话说铝燃料电池(1)：铝是一种节能环保绿色金属

：2020-07-24 ：

铝是一种银白色金属，现在用的英文名"Aluminium"是从古罗马语"Alumen（明矾）"衍生来的，在北美洲用"aluminum"，在世界其他国家及地区则多用"Aluminium"。1807年英国化学家波特（J.H.Pott）用明矾制得氧化铝。1807年英国化学家戴维（H.Davy）试图电解熔融氧化铝制取金属，1808年他将这个预想的金属命名为"Aluminum"，后改为"Aluminium"。1825年丹麦科学家奥斯忒（H.C.Qersted）用钾汞齐还原无水氯化铝，制得几毫克铝。1827年德国化学家沃勒（F.Wohler）用钾还原氧化铝，制得了少量较纯的铝，并描述了它的一些性质，不过在此之前，这个金属一直是实验室中的一种名贵"古董"。到1854年法国科学家德维尔（Henri Saint，Claite Deville）改进了以前的制备方法，用钠作为还原剂成功地生产了较多的以kg计的更纯的铝，价格比黄金的还贵一些，并建厂为皇室贵族生产一些头盔、餐具及玩具。1886年美国奥伯宁学院化学系大学生霍尔（C.M.Hall）与法国埃科尔矿业学院（Ecole des Mines）大学生埃罗（Paul L.Heroult）在大洋彼岸独立地发明了冰晶石-氧化铝熔盐电解炼铝法，并分别在各自国家取得了专利。1888年霍尔组建了匹兹堡冶金公司（Pittsburgh Reduction Company），即当今的美国铝业公司（Alcoa）的前身，埃罗也在瑞士成立了产铝工厂。铝的生产从此进入了工业化，年年增加，一路攀升，1956年全世界原铝产量超过铜，成为仅次于钢的第二大金属，2016年全世界原铝产量59166kt，其中中国的产量32650kt，占世界总产量的55.18%，中国已成为世界原铝生产的全面领军者。

在此顺便说明一下，在提到铝时，不要在铝的前面加"金属"二字，因为汉字"铝"有"金"字偏旁，就说明它是一种金属，而由英文的"Aluminium"并不能看出它是什么状态与什么属性的物质，因此他们常说与书写为"metal aluminium(金属铝）"。

铝是地球和月球上最丰富的金属元素，占地球表面固体部分的8%以上，海水平均含0.5ppm铝。目前全世界查明的铝土矿工业储量约280×108t，储量丰富和产量较大的国家有几内亚、澳大利亚、巴西、牙买加、印度等国，他们的铝土矿多为优质的高铁低硅三水软铝石型，适用于以简单的成本较低的拜耳（Bayer）法生产氧化铝，而中国缺乏这种优质铝土矿，已探明的93%以上为一水硬铝石型，主要杂质为SiO2和少量的Fe2O3、TiO2，不适宜用纯拜耳法生产氧化铝，所以说中国并不是一个铝土矿资源丰富的国家。

铝的基本特性

铝是一种轻金属，化学符号Al，在元素周期表中属ⅢA族，原子序数13，原子量26.982，面心立方晶格，常见化合价+3099.99%Al的物理性质：20℃时密度2.70g/cm3，熔点660.1℃，沸点2520℃，0℃——100℃的平均比热容917J/（kg·k），20℃——100℃的平均线胀系数23.6×10-6/℃，20℃的体胀系数68×10-6/℃，熔化热10.47KJ/mo1，汽化热291.4KJ/mo1，热导率（0℃——100℃）238W/（m·k），电阻率（20℃）2.67μΩ·cm，电导率（62%——68%）IACS，撞击时不发火花，非磁性，反射全光谱辐射能，声音在铝中的传播速度5000m/s——6500m/s，对光的反射率85%——90%，25℃时热扩散率0.969cm2/s。

华学性能：铝在空气中会立即与氧形成薄的（0.005μm——0.02μm）氧化膜，它很致密，可阻止铝的继续氧化，因而有强的抗蚀性，但是铝是两种元素，与大多数稀酸只发生缓慢的反应，可迅速溶解于浓盐酸，而不与浓硝酸反应，因为发生了钝化，铝可与NaOH溶液发生强烈反应，铝可与氮、硫和卤族元素在高温下发生反应；99.50%Al在2.67%AlCl3溶液中对标准甘汞电极的自然电位-955.8mV，在3.5%NaCl溶液中对标准电极的孔蚀电位-732.2mV，铝有很好的可阳极氧化与电泳涂漆性能，可电镀性能也不错。铝的腐蚀有多种类型：普通腐蚀、点腐蚀、晶间腐蚀与剥落腐蚀，应力腐蚀等，杂质的性质与分布状态决定它们对腐蚀的影响；影响腐蚀介质侵蚀能力最重要的因素是：浓度、温度、压力与运动。

力学性能：总体上，铝及铝合金有很好的力学性能，抗拉强度Rm从1070-H18合金的125N/mm2——7075-T6合金的570N/mm2，有些合金的Rm可以达到700N/mm2或更高一些，不少铝合金材料的Rm可接近软钢的；铝及铝合金有优秀的可压力加工性能，可加工成各种半成品，可工业化轧制宽2000mm，厚0.006mm的箔；其他的力学性能如弹性模量、疲劳性能、抗蠕变性能、断裂韧性、损伤容限等等都可以满足现代化工业发展的需求。

铝是一种节能环保的绿色金属

在上世纪60年代以前，人们都认为铝是一种耗能大与污染严重的金属，因为生产一吨原铝需要15000kWh以上的综合交流电：在原铝提取过程中，排放的气体有CO2、CO、HF、CF4、C2F6、SiF4、SO2、H2S、CS2、COS、H2O等，其中CO2是主要的，占75左右，另外，烟气中还含有微量的C、Al2O3、Na3AlF6、Na5AL3F14、NaAlF4、AlF3、CAF2等固体微粒，在这些排放物中最有害的是F，在现代化预焙糟原铝中产生的烟气经集气净化处理后，排放大气的烟气中的含F量可≤0.60kg/tAl，这就是说，一座800kt/a的原铝厂每年排放的有害物质F仍可达约480t。在生产中，每生产1t铝需要消耗约4t铝土矿，产生约3t固体废弃物，它们虽不是有毒的，但却是有害的。自上世纪70年代以来，人们开始对铝有了新的认识：

●能源储蓄银行

美国铝业协会公司认为铝是"能源储蓄银行"即在原铝提取过程中所消耗的能源，在其后的使用及回收过程中可以"支取"，还给社会。汽车的质量每减轻10%可节油8%；每使用1kg铝，可使车在合用期内减少20kg尾气排放；采用铝所节省的能量是生产该零件所用原铝耗能的6倍——12倍。

●铝在使用过程中，由于零部件质量的减轻，以及抗蚀性的提高与寿命的延长，因而可减少温室气体排放。

●铝是一种可回收性极强的金属，每循环一次仅损失约5%，而回收的能耗及排放的温室气体，仅相当于原铝提取5%在一定程度上说，铝是一种"与世长存"的金属，自1988年至2016年全世界共生产了约13.5亿吨铝，至今仍有约75%在使用。