Eqs. const. (1=Al, 2=O2, 3=Al2O3, 4=H2O, 5=Al(OH)3, 6=H2). Datos tabulados:

>

su1:="Al":su2:="O2":su3:="Al2O3":su4:="H2O":su5:="Al(OH)3":su6:="H2":dat:=Mal=0.027*kg_/mol_,subs(g=g0,[Const]),SI2,SI1:hgs1_:=get_hgs_data("Al(s)");hgs2_:=get_hgs_data("O2(g)");hgs3_:=get_hgs_data("Al2O3(s)");hgs4_:=get_hgs_data("H2O(l)");hgs5_:=get_hgs_data("Al(OH)3(s)");hgs6_:=get_hgs_data("H2(g)");

	(1)

#Eqs. const. (1=Al, 2=H2O, 3=H2, 4=Al(OH)3, 5=O2). Datos tabulados:

>	#dat:=op(dat),op(subs(g=g0,[Const])),SI2,SI1:hgs1_:=get_hgs_data("Al(s)");hgs2_:=get_hgs_data("H2O(l)");hgs3_:=get_hgs_data("H2(g)");hgs4_:=get_hgs_data("Al(OH)3(s)");hgs5_:=get_hgs_data("O2(g)");

a) Poder calorífico estándar en la combustión del aluminio, en base molar y en base másica.

>	eq1:=Al+(3/4)*O2=(1/2)*Al2O3;eq1m:=27*gAL+(3/4)*32*gO2=(1/2)*102*gAl2O3;eqhr1:=(1/2)*hf_Al2O3-hf_Al-(3/4)*hf_O2;eqhr1_:=(1/2)*hgs3_[1]-hgs1_[1]-(3/4)*hgs2_[1];eqhr1__:=%/subs(dat,Mal);

	(2)

i.e. el PC en la combustión del aluminio es 840 kJ/mol=31 MJ/kg.

b) Poder calorífico estándar en la reacción del aluminio con agua para dar hidróxido.
Con todos los productos y reactivos a 25 ºC y 100 kPa (condiciones estándar), la reacción teórica sería:

>

eq1:=Al+3*H2O=Al(OH)[3]+(3/2)*H2;eq1m:=27*gAL+3*18*gH2O=78*ghydrox+(3/2)*2*gH2;eq1hr:=hgs5_[1]+(3/2)*hgs6_[1]-hgs1_[1]-3*hgs4_[1];eq1hr_:=%*mol_/mol_Al=%*(2/3)*mol_/mol_H2;eq1hr__:=lhs(eq1hr_)=lhs(eq1hr_)/(0.027*kg_Al/mol_Al);eq1gr:=hgs5_[2]+(3/2)*hgs6_[2]-hgs1_[2]-3*hgs4_[2];eq1gr_:=%*mol_/mol_Al=%*(2/3)*mol_/mol_H2;eq1gr__:=lhs(eq1gr_)=lhs(eq1gr_)/(0.027*kg_Al/mol_Al);

	(3)

i.e. el poder calorífico de la reacción es 15,6 MJ/kg de aluminio (423 kJ/mol de Al, o 282 kJ/mol de H2). El trabajo máximo obtenible sería -gr=16,1 MJ/kg (434 kJ/mol).

Nota. Aunque la reacción es espontánea, apenas avanza a temperatura ambiente si no se añade algún inhibidor de la capa de óxido protectora, e.g. un 1 % de litio, o un poco de galio, o algún álcali. Esta hidrólisis con aluminio en polvo esta siendo estudiada para unidades de potencia auxiliar embarcadas, por su alta densidad energética y su poco impacto ambiental (el hidróxido es fácilmente reciclable).

c) Cantidad de hidrógeno producido en la reacción anterior, en bases molar y másica, y poder calorífico en su combustión con oxígeno.
Ya se ha visto que se produce 1,5 mol de H2 por mol de Al, o 3 g de H2 por cada 27 g de Al (i.e. 0,11 kg/kg).
Nota. El H2 generado no suele quemarse sino que suele usarse en una pila de combustible (suele ser de tipo PEM, operando a unos 80 ºC), pero la reacción global es la misma:

>	eq2:=H2+(1/2)*O2=H2O;eq2m:=2*gH2+16*gO2=18*gH2O;hgsr:=hgs_r25(eq2);PCS:=-%[1];'PCS'=%/(0.002*kg_/mol_);

	(4)

i.e. el PCS del H2 es 286 kJ/mol=143 MJ/kg. El PCI sería 286-44=242 kJ/mol=121 MJ/kg.

d) Poder calorífico global de la reacción de hidrólisis junto a la de formación de agua. ¿Qué explicación puede darse al valor de 29 MJ/kg?
Globalmente sería Al+3·H2O+(3/2)·O2=Al(OH)3+3·H2O

>	eq3:=Al+3*H2O+(3/4)*O2=Al(OH)[3]+(3/2)*H2O;eq3m:=27*gAL+3*18*gH2O+(3/4)*32*gO2=78*ghydrox+(3/2)*18*gH2O;eq3hr:=hr=hgs5_[1]+(3/2)*hgs4_[1]-hgs1_[1]-3*hgs4_[1]-(3/2)*hgs2_[1];eq3hr:=hr=rhs(%)/subs(dat,Mal);

	(5)

De otro modo, la hidrólisis producía 15,6 MJ/kgAl y 0,11 kgH2/kAl. Si a los 15,6 MJ/kg le sumamos la parte del proceso posterior del H2, 0,11*143=15,4 MJ/kgAl, quedan los 31 MJ/kgAl aquí obtenidos.
Pero si no se toma el PCS del H2 sino el PCI, sería 15,6+0,11·121=15,6+13,2=28,8 MJ/kg, que ya explica el valor de 29 MJ/kg citado.

El otro valor citado, 84 MJ/L, correspondería a considerar solo el metal, cuya densidad en estado macizo es 2,7 kg/L; 84/2,7=31 MJ/kg, que coincide con el calculado en el último apartado.

En las aplicaciones de la hidrólisis con polvo de aluminio tiene mayor importancia el trabajo obtenido, en vez del calor (ver m09_p48: Aluminium powder for auxilliar power unit). En una de las primeras plantas experimentales, descrita en 2011-Vlaskin et al., se producía 1 kWh de electricidad por 1 kg de Al, más unos 5..7 kWh de calor, lo que suponía un 12 % de rendimiento eléctrico y un 72 % de rendimiento total.

Más recientemente, Fishman et al. (2020), han propuesto usar una suspensión en aceite mineral de polvo de aluminio activado, lo que hace muy manejable este flujo de combustible, que reacciona a temperatura ambiente con agua sin tratamiento previo.

>

>