO2和MgAl2O4可以有效的破除单一金属铝与水反应生成的致密氧化膜Al2O3。在反应中,加入过量的H2O有助于吸收反应放出的热量,降低反应容器内的温度;2mol铝锂或铝镁合金与10molH2O反应,绝热温差将近2000℃,这对实际应用中降低反应区温度有指导意义。  2)对同种金属相同配比,随着温度的升高,金属与水反应的转化率X增大,即X920℃>X820℃>X720℃。相同温度同样配比下,含金属锂的混合物的转化率大于含金属镁的混合物的转化率,即XAl-Li>XAl-Mg>XAl,且XAl-Mg和XAl两者相差很小,而远小于XAl-Li。不同种类的金属与水反应生成物形貌性质不同,根据XRD分析知道,除纯铝易生成团转聚集物外其他种类金属生成物相对比较疏松且易于处理,易清除程度排列如下:Al-Li-Mg合金>Al-Li-Mg金属混合物>金属铝锂混合物>金属铝镁混合物>纯铝,这是因为纯铝与水反应会生成致密Al2O3氧化膜,阻止内部铝进一步反应,所以内部熔融凝固后成团状聚集,而其他种类的金属与水反应会生成LiAl、MgO、LiAlO2等物质,破除形成了的致密Al2O3氧化层,有助于反应的进一步进行。对高铝含量金属混合物或者合金来说,含有高含量的锂或者镁,都能提高其与水反应的转化率,金属锂效果更佳明显。
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