水解制氢用铝合金材料的制备及产氢性能的研究
发布时间：2022-01-17 03:04
氢能作为一种绿色无污染、可再生的二次能源,得到了国内外研究者的关注和认可。但是在氢能广泛应用过程中还存在一定的问题,例如:目前制备氢气的技术和方法存在制备的氢气纯度不够、成本较高、产氢效率较低以及制氢过程中产生新的环境污染等问题。另外,由于氢气的密度低、易燃易爆的特性,使得氢气在储存和运输过程中存在着一定的技术难题,因此研究和发展一种低成本、制氢效率高、产氢过程安全可靠以及能即时产氢的原位制氢技术对于大规模推广和应用氢能具有十分重要的意义。本文采用传统的熔铸方法制备了一系列不同成分的高活性水解制氢用铝合金,研究和分析了铝合金的成分、水解温度和细化剂（AlTi5B）对铝合金水解产氢性能的影响,并分析了铝合金水解反应机理。为了研究铝合金的活化机制,采用X-射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、差示扫描量热仪（DSC）、能谱分析仪（EDS）和X射线光电子能谱仪（XPS）等综合分析表征方法对铝合金的显微组织、物相组成、相变过程以及元素分布、元素价态做了详细的研究和分析。本论文的主要研究内容和结论如下:（1）利用熔铸方法制备了不同化学成分的Al-Ga-Sn、Al-...
【文章来源】：湖北工业大学湖北省
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
燃料电池的工作原理图
湖北工业大学硕士学位论文9备氢气的方法主要有煤制氢、石油制氢和天然气转化制氢。以煤为原料制备氢气的方式有两种，一种是煤的焦化另一种是煤的气化。煤的焦化制备氢气是在隔绝空气的条件下，温度为900~1000℃时制备焦炭，其中副产品为焦炉煤气。焦炉煤气中氢气的体积分数为55%~60%。煤的气化制备氢气是指煤在加压或者高温常压条件下将煤炭气化，煤与气化剂反应得到主要有H2和CO组成的混合气，然后经过一系列的工序去除硫，再加入水蒸气和CO在特定的条件下发生反应产生H2和CO2等，最后通过分离提纯得到H2[26]。气化主要反应如下：(1-11)(1-12)具体工艺流程如图1.2所示[26]。在煤制备氢气的过程中伴随着大量CO2的产生，并且生产装备投资较大，不利于制备氢气的可持续发展。图1.2煤制氢工艺流程石油制备氢气是以渣油或者重油为原料，在反应容器中通入一定量的氧气和水蒸气，使原料油中的部分烃类燃烧，放出大量的热量。剩下的烃与水蒸气发生吸热反应生成CO和H2，整个反应过程中不需要外界提供热就可以达到自热平衡。然后再通过高温低温变换、脱碳及甲烷化得到氢气，具体的流程图如图1.3[15]。图1.3石油制氢工艺流程图天然气中的主要成分为甲烷，甲烷中氢含量较高，所以从天然气中生产氢气的效率在80%左右。天然气制备氢气的方法主要有天然气部分氧化重整制氢、天然气水蒸气重整制氢、天然气部分氧化与水蒸气重整联合制氢、天然气裂解制氢。天然气水蒸气重整制氢是世界上天然气制备氢气最常用的方法，其在工艺规模、技术可行性以及成熟性等方面处于很高的水平。在该工艺中所发生的基本反应如下：转化反应（ΔH25℃=+206kJ/mol）(1-13)变换反应（ΔH25℃=-41kJ/mol）(1-14)
湖北工业大学硕士学位论文2360℃，然后将装有300ml自来水的500ml圆底烧瓶放进水浴锅中进行加热，测试不同水温对产氢性能的影响。（3）温度达到了设定的温度，取1g铝合金放进圆底烧瓶中与水反应，测试铝合金的产氢量。（4）记录并处理氢气的体积和对应时间的数据，计算铝合金的产氢量、转化率，并绘制成产氢曲线。根据铝与水的水解反应方程式计算可知，在标准状况下1g铝与水完全反应可以产生1244ml氢气，考虑氢气近似为理想气体，根据理想气体状态方程：（2-1）公式中p代表气体压强（均视为一个大气压），V代表产生氢气的体积，n代表氢气的物质的量，R代表理想气体常数，T代表绝对温度。当气体的压强（p）和物质的量（n）一定时，气体的体积（V）与热力学温度（T）成正比。经过计算得出室温下1g铝完全反应产生氢气的体积（V1）为1358ml。假设铝合金中铝的质量分数为W，铝基复合材料的实际产氢量为V2，则铝合金的产氢转化率μ可表示为：（2-2）铝合金材料的产氢转化率表示铝基复合材料的反应程度。图2.1铝合金材料水解产氢及氢气收集装置示意图：1-铁架台，2-量筒，3-水槽，4-橡胶管，5-干燥管，6-干燥剂，7-圆底烧瓶，8-铝合金材料，9-恒温水浴锅
【参考文献】：
期刊论文
[1]英国发明将石油转化为氢气而不产生二氧化碳的方法[J]. 许建耘. 石油炼制与化工. 2019(04)
[2]Reactivity of Al-rich Alloys with Water Promoted by Liquid Al Grain Boundary Phases[J]. Tiantian He,Wei Wang,Wei Chen,Demin Chen,Ke Yang. Journal of Materials Science & Technology. 2017(04)
[3]氢气储存方法的现状及发展[J]. 隋然,白松,龚剑. 舰船防化. 2009(03)
[4]氢气储存方法的现状及发展[J]. 隋然,白松,龚剑. 舰船防化. 2009 (03)
[5]铝锡合金制氢技术研究[J]. 范美强,刘颖雅,杨黎妮,曹朝霞,孙立贤,徐芬. 高等学校化学学报. 2008(02)
[6]铝水反应制氢技术[J]. 范美强,孙立贤,徐芬,高秀英. 电源技术. 2007(07)
[7]煤制氢发展现状[J]. 谢继东,李文华,陈亚飞. 洁净煤技术. 2007(02)
[8]储氢研究进展[J]. 许炜,陶占良,陈军. 化学进展. 2006(Z1)
[9]燃料电池汽车氢源选择的研究进展和预测[J]. 汪丛伟,周帅林,洪学伦,王树东. 化学通报. 2005(01)
[10]含镓、锡的铝合金在碱性溶液中的活化机理[J]. 李振亚,易玲,刘稚蕙,杨林,苏景新,陈艳英. 电化学. 2001(03)
博士论文
[1]铝基材料快速水解制氢的研究[D]. 陈星宇.中南大学 2010
[2]高能固体燃料和铝/水基燃料的燃烧特性及机理研究[D]. 林振坤.中国科学技术大学 2009
硕士论文
[1]基于铝/水制氢-燃料电池发电的生命周期评价及基础实验研究[D]. 谢欣烁.浙江大学 2019
[2]SBA-15分子筛的改性及其在乙醇水蒸气重整制氢反应中的应用[D]. 韩筝.太原理工大学 2018
[3]高容量铝基复合材料（Al-Li3AlH6/Al-NaMgH3）制备及其制氢性能研究[D]. 张祥飞.桂林电子科技大学 2016
[4]铝基水解过程超声波活化制氢研究[D]. 周卫飞.沈阳航空航天大学 2015
[5]产氢用Al-Ga-In-Sn四元合金的制备[D]. 李洋.吉林大学 2015
[6]铝基微/纳米复合水解制氢材料的制备及其性能的研究[D]. 罗辉.上海师范大学 2012
[7]铝水制氢反应机制与实验研究[D]. 方银娥.沈阳航空航天大学 2011
本文编号：3593921
【文章来源】：湖北工业大学湖北省
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
燃料电池的工作原理图
湖北工业大学硕士学位论文9备氢气的方法主要有煤制氢、石油制氢和天然气转化制氢。以煤为原料制备氢气的方式有两种，一种是煤的焦化另一种是煤的气化。煤的焦化制备氢气是在隔绝空气的条件下，温度为900~1000℃时制备焦炭，其中副产品为焦炉煤气。焦炉煤气中氢气的体积分数为55%~60%。煤的气化制备氢气是指煤在加压或者高温常压条件下将煤炭气化，煤与气化剂反应得到主要有H2和CO组成的混合气，然后经过一系列的工序去除硫，再加入水蒸气和CO在特定的条件下发生反应产生H2和CO2等，最后通过分离提纯得到H2[26]。气化主要反应如下：(1-11)(1-12)具体工艺流程如图1.2所示[26]。在煤制备氢气的过程中伴随着大量CO2的产生，并且生产装备投资较大，不利于制备氢气的可持续发展。图1.2煤制氢工艺流程石油制备氢气是以渣油或者重油为原料，在反应容器中通入一定量的氧气和水蒸气，使原料油中的部分烃类燃烧，放出大量的热量。剩下的烃与水蒸气发生吸热反应生成CO和H2，整个反应过程中不需要外界提供热就可以达到自热平衡。然后再通过高温低温变换、脱碳及甲烷化得到氢气，具体的流程图如图1.3[15]。图1.3石油制氢工艺流程图天然气中的主要成分为甲烷，甲烷中氢含量较高，所以从天然气中生产氢气的效率在80%左右。天然气制备氢气的方法主要有天然气部分氧化重整制氢、天然气水蒸气重整制氢、天然气部分氧化与水蒸气重整联合制氢、天然气裂解制氢。天然气水蒸气重整制氢是世界上天然气制备氢气最常用的方法，其在工艺规模、技术可行性以及成熟性等方面处于很高的水平。在该工艺中所发生的基本反应如下：转化反应（ΔH25℃=+206kJ/mol）(1-13)变换反应（ΔH25℃=-41kJ/mol）(1-14)
湖北工业大学硕士学位论文2360℃，然后将装有300ml自来水的500ml圆底烧瓶放进水浴锅中进行加热，测试不同水温对产氢性能的影响。（3）温度达到了设定的温度，取1g铝合金放进圆底烧瓶中与水反应，测试铝合金的产氢量。（4）记录并处理氢气的体积和对应时间的数据，计算铝合金的产氢量、转化率，并绘制成产氢曲线。根据铝与水的水解反应方程式计算可知，在标准状况下1g铝与水完全反应可以产生1244ml氢气，考虑氢气近似为理想气体，根据理想气体状态方程：（2-1）公式中p代表气体压强（均视为一个大气压），V代表产生氢气的体积，n代表氢气的物质的量，R代表理想气体常数，T代表绝对温度。当气体的压强（p）和物质的量（n）一定时，气体的体积（V）与热力学温度（T）成正比。经过计算得出室温下1g铝完全反应产生氢气的体积（V1）为1358ml。假设铝合金中铝的质量分数为W，铝基复合材料的实际产氢量为V2，则铝合金的产氢转化率μ可表示为：（2-2）铝合金材料的产氢转化率表示铝基复合材料的反应程度。图2.1铝合金材料水解产氢及氢气收集装置示意图：1-铁架台，2-量筒，3-水槽，4-橡胶管，5-干燥管，6-干燥剂，7-圆底烧瓶，8-铝合金材料，9-恒温水浴锅
【参考文献】：
期刊论文
[1]英国发明将石油转化为氢气而不产生二氧化碳的方法[J]. 许建耘. 石油炼制与化工. 2019(04)
[2]Reactivity of Al-rich Alloys with Water Promoted by Liquid Al Grain Boundary Phases[J]. Tiantian He,Wei Wang,Wei Chen,Demin Chen,Ke Yang. Journal of Materials Science & Technology. 2017(04)
[3]氢气储存方法的现状及发展[J]. 隋然,白松,龚剑. 舰船防化. 2009(03)
[4]氢气储存方法的现状及发展[J]. 隋然,白松,龚剑. 舰船防化. 2009 (03)
[5]铝锡合金制氢技术研究[J]. 范美强,刘颖雅,杨黎妮,曹朝霞,孙立贤,徐芬. 高等学校化学学报. 2008(02)
[6]铝水反应制氢技术[J]. 范美强,孙立贤,徐芬,高秀英. 电源技术. 2007(07)
[7]煤制氢发展现状[J]. 谢继东,李文华,陈亚飞. 洁净煤技术. 2007(02)
[8]储氢研究进展[J]. 许炜,陶占良,陈军. 化学进展. 2006(Z1)
[9]燃料电池汽车氢源选择的研究进展和预测[J]. 汪丛伟,周帅林,洪学伦,王树东. 化学通报. 2005(01)
[10]含镓、锡的铝合金在碱性溶液中的活化机理[J]. 李振亚,易玲,刘稚蕙,杨林,苏景新,陈艳英. 电化学. 2001(03)
博士论文
[1]铝基材料快速水解制氢的研究[D]. 陈星宇.中南大学 2010
[2]高能固体燃料和铝/水基燃料的燃烧特性及机理研究[D]. 林振坤.中国科学技术大学 2009
硕士论文
[1]基于铝/水制氢-燃料电池发电的生命周期评价及基础实验研究[D]. 谢欣烁.浙江大学 2019
[2]SBA-15分子筛的改性及其在乙醇水蒸气重整制氢反应中的应用[D]. 韩筝.太原理工大学 2018
[3]高容量铝基复合材料（Al-Li3AlH6/Al-NaMgH3）制备及其制氢性能研究[D]. 张祥飞.桂林电子科技大学 2016
[4]铝基水解过程超声波活化制氢研究[D]. 周卫飞.沈阳航空航天大学 2015
[5]产氢用Al-Ga-In-Sn四元合金的制备[D]. 李洋.吉林大学 2015
[6]铝基微/纳米复合水解制氢材料的制备及其性能的研究[D]. 罗辉.上海师范大学 2012
[7]铝水制氢反应机制与实验研究[D]. 方银娥.沈阳航空航天大学 2011
本文编号：3593921
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