Uso de aluminio y agua para producir hidrógeno limpio, cuando y donde se necesita | Noticias del MIT

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A medida que el mundo se esfuerza por alejarse de los combustibles fósiles, muchos investigadores están estudiando si el hidrógeno limpio puede desempeñar un papel más importante en sectores que van desde el transporte y la industria hasta los edificios y la generación de energía. Podría utilizarse en vehículos de pila de combustible, calderas generadoras de calor, turbinas de gas generadoras de electricidad, sistemas de almacenamiento de energía renovable, etc.

Pero si el uso de hidrógeno no genera emisiones de carbono, generalmente lo es. Casi todo el hidrógeno en la actualidad se produce mediante procesos basados ​​en combustibles fósiles que, en conjunto, generan más del 2% de todas las emisiones globales de gases de efecto invernadero. Además, el hidrógeno a menudo se produce en un lugar y se consume en otro, lo que significa que también existen desafíos logísticos en su uso.

Una reacción prometedora

Otra opción para producir hidrógeno proviene de una fuente quizás sorprendente: la reacción del aluminio con agua. El aluminio metálico reacciona fácilmente con el agua a temperatura ambiente para formar hidróxido de aluminio e hidrógeno. Esta reacción generalmente no ocurre porque una capa de óxido de aluminio cubre naturalmente el metal crudo, evitando que entre en contacto directo con el agua.

El uso de la reacción aluminio-agua para generar hidrógeno produce cero emisiones de gases de efecto invernadero y promete resolver el problema del transporte en cualquier lugar con algo de gas y agua disponible. Simplemente mueva el aluminio y reaccione con agua en el acto. "Básicamente, el aluminio se convierte en un mecanismo para almacenar hidrógeno, y en un mecanismo muy eficiente", dice Douglas P. Hart, profesor de ingeniería mecánica en el MIT. “Al usar aluminio como fuente, podemos 'almacenar' hidrógeno a una densidad 10 veces mayor que si simplemente lo almacenáramos como gas comprimido. "

Dos problemas han impedido que el aluminio se utilice como una fuente segura y económica para la producción de hidrógeno. El primer problema es asegurarse de que la superficie de aluminio esté limpia y disponible para reaccionar con el agua. Con este fin, un sistema práctico debe incluir una forma de modificar primero la capa de óxido y luego evitar que se vuelva a formar a medida que avanza la reacción.

El segundo problema es que el aluminio puro consume mucha energía para extraer y producir, por lo que cualquier enfoque práctico debe utilizar chatarra de aluminio de diversas fuentes. Pero la chatarra de aluminio no es un material de partida fácil. Suele presentarse en forma de aleación, lo que significa que contiene otros elementos que se añaden para cambiar las propiedades o características del aluminio para diferentes usos. Por ejemplo, agregar magnesio aumenta la fuerza y ​​la resistencia a la corrosión, agregar silicio reduce el punto de fusión y agregar un poco de ambos crea una aleación moderadamente fuerte y resistente a la corrosión.

A pesar de la considerable investigación sobre el aluminio como fuente de hidrógeno, quedan dos preguntas clave: cuál es la mejor manera de evitar que una capa de óxido se pegue entre sí en la superficie del aluminio, y cómo se deshacen los elementos de aleación en una pieza de chatarra de aluminio. afectar la cantidad total de hidrógeno generado y la velocidad a la que se genera?

"Si vamos a utilizar chatarra de aluminio para la generación de hidrógeno en una aplicación práctica, necesitamos poder predecir mejor qué características de la generación de hidrógeno vamos a observar a partir de la reacción aluminio-agua", dice Laureen Meroueh PhD & # 39. ; 20, quien obtuvo su doctorado en ingeniería mecánica.

Dado que las etapas fundamentales de la reacción no se comprenden bien, es difícil predecir la velocidad y el volumen al que se forma el hidrógeno a partir de la chatarra de aluminio, que puede contener diferentes tipos y concentraciones de elementos de aleación. Hart, Meroueh y Thomas W. Eagar, profesor de ingeniería de materiales y gestión de ingeniería en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT, decidieron revisar, sistemáticamente, los impactos de estos elementos de aleación en la reacción aluminio-agua. y en una técnica prometedora para prevenir la formación de la capa de óxido interferente.

Para prepararse, pidieron a expertos de Novelis Inc. que hicieran muestras de aluminio puro y aleaciones de aluminio específicas basadas en aluminio comercialmente puro combinado con 0,6 por ciento de silicio (en peso), 1 por ciento de magnesio o ambos, composiciones típicas de chatarra de aluminio. de una variedad de fuentes. Con estas muestras, los investigadores del MIT realizaron una serie de pruebas para explorar diferentes aspectos de la reacción aluminio-agua.

Pretratamiento de aluminio

El primer paso fue demostrar una forma eficaz de penetrar la capa de óxido que se forma en el aluminio en el aire. El aluminio sólido se compone de pequeños granos que están empaquetados con límites ocasionales en los que no se alinean perfectamente. Para maximizar la producción de hidrógeno, los investigadores deben prevenir la formación de la capa de óxido en todas estas superficies de grano interiores.

Los grupos de investigación ya han probado diferentes formas de mantener los granos de aluminio "activados" para que reaccionen con el agua. Algunos han triturado muestras de chatarra en partículas tan pequeñas que la capa de óxido no se pega. Pero los polvos de aluminio son peligrosos porque pueden reaccionar con la humedad y explotar. Otro enfoque es triturar muestras de desechos y agregar metales líquidos para evitar la deposición de óxido. Pero la molienda es un proceso costoso y que consume mucha energía.

Para Hart, Meroueh y Eagar, el enfoque más prometedor, presentado por primera vez por Jonathan Slocum ScD & # 39; 18 mientras trabajaba en el grupo de investigación de Hart, fue preprocesar el aluminio sólido pintando metales líquidos en la parte superior y permitiéndoles penetrar. a través de los límites de grano.

Para determinar la efectividad de este enfoque, los investigadores necesitaban confirmar que los metales líquidos alcanzarían las superficies internas de los granos, con y sin elementos de aleación presentes. Y tenían que establecer cuánto tiempo tardaría el metal fundido en recubrir todos los granos de aluminio puro y sus aleaciones.

Comenzaron combinando dos metales, galio e indio, en proporciones específicas para crear una mezcla "eutéctica"; es decir, una mezcla que permanecería en forma líquida a temperatura ambiente. Cubrieron sus muestras con eutéctico y lo dejaron penetrar durante períodos que van de 48 a 96 horas. Luego expusieron las muestras al agua y monitorearon el rendimiento de hidrógeno (la cantidad formada) y la velocidad de flujo durante 250 minutos. Después de 48 horas, también tomaron imágenes de microscopio electrónico de barrido (SEM) con gran aumento para poder observar los límites entre los granos de aluminio adyacentes.

Con base en las mediciones de rendimiento de hidrógeno y las imágenes SEM, el equipo del MIT concluyó que el eutéctico de galio-indio penetra naturalmente y alcanza las superficies interiores de los granos. Sin embargo, la velocidad y el grado de penetración variarán con la aleación. La velocidad de permeación fue la misma en las muestras de aluminio dopado con silicio que en las muestras de aluminio puro, pero más lenta en las muestras dopadas con magnesio.

Quizás los resultados más interesantes fueron los resultados de muestras dopadas con silicio y magnesio, una aleación de aluminio que se encuentra a menudo en las corrientes de reciclaje. El silicio y el magnesio se unen químicamente para formar siliciuro de magnesio, que se forma como depósitos sólidos en las superficies internas de los granos. Meroueh planteó la hipótesis de que cuando el silicio y el magnesio están presentes en los desechos de aluminio, estos depósitos pueden actuar como barreras que impiden el flujo del eutéctico de galio-indio.

Los experimentos y las imágenes confirmaron su hipótesis: los depósitos sólidos actuaron bien como barreras, y las imágenes de muestras pretratadas durante 48 horas mostraron que la permeación no era completa. Obviamente, un período de pretratamiento prolongado sería crítico para maximizar el rendimiento de hidrógeno del aluminio de desecho que contiene silicio y magnesio.

Meroueh cita varias ventajas del proceso que utilizaron. "No es necesario aplicar ninguna energía para que el eutéctico de galio-indio haga su magia en el aluminio y se deshaga de esa capa de óxido", dice. "Una vez que haya activado su aluminio, puede dejarlo caer en el agua y generará hidrógeno, no se requiere entrada de energía". Lo mejor de todo es que el eutéctico no reacciona químicamente con el aluminio. “Simplemente se mueve físicamente entre los granos”, dice. "Al final del proceso, pude tomar todo el galio y el indio que puse y reutilizarlos", una característica valiosa porque el galio y (principalmente) el indio son caros y relativamente raros.

Impactos de los elementos de aleación en la generación de hidrógeno

Luego, los investigadores estudiaron cómo la presencia de elementos de aleación afecta la producción de hidrógeno. Analizaron muestras que habían sido tratadas eutécticamente durante 96 horas; en ese momento, el rendimiento de hidrógeno y los caudales se habían estabilizado en todas las muestras.

La presencia de 0,6 por ciento de silicio aumentó el rendimiento de hidrógeno para un peso dado de aluminio en un 20 por ciento en comparación con el aluminio puro, aunque la muestra que contenía silicio contenía menos aluminio que la muestra de aluminio puro. Por el contrario, la presencia de magnesio al 1% produjo mucho menos hidrógeno, mientras que la adición de silicio y magnesio aumentó el rendimiento, pero no al nivel de aluminio puro.

La presencia de silicio también aceleró drásticamente la velocidad de reacción, produciendo un rendimiento máximo mucho mayor pero reduciendo el tiempo que lleva producir hidrógeno. La presencia de magnesio produjo una tasa de flujo más baja pero permitió que la producción de hidrógeno permaneciera bastante estable a lo largo del tiempo. Y nuevamente, el aluminio con los dos elementos de aleación produjo un flujo entre el del aluminio dopado con magnesio y el del aluminio puro.

Estos resultados proporcionan consejos prácticos sobre cómo ajustar la producción de hidrógeno para satisfacer las necesidades operativas de un dispositivo que consume hidrógeno. Si el material de partida es aluminio comercialmente puro, la adición de pequeñas cantidades de elementos de aleación cuidadosamente seleccionados puede adaptar el rendimiento y el flujo de hidrógeno. Si el material de partida es aluminio de desecho, la clave puede ser una elección cuidadosa de la fuente. Para breves y fuertes oleadas de hidrógeno, las piezas de aluminio que contienen silicio de un depósito de chatarra de automóviles podrían funcionar bien. Para caudales más bajos pero más prolongados, puede ser preferible el desperdicio que contenga magnesio de la estructura de un edificio demolido. Para obtener resultados intermedios, el aluminio que contiene silicio y magnesio debería funcionar bien; este material está disponible en abundancia en automóviles y motocicletas desguazados, yates, cuadros de bicicletas e incluso fundas para teléfonos inteligentes.

También debería ser posible combinar restos de diferentes aleaciones de aluminio para ajustar el resultado, señala Meroueh. "Si tengo una muestra de aluminio activado que contiene solo silicio y otra muestra que solo contiene magnesio, puedo poner ambos en un recipiente con agua y dejarlos reaccionar", dijo. “Así que obtengo el rápido aumento de la producción de hidrógeno a partir del silicio y luego el magnesio se hace cargo y tiene esta producción constante. "

Otra oportunidad de ajuste: reducir el tamaño de grano

Otra forma práctica de afectar la producción de hidrógeno podría ser reducir el tamaño de los granos de aluminio, un cambio que debería aumentar el área total disponible para que ocurran las reacciones.

Para estudiar este enfoque, los investigadores solicitaron muestras especialmente personalizadas a su proveedor. Utilizando procedimientos estándar de la industria, los expertos de Novelis primero pasaron cada muestra a través de dos rodillos, presionándola desde arriba y desde abajo para que los granos internos se aplanaran. Luego calentaron cada muestra hasta que los granos largos y planos se reorganizaron y se encogieron a un tamaño específico.

En una serie de experimentos cuidadosamente diseñados, el equipo del MIT descubrió que la reducción del tamaño de grano aumentaba la eficiencia y disminuía el tiempo de reacción en diversos grados en diferentes muestras. Una vez más, la presencia de elementos de aleación particulares tuvo un efecto importante en el resultado.

Requerido: una teoría revisada que explique las observaciones

A lo largo de sus experimentos, los investigadores encontraron resultados inesperados. Por ejemplo, la teoría de la corrosión estándar predice que el aluminio puro generará más hidrógeno que el aluminio dopado con silicio, lo contrario de lo que observaron en sus experimentos.

Para arrojar luz sobre las reacciones químicas subyacentes, Hart, Meroueh y Eagar estudiaron el "flujo" de hidrógeno, es decir, el volumen de hidrógeno generado con el tiempo en cada pulgada cuadrada de superficie de aluminio, incluidos los granos interiores. Observaron tres tamaños de grano para cada una de sus cuatro composiciones y recopilaron miles de puntos de datos que miden el flujo de hidrógeno.

Sus resultados muestran que la reducción del tamaño de grano tiene efectos significativos. Aumenta el pico de flujo de hidrógeno del aluminio dopado con silicio hasta 100 veces y las otras tres composiciones hasta 10 veces. Con aluminio puro y silicio que contiene aluminio, la reducción del tamaño de grano también disminuye el tiempo hasta el pico de flujo y aumenta la tasa de disminución a partir de entonces. Con aluminio que contiene magnesio, la reducción en el tamaño de grano da como resultado un aumento en el flujo máximo de hidrógeno y da como resultado una caída ligeramente más rápida en la tasa de producción de hidrógeno. Con silicio y magnesio presentes, el flujo de hidrógeno a lo largo del tiempo se asemeja al del aluminio que contiene magnesio cuando no se manipula el tamaño de grano. Cuando se reduce el tamaño de grano, las características de salida del hidrógeno comienzan a parecerse al comportamiento observado en el aluminio que contiene silicio. Este resultado fue inesperado porque cuando el silicio y el magnesio están presentes, reaccionan para formar siliciuro de magnesio, dando como resultado un nuevo tipo de aleación de aluminio con sus propias propiedades.

Los investigadores enfatizan los beneficios de desarrollar una mejor comprensión fundamental de las reacciones químicas subyacentes involucradas. Además de guiar el diseño de sistemas prácticos, esto podría ayudarlos a encontrar un reemplazo para el costoso indio en su mezcla de pretratamiento. Otro trabajo ha demostrado que el galio penetra naturalmente a través de los límites de los granos en el aluminio. “En este punto, sabemos que el indio en nuestro eutéctico es importante, pero no entendemos realmente lo que hace, por lo que no sabemos cómo reemplazarlo”, dice Hart.

Pero ya Hart, Meroueh y Eagar han demostrado dos formas prácticas de regular la velocidad de reacción del hidrógeno: agregando ciertos elementos al aluminio y manipulando el tamaño de los granos de aluminio interiores. Combinados, estos enfoques pueden producir resultados significativos. "Si se cambia de aluminio que contiene magnesio con el tamaño de grano más grande a aluminio que contiene silicio con el tamaño de grano más pequeño, se obtiene una velocidad de reacción del hidrógeno, que difiere en dos órdenes de magnitud", explica Meroueh. "Es enorme si está tratando de diseñar un sistema real que utilice esta retroalimentación".

Esta investigación fue apoyada en el marco de la MIT Energy Initiative por las becas ExxonMobil-MIT Energy otorgadas a Laureen Meroueh PhD ’20 de 2018 a 2020.

Este artículo aparece en el La primavera 2021 problema de Futuro energético, la revista de la Iniciativa Energética del MIT.

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