基于水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)

殷海霞，李佳佳，陳艷雪，鐘延霞，李貴敏

（石家莊醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)校 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)部，河北石家莊 050000）

社會(huì)高速發(fā)展下，對(duì)各類能源的需求量逐漸加大，盡管在環(huán)保節(jié)能戰(zhàn)略的推進(jìn)下，我國(guó)由能源消耗為主的經(jīng)濟(jì)發(fā)展結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉垂?jié)約的經(jīng)濟(jì)發(fā)展結(jié)構(gòu)，但在行業(yè)領(lǐng)域的高能耗內(nèi)需下，部分資源類型仍面臨著短缺問題。在多資源的內(nèi)耗下，相關(guān)資源部門制定以二次利用、反應(yīng)利用為主體的能源扶持體系，通過相關(guān)化學(xué)手段令可再生產(chǎn)品經(jīng)由反應(yīng)產(chǎn)生能源，以替代原有的不可再生資源，真正實(shí)現(xiàn)能源的高效率利用。從能源制備載體來看，水體資源可以作為能源制備的主要原料，在相關(guān)條件下與其他物質(zhì)進(jìn)行多元化學(xué)反應(yīng)，可制備出維系工業(yè)生產(chǎn)的能源。例如，鎂材料、鋁材料、納米材料等與水進(jìn)行反應(yīng)，可產(chǎn)生較高的熱能，進(jìn)而為設(shè)備提供持續(xù)性能源供應(yīng)。本文對(duì)鋁-水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)下的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

1 水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的研究現(xiàn)狀

鋁材料具有優(yōu)異的熱力學(xué)性能、密度等，其在電子行業(yè)、生產(chǎn)行業(yè)等占據(jù)重要位置，以鋁材料為基礎(chǔ)進(jìn)行水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，具有較低的成本優(yōu)勢(shì)，且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的產(chǎn)能比值也高于其他金屬。

1.1 鋁-水反應(yīng)制氫

化學(xué)原理為2Al+6H2O →2Al（OH）3+3H2。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，此類反應(yīng)得出的氫氣理論占比約為4.1%，高于同等金屬的制氫量。但從實(shí)際反應(yīng)形式來看，鋁表面存在的鈍化面，將降低鋁材料表面的活性。經(jīng)過不斷反應(yīng)改進(jìn)，得出以小顆粒替代原有大體積的反應(yīng)形式，可進(jìn)一步提高制氫量。此外，國(guó)外學(xué)者利用容器對(duì)鋁材料與水體進(jìn)行機(jī)械融合反應(yīng)，以機(jī)械轉(zhuǎn)速的提升規(guī)避反應(yīng)誘導(dǎo)時(shí)限過長(zhǎng)的問題，得出在室溫30℃時(shí)，鋁離子與水之間的反應(yīng)效果最為強(qiáng)烈。

1.2 高溫鋁-水反應(yīng)

化學(xué)原理2Al+3H2O →Al2O3+3H2。在高溫反應(yīng)條件下，為盡量避免鋁材料表面在反應(yīng)過程中因鈍化現(xiàn)象所造成反應(yīng)中斷問題，主要是以顆粒狀態(tài)的鋁材料為主，然后在反應(yīng)載體中添加具有水溶性的材料，降低高溫狀態(tài)下的水蒸發(fā)效率。我國(guó)研究人員在進(jìn)水解氫反應(yīng)時(shí)，在其中添加鋰鎳材料的反應(yīng)劑，以提高實(shí)際產(chǎn)氫效率。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，鋰鎳材料的反應(yīng)劑比原有的鋁顆粒反應(yīng)量所產(chǎn)生的氫氣產(chǎn)能高15%，且產(chǎn)氫效率較高。國(guó)外研究人員則是在鋁材料中添加其他金屬介質(zhì)，以防止鋁材料在與水反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生氧化膜，這樣可進(jìn)一步簡(jiǎn)化鋁顆粒的制作工序。在鋅材料、錫材料、鎵材料等的融合運(yùn)用下，氫氣產(chǎn)量得到提升，產(chǎn)生此種現(xiàn)象的主要原因是由于鋁合金提高了水解反應(yīng)效率，且在一定程度上，抑制了鋁材料的氧化速率，提高實(shí)際反應(yīng)活性。

1.3 鋁—水反應(yīng)（堿性）

化學(xué)反應(yīng)原理為：

鋁材料與堿性水體進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，受到水體內(nèi)OH-的干預(yù)，可進(jìn)一步提高反應(yīng)制氫效率，令鋁材料實(shí)現(xiàn)高速率反應(yīng)，且水體中的堿性含量對(duì)鋁材料表面的鈍化反應(yīng)具有一定的約束效果。此外，從實(shí)際反應(yīng)數(shù)據(jù)來看，純鋁材料的反應(yīng)速率隨著溫度的升高，氫氣制備效率隨之提高。國(guó)外學(xué)者，對(duì)不同鋁合金材料在堿性水體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，得出因在Si、Co 等材料的融合下，可有效提高氫氣制備量，并減少能源耗損量。

2 納米鋁粉與水反應(yīng)的特性解析

2.1 溫度條件下的熱動(dòng)力特性

納米鋁粉與水反應(yīng)，可通過接觸面的增加，提高實(shí)際反應(yīng)效率，且鋁粉反應(yīng)時(shí)間小于鋁材料表面的鈍化時(shí)間，即在未等鋁粉發(fā)生鈍化反應(yīng)時(shí)，便可完成氫氣制備反應(yīng)，以提高實(shí)際反應(yīng)效果。從動(dòng)力學(xué)角度來看，水反應(yīng)熱動(dòng)力性能，是隨著溫度的提升，令整個(gè)反應(yīng)過程呈現(xiàn)出一定的應(yīng)激特點(diǎn)，且在完全反應(yīng)之前，反應(yīng)效率呈現(xiàn)出線性特征，其可最大限度的強(qiáng)化反應(yīng)效率。在固有的溫度曲線內(nèi)，高溫狀態(tài)與低溫狀態(tài)呈現(xiàn)出的熱反應(yīng)特征明顯，一旦反應(yīng)介質(zhì)與反應(yīng)溫度之間呈現(xiàn)出突變性特點(diǎn)時(shí)，則可進(jìn)一步為相關(guān)反應(yīng)溫度提供可控性約束，即為初始溫度與終止溫度之間的變化差值決定著氫氣的實(shí)際制備量數(shù)。但從反應(yīng)態(tài)勢(shì)來看，納米鋁粉與水反應(yīng)的過程中，將呈現(xiàn)出一個(gè)反應(yīng)峰值，這樣依據(jù)溫度可控節(jié)點(diǎn)可將整個(gè)反應(yīng)過程分為三個(gè)階段。首先，低溫階段，此時(shí)反應(yīng)環(huán)境的溫度對(duì)鋁粉與水體之間的反應(yīng)促進(jìn)效率較低，此時(shí)內(nèi)部反應(yīng)溫度值的線性提升大多來自設(shè)備的功率加熱，此階段可以界定為平緩反應(yīng)區(qū)。其次，升溫階段，此時(shí)反應(yīng)環(huán)境溫度處于逐步提升的狀態(tài)，且溫度條件可令鋁粉與水體產(chǎn)生激烈的反應(yīng)，溫度值與反應(yīng)效率具有一定線性關(guān)系。最后，頂峰階段，此時(shí)鋁粉與水體的反應(yīng)程度最為激烈，但在過了頂峰階段以后，則氫氣產(chǎn)量與溫度值將隨之下降。

如圖1所示。從內(nèi)驅(qū)特性來看，在400s 之前的反應(yīng)時(shí)間段內(nèi)，鋁粉與水反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量可滿足燃料熱驅(qū)動(dòng)，例如能源推進(jìn)系統(tǒng)等，且此過程溫度呈持續(xù)走高的態(tài)勢(shì)，與燃料的啟動(dòng)溫度具有一致性，這樣在一定程度上，便可降低能源的輸入，避免發(fā)動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過程中的延時(shí)響應(yīng)問題。在200～370s 內(nèi)，此階段可以看成是高速反應(yīng)階段，通過不同反應(yīng)參數(shù)可以看出，在材料快速集能過程中，能源的消耗與輸出呈現(xiàn)出一定協(xié)調(diào)性，這對(duì)于高效率推進(jìn)系統(tǒng)則可為其提供相應(yīng)的熱動(dòng)力驅(qū)動(dòng)源。在475s 時(shí)間節(jié)點(diǎn)下，50～85℃的溫度差可以看成是反應(yīng)放熱點(diǎn)，此過程中反應(yīng)溫度與材料本體的反應(yīng)屬性處于一個(gè)自然消損狀態(tài)，且此類放熱階段在整個(gè)放熱過程中可以作為與放熱系數(shù)相對(duì)等的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖1 納米鋁粉與水的反應(yīng)曲線圖

2.2 粒徑條件下的熱動(dòng)力特性

在不同實(shí)驗(yàn)證明下，納米鋁粉與水反應(yīng)所生成的氫氣含量較高，因此對(duì)鋁粉粒徑與反應(yīng)特征之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行分析。本次實(shí)驗(yàn)采用的是30μm、14μm、3μm、40μm 的鋁粒子為實(shí)驗(yàn)載體，鋁粉與水體的比例為1 ∶2。在實(shí)驗(yàn)過程中，將反應(yīng)溫度控制分為三個(gè)控制階段，得出在30～250℃之間，30μm、14μm、3μm 的鋁粒子反應(yīng)不明顯，但40μm 的鋁粉粒子反應(yīng)特征要明顯高于前三者。經(jīng)過溫度條件下的熱動(dòng)力特性說明，同質(zhì)量的鋁粉，在反應(yīng)過程中，表面積決定著實(shí)際反應(yīng)效率，但應(yīng)注意鋁粒子的粒徑極限值問題。從動(dòng)力學(xué)可以看出，納米級(jí)別的鋁粒子在與水進(jìn)行交互反應(yīng)時(shí)，受到分子間擴(kuò)散特性的影響，可以界定出分子燃燒反應(yīng)的相關(guān)條件。

3 基于水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)研究

從水反應(yīng)角度來看，化學(xué)反應(yīng)支撐下的熱動(dòng)力學(xué)可以看成是一個(gè)能量轉(zhuǎn)移的過程，其涉及熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)等，然后結(jié)合化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量，實(shí)現(xiàn)能源的持續(xù)性供給，然后通過電子設(shè)備的測(cè)量，可制作出相應(yīng)的熱譜曲線，為熱動(dòng)力學(xué)參數(shù)的設(shè)定提供數(shù)據(jù)支撐。在水反應(yīng)中，其所呈現(xiàn)出的反應(yīng)特性與數(shù)量、時(shí)間、溫度等呈現(xiàn)出一定的線性關(guān)系，且此類能量轉(zhuǎn)換在動(dòng)力學(xué)與熱力學(xué)之間具有一個(gè)聯(lián)動(dòng)效應(yīng)，進(jìn)而為相關(guān)載體提供可能源推進(jìn)功能。但從我國(guó)現(xiàn)有的技術(shù)發(fā)展體系來看，受到量熱技術(shù)的限制，我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家成熟的技術(shù)體系仍存在一定差距。本文在對(duì)水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)支持下的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)分析時(shí)，是以納米鋁粉為基礎(chǔ)，通過各類參數(shù)的界定，分析出不同反應(yīng)模式下，相關(guān)能源的轉(zhuǎn)換值。在不同反應(yīng)條件下，同一個(gè)溫度反應(yīng)環(huán)境中，熱焓變值與材料的反應(yīng)速率呈現(xiàn)出對(duì)等性。為此，在對(duì)熱動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究時(shí)，便可通過同等反應(yīng)條件下熱焓變化值分析出等溫、等壓狀態(tài)下，各項(xiàng)反應(yīng)參數(shù)之間存在的差異問題，進(jìn)一步確定出不同狀態(tài)下，納米鋁粉的量化反應(yīng)效率及其所產(chǎn)生的熱能。從現(xiàn)有的熱量統(tǒng)計(jì)體系中，可以將熱量數(shù)值變化看成是熱動(dòng)力的一個(gè)數(shù)據(jù)參數(shù)指標(biāo)，隨著熱量的多變參數(shù)特點(diǎn)，可進(jìn)一步分析出不同數(shù)值輸入狀態(tài)下，反應(yīng)過程中反應(yīng)載體的函數(shù)線性關(guān)系，然后建構(gòu)出相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程，解析不同參數(shù)值下，函數(shù)溫度變化與內(nèi)部反應(yīng)載體之間所具備的參數(shù)差值，進(jìn)而為熱動(dòng)力學(xué)的理論熱譜曲線提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。

從反應(yīng)載體所呈現(xiàn)出的參數(shù)來看，水反應(yīng)條件支持下的動(dòng)力學(xué)特征具有明顯的能源支撐屬性。為保證能源供應(yīng)與相關(guān)設(shè)備載體可真正實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性供給，則需考慮到設(shè)備運(yùn)行過程中的能源消耗問題，界定出不同能源消耗條件下，能源消耗值與材料水反應(yīng)所產(chǎn)生的消耗值是否存在協(xié)調(diào)性，且應(yīng)注意實(shí)際反應(yīng)時(shí)間與能量生成的峰值，只有這樣，才可進(jìn)一步保證內(nèi)部載體反應(yīng)的實(shí)現(xiàn)可正確作用到持續(xù)性供應(yīng)體系中，不會(huì)產(chǎn)生能源供給斷層的問題。

對(duì)此，在對(duì)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行理論值設(shè)定時(shí)，需考慮到不同反應(yīng)條件下，相關(guān)介質(zhì)呈現(xiàn)出的功能特點(diǎn)，結(jié)合數(shù)值變化規(guī)律，令水反應(yīng)所產(chǎn)生的熱焓變值符合熱動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的參數(shù)值。但在此過程中，必須綜合考慮到承載能源消耗的載體設(shè)備所具有的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)，通過熱力學(xué)特征與結(jié)構(gòu)力學(xué)特征之間的相互補(bǔ)充，深度分析出不同操控狀態(tài)下，系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)所具備的參數(shù)特征，這樣便可進(jìn)一步縮減因不同工作狀態(tài)所造成的數(shù)值冗余問題，提高能源供給予能源利用的對(duì)接性，保證設(shè)備在運(yùn)行過程中，各類資源的持續(xù)性供給，滿足設(shè)備的實(shí)際使用訴求，進(jìn)而充分提高系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量。

4 結(jié)束語

鋁材料水反應(yīng)具有一定的成本優(yōu)勢(shì)，且在不同反應(yīng)條件下，鋁材質(zhì)反應(yīng)生成的氫氣含量要明顯高于其他金屬材質(zhì)，這為其在能源供給中提供了有效支撐。從動(dòng)力學(xué)角度來看，鋁材料在充分反應(yīng)下，其所產(chǎn)生的熱力驅(qū)動(dòng)數(shù)值，基本可滿足相關(guān)載體設(shè)備的能源供給，且鋁材料的反應(yīng)溫度過程，與載體設(shè)備的啟動(dòng)運(yùn)行過程相符合，可進(jìn)一步強(qiáng)化材料使用性能，為能源的可持續(xù)性利用提供基礎(chǔ)保障。