基于水反應實驗的動力學設計

殷海霞，李佳佳，陳艷雪，鐘延霞，李貴敏

（石家莊醫學高等專科學校 基礎醫學部，河北石家莊 050000）

社會高速發展下，對各類能源的需求量逐漸加大，盡管在環保節能戰略的推進下，我國由能源消耗為主的經濟發展結構逐漸轉變為能源節約的經濟發展結構，但在行業領域的高能耗內需下，部分資源類型仍面臨著短缺問題。在多資源的內耗下，相關資源部門制定以二次利用、反應利用為主體的能源扶持體系，通過相關化學手段令可再生產品經由反應產生能源，以替代原有的不可再生資源，真正實現能源的高效率利用。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，在相關條件下與其他物質進行多元化學反應，可制備出維系工業生產的能源。例如，鎂材料、鋁材料、納米材料等與水進行反應，可產生較高的熱能，進而為設備提供持續性能源供應。本文對鋁-水反應實驗下的動力學設計進行探討。

1 水反應實驗的研究現狀

鋁材料具有優異的熱力學性能、密度等，其在電子行業、生產行業等占據重要位置，以鋁材料為基礎進行水反應實驗，具有較低的成本優勢，且實驗數據中的產能比值也高于其他金屬。

1.1 鋁-水反應制氫

化學原理為2Al+6H2O →2Al（OH）3+3H2。從實驗數據來看，此類反應得出的氫氣理論占比約為4.1%，高于同等金屬的制氫量。但從實際反應形式來看，鋁表面存在的鈍化面，將降低鋁材料表面的活性。經過不斷反應改進，得出以小顆粒替代原有大體積的反應形式，可進一步提高制氫量。此外，國外學者利用容器對鋁材料與水體進行機械融合反應，以機械轉速的提升規避反應誘導時限過長的問題，得出在室溫30℃時，鋁離子與水之間的反應效果最為強烈。

1.2 高溫鋁-水反應

化學原理2Al+3H2O →Al2O3+3H2。在高溫反應條件下，為盡量避免鋁材料表面在反應過程中因鈍化現象所造成反應中斷問題，主要是以顆粒狀態的鋁材料為主，然后在反應載體中添加具有水溶性的材料，降低高溫狀態下的水蒸發效率。我國研究人員在進水解氫反應時，在其中添加鋰鎳材料的反應劑，以提高實際產氫效率。經過實驗證明，鋰鎳材料的反應劑比原有的鋁顆粒反應量所產生的氫氣產能高15%，且產氫效率較高。國外研究人員則是在鋁材料中添加其他金屬介質，以防止鋁材料在與水反應時產生氧化膜，這樣可進一步簡化鋁顆粒的制作工序。在鋅材料、錫材料、鎵材料等的融合運用下，氫氣產量得到提升，產生此種現象的主要原因是由于鋁合金提高了水解反應效率，且在一定程度上，抑制了鋁材料的氧化速率，提高實際反應活性。

1.3 鋁—水反應（堿性）

化學反應原理為：

鋁材料與堿性水體進行反應時，受到水體內OH-的干預，可進一步提高反應制氫效率，令鋁材料實現高速率反應，且水體中的堿性含量對鋁材料表面的鈍化反應具有一定的約束效果。此外，從實際反應數據來看，純鋁材料的反應速率隨著溫度的升高，氫氣制備效率隨之提高。國外學者，對不同鋁合金材料在堿性水體進行實驗對比，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 納米鋁粉與水反應的特性解析

2.1 溫度條件下的熱動力特性

納米鋁粉與水反應，可通過接觸面的增加，提高實際反應效率，且鋁粉反應時間小于鋁材料表面的鈍化時間，即在未等鋁粉發生鈍化反應時，便可完成氫氣制備反應，以提高實際反應效果。從動力學角度來看，水反應熱動力性能，是隨著溫度的提升，令整個反應過程呈現出一定的應激特點，且在完全反應之前，反應效率呈現出線性特征，其可最大限度的強化反應效率。在固有的溫度曲線內，高溫狀態與低溫狀態呈現出的熱反應特征明顯，一旦反應介質與反應溫度之間呈現出突變性特點時，則可進一步為相關反應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際制備量數。但從反應態勢來看，納米鋁粉與水反應的過程中，將呈現出一個反應峰值，這樣依據溫度可控節點可將整個反應過程分為三個階段。首先，低溫階段，此時反應環境的溫度對鋁粉與水體之間的反應促進效率較低，此時內部反應溫度值的線性提升大多來自設備的功率加熱，此階段可以界定為平緩反應區。其次，升溫階段，此時反應環境溫度處于逐步提升的狀態，且溫度條件可令鋁粉與水體產生激烈的反應，溫度值與反應效率具有一定線性關系。最后，頂峰階段，此時鋁粉與水體的反應程度最為激烈，但在過了頂峰階段以后，則氫氣產量與溫度值將隨之下降。

如圖1所示。從內驅特性來看，在400s 之前的反應時間段內，鋁粉與水反應所產生的熱量可滿足燃料熱驅動，例如能源推進系統等，且此過程溫度呈持續走高的態勢，與燃料的啟動溫度具有一致性，這樣在一定程度上，便可降低能源的輸入，避免發動機在啟動過程中的延時響應問題。在200～370s 內，此階段可以看成是高速反應階段，通過不同反應參數可以看出，在材料快速集能過程中，能源的消耗與輸出呈現出一定協調性，這對于高效率推進系統則可為其提供相應的熱動力驅動源。在475s 時間節點下，50～85℃的溫度差可以看成是反應放熱點，此過程中反應溫度與材料本體的反應屬性處于一個自然消損狀態，且此類放熱階段在整個放熱過程中可以作為與放熱系數相對等的評價指標。

圖1 納米鋁粉與水的反應曲線圖

2.2 粒徑條件下的熱動力特性

在不同實驗證明下，納米鋁粉與水反應所生成的氫氣含量較高，因此對鋁粉粒徑與反應特征之間的關聯性進行分析。本次實驗采用的是30μm、14μm、3μm、40μm 的鋁粒子為實驗載體，鋁粉與水體的比例為1 ∶2。在實驗過程中，將反應溫度控制分為三個控制階段，得出在30～250℃之間，30μm、14μm、3μm 的鋁粒子反應不明顯，但40μm 的鋁粉粒子反應特征要明顯高于前三者。經過溫度條件下的熱動力特性說明，同質量的鋁粉，在反應過程中，表面積決定著實際反應效率，但應注意鋁粒子的粒徑極限值問題。從動力學可以看出，納米級別的鋁粒子在與水進行交互反應時，受到分子間擴散特性的影響，可以界定出分子燃燒反應的相關條件。

3 基于水反應實驗的動力學設計研究

從水反應角度來看，化學反應支撐下的熱動力學可以看成是一個能量轉移的過程，其涉及熱力學、動力學等，然后結合化學反應所產生的熱量，實現能源的持續性供給，然后通過電子設備的測量，可制作出相應的熱譜曲線，為熱動力學參數的設定提供數據支撐。在水反應中，其所呈現出的反應特性與數量、時間、溫度等呈現出一定的線性關系，且此類能量轉換在動力學與熱力學之間具有一個聯動效應，進而為相關載體提供可能源推進功能。但從我國現有的技術發展體系來看，受到量熱技術的限制，我國與發達國家成熟的技術體系仍存在一定差距。本文在對水反應實驗支持下的動力學設計分析時，是以納米鋁粉為基礎，通過各類參數的界定，分析出不同反應模式下，相關能源的轉換值。在不同反應條件下，同一個溫度反應環境中，熱焓變值與材料的反應速率呈現出對等性。為此，在對熱動力學進行研究時，便可通過同等反應條件下熱焓變化值分析出等溫、等壓狀態下，各項反應參數之間存在的差異問題，進一步確定出不同狀態下，納米鋁粉的量化反應效率及其所產生的熱能。從現有的熱量統計體系中，可以將熱量數值變化看成是熱動力的一個數據參數指標，隨著熱量的多變參數特點，可進一步分析出不同數值輸入狀態下，反應過程中反應載體的函數線性關系，然后建構出相應的動力學方程，解析不同參數值下，函數溫度變化與內部反應載體之間所具備的參數差值，進而為熱動力學的理論熱譜曲線提供精準的數據。

從反應載體所呈現出的參數來看，水反應條件支持下的動力學特征具有明顯的能源支撐屬性。為保證能源供應與相關設備載體可真正實現可持續性供給，則需考慮到設備運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所產生的消耗值是否存在協調性，且應注意實際反應時間與能量生成的峰值，只有這樣，才可進一步保證內部載體反應的實現可正確作用到持續性供應體系中，不會產生能源供給斷層的問題。

對此，在對動力學進行理論值設定時，需考慮到不同反應條件下，相關介質呈現出的功能特點，結合數值變化規律，令水反應所產生的熱焓變值符合熱動力驅動的參數值。但在此過程中，必須綜合考慮到承載能源消耗的載體設備所具有的結構動力學，通過熱力學特征與結構力學特征之間的相互補充，深度分析出不同操控狀態下，系統功能實現所具備的參數特征，這樣便可進一步縮減因不同工作狀態所造成的數值冗余問題，提高能源供給予能源利用的對接性，保證設備在運行過程中，各類資源的持續性供給，滿足設備的實際使用訴求，進而充分提高系統運行質量。

4 結束語

鋁材料水反應具有一定的成本優勢，且在不同反應條件下，鋁材質反應生成的氫氣含量要明顯高于其他金屬材質，這為其在能源供給中提供了有效支撐。從動力學角度來看，鋁材料在充分反應下，其所產生的熱力驅動數值，基本可滿足相關載體設備的能源供給，且鋁材料的反應溫度過程，與載體設備的啟動運行過程相符合，可進一步強化材料使用性能，為能源的可持續性利用提供基礎保障。