Промышленные способы получения водорода: Применение водорода, его изотопов и соединений

Содержание

Применение водорода, его изотопов и соединений

Водород широко используется в химической промышленности для синтеза аммиака, метанола, хлороводорода, для гидрогенизации жиров, жидкого и твердого топлива (угля, нефти) и т.д. При гидрогенизации угля и нефти бедные водородом низкосортные виды топлива превращаются в высококачественные. Водород также используется для гидрирования растительных жиров (получение маргарина), для получения спиртов, альдегидов, кетонов. Но самым большим по объему потребления водорода сегодня является нефтяная промышленность, где он используется для удаления из нефти и продуктов ее переработки соединений серы. Водород применяется в металлургии для восстановления некоторых металлов из их оксидов (например, для получения железа прямым восстановлением железной руды). Водород используют для охлаждения мощных генераторов электрического тока. Жидким водородом наполняют пузырьковые камеры, регистрирующие элементарные частицы и их превращения. Для работы этих устройств требуются в год десятки тонн жидкого водорода.

В смеси с угарным газом (в виде водяного газа) применяется как топливо. Температура кислородно-водородного пламени достигает 2600-2800 °C, что позволяет сваривать и разрезать тугоплавкие металлы, кварц и проч. Применяется также атомарно-водородная сварка, где температура пламени достигает 4000 °C.

Водород используется для получения гидридов, которые находят применение в различных областях (гидрид лития – компонент ракетного топлива и используется в органических синтезах, гидрид кальция – используется для удаления следов влаги из топлив, гидрид натрия применяется в синтезе).

Водород обладает наибольшей теплотворной способностью из всех известных топлив:

 H2(г)C(тв)CH4(г)C6H6(ж)
-285,8-393,5-890,2-3267,4
-142,9-32,8-55,6-41,9

Поэтому жидкий водород используется в ракетной технике.

В настоящее время проблема использования водорода приобрела особое значение. Энергетический кризис, проблема защиты окружающей среды от непрерывного и угрожающего загрязнения нефтью и продуктами сгорания различных топлив – все это стимулирует рост интереса к водороду как к экологически чистому горючему. Водород может служить универсальным источником энергии, получаемой как при непосредственном его сжигании, так и в топливных элементах. Подсчитано, что энергетические затраты на перекачивание водорода по трубопроводам меньше, чем потери электроэнергии в ЛЭП. При сгорании водорода образуется только вода и атмосфера остается чистой. Водород с успехом может быть использован как топливо для различных видов транспорта и в бытовых целях – отопление, приготовление пищи и т.д. Одним из главных преимуществ водородной энергетики также является то, что на Земле огромные запасы воды и водород – самый распространенный элемент во Вселенной. К сожалению, в действительности дело обстоит не так просто.

Водородная энергетика имеет целый ряд существенных недостатков. Прежде всего, необходимо найти достаточно эффективный источник водорода (существующие на сегодня промышленные способы получения водорода требуют значительных затрат энергии). Далее, большой проблемой является хранение и транспортировка: плотность водорода (даже сжиженного или твердого) в 10-15 раз меньше плотности воды, поэтому объем, необходимый для его хранения весьма велик, а благодаря высокой диффундирующей способности водорода при переходе на водородную энергетику возникает необходимость использования особых материалов (водород приводит к растрескиванию стали). Однако одним из потенциальных способов хранения и транспортировки водорода является перевод его в гидриды или растворение в металлах.

И, наконец, с экологической безопасностью дело тоже обстоит не очень просто: основным источником экологических проблем являются не столько сами по себе продукты сгорания обычных топлив, сколько образующиеся при горении из-за высокой температуры оксиды азота. А поскольку температура пламени водорода выше, чем у угля или природного газа, при сжигании водорода их образуется даже больше. Поэтому водородная энергетика пока остается областью проектов.

В будущем может быть расширено применение водорода для металлургии.

Тяжелая вода является весьма эффективным замедлителем нейтронов в ядерных реакторах. Дейтерий широко применяют в научных исследованиях. А в дейтериево-тритиевой смеси проводят управляемую термоядерную реакцию.

Способы получения водорода – Статьи – Aйр Техник в Москве

19.04.2017

Практически ни один технологический процесс в области производства и последующего использования водорода не обходится без использования компрессорного или насосного оборудования. Дожимные компрессоры входят как в состав воздухоразделительных установок криогенного типа, так и в мембранные и адсорбционные установки для получения водорода. Производство, разделение, перекачивание, наполнение – это оборудование необходимо на всех стадиях работы с водородом.


В 2013 г. объем производства водорода в России приблизился к 4,5 млн тонн (свыше 53 млрд м 3 ), или 8% от общемирового объема. Водород не является товарным продуктом: после производства большая часть водорода используется на месте производства.

В промышленных масштабах водород получают и выделяют различными способами, которые можно разделить на химические, электрохимические, физические.

Химические методы

Основной объем водорода получают на химических и нефтехимических предприятиях посредством каталитической конверсии природного газа и метана.

В этом случае крупнейшими рынками являются обогащение природного топлива, например, крекинг в водородной среде и производство аммиака, преимущественно для рынка удобрений. Конверсионные установки входят в состав комплексов по производству аммиака и метанола.

Получение водорода из природного газа

Основа – конверсия метана (основной компонент природного газа, СН4) с водяным паром. В итоге получается обратимая смесь, которая называется синтез-газом. Условия протекания процесса: никелевый катализатор и 1000°С

Процесс проходит поэтапно: на первой стадии применяется паровой риформинг метана горячим паром.

Затем происходит конверсия оксида углерода:

СH 4 + H 2 O→CO + 3H 2

Пропускание паров поды над раскаленным коксом (Т = 1000 °С):

H2O + C = H2 ↑+ CO,

Реакция обратима!

Смесь (Н2, СО и Н2О) называется водяным газом.

А на 2-ой стадии водяной газ пропускают над оксидом железа (III) при температуре около 450°С:

СО + Н2О = СО2 + Н2↑,

Часто эту реакцию называют реакцией сдвига.

Глубокое охлаждение коксового газа

При процессе коксования каменного угля получают три фракции: твердую – кокс, жидкую – каменноугольную смолу - и газообразную, содержащую, помимо углеводородов, молекулярный водород (около 60%).

Эту фракцию подвергают сверхглубокому охлаждению после того, как обработают специальным веществом, что дает возможность отделить от примесей водород.

Электрохимические методы

Также можно получить водород из воды путем электролиза, но эта операция в промышленных масштабах более дорогостояща по сравнению с производством водорода из природного газа.

Компактные электролизеры применяются на предприятиях пищевой и стекольной промышленности, металлургии, ТЭЦ, АЭС и других объектах.

2 О →O 2 + 2H 2

Суммарный объем производства электролизного водорода в России не превышает 10%.

Физические методы

Физические методы – извлечение водорода из смеси газов - применяются на НПЗ и некоторых химических комбинатах. В зависимости от требований к чистоте и объему извлекаемого водорода, на практике применяют один из трех методов газоразделения:

- Короткоцикловая адсорбция.

- Мембранные технологии.

- Криогенная очистка.

Доля водорода, получаемого физическими методами на российских предприятиях, оценивается в 5-6%.

Водород. Физические и химические свойства, получение » HimEge.ru

Водород H — самый распространённый элемент во Вселенной (около 75 % по массе), на Земле — девятый по распространенности. Наиболее важным природным соединением водорода является вода.
Водород занимает первое место в периодической системе (Z = 1). Он имеет простейшее строение атома: ядро атома – 1 протон, окружено электронным облаком, состоящим из 1 электрона.
В одних условиях водород проявляет металлические свойства (отдает электрон), в других — неметаллические (принимает электрон).
В природе встречаются изотопы водорода:  1Н — протий (ядро состоит из одного протона), 2Н — дейтерий (D — ядро состоит из одного протона и одного нейтрона), 3Н — тритий (Т — ядро состоит из одного протона и двух нейтронов).

Простое вещество водород

Молекула водорода состоит из двух атомов, связанных  между собой ковалентной неполярной связью.
Физические свойства. Водород — бесцветный нетоксичный газ без запаха и вкуса. Молекула водорода не полярна. Поэтому силы межмолекулярного взаимодействия в газообразном водороде малы. Это проявляется в низких температурах кипения (-252,6 0С) и плавления (-259,2 0С).

Водород легче воздуха, D (по воздуху) = 0,069;  незначительно растворяется в воде (в 100 объемах h3O растворяется 2 объема  h3).  Поэтому водород при его получении в лаборатории можно собирать методами вытеснения воздуха или воды.

Получение водорода

В лаборатории:

1.Действие разбавленных кислот на металлы:
Zn +2HCl → ZnCl2 +H2

2.Взаимодействие щелочных и щ-з металлов с водой:
Ca +2H2O → Ca(OH)2 +H2

3.Гидролиз гидридов: гидриды металлов легко разлагаются водой с образованием соответствующей щелочи и водорода:
NaH +H2O → NaOH +H2
СаH2 + 2Н2О = Са(ОН)2 + 2Н2

4. Действие щелочей на цинк  или алюминий или кремний:
2Al +2NaOH +6H2O → 2Na[Al(OH)4] +3H2

Zn +2KOH +2H2O → K2[Zn(OH)4] +H2
Si + 2NaOH + H2O → Na2SiO3 + 2H2

5. Электролиз воды. Для увеличения электрической проводимости воды к ней добавляют электролит, например NаОН, Н2SO4 или Na2SO4. На катоде образуется 2 объема водорода, на аноде — 1 объем кислорода.
2H2O → 2H22

Промышленное получение водорода

1. Конверсия метана с водяным паром, Ni 800 °С (самый дешевый):
CH4 + H2O → CO + 3 H2   
CO + H2O → CO2 + H2

В сумме:
CH4 + 2 H2O → 4 H2 + CO2

2. Пары воды через раскаленный кокс при 1000оС:
С + H2O → CO + H2
CO +H2O → CO2 + H2

Образующийся оксид углерода (IV) поглощается водой, этим способом получают 50 % промышленного водорода.

3. Нагреванием метана до 350°С в присутствии железного или нике­левого катализатора:

СH4 → С + 2Н2

4. Электролизом водных растворов KCl или NaCl, как побочный продукт:
2О + 2NaCl→ Cl2↑ + H2↑ + 2NaOH

Химические свойства водорода

  • В соединениях водород всегда одновалентен. Для него характерна степень окисления +1, но в гидридах металлов она равна -1.
  • Молекула водорода состоит из двух атомов. Возникновение связи между ними объясняется образованием обобщен­ной пары электронов Н:Н или Н2
  • Благодаря этому обобщению электронов молекула Н2 более энергети­чески устойчива, чем его отдельные атомы. Чтобы разорвать в 1 моль водорода молекулы на атомы, необходимо затратить энергию 436 кДж: Н2 = 2Н, ∆H° = 436 кДж/моль
  • Этим объясняется сравнительно небольшая активность молекулярного водорода при обычной температуре.
  • Со многими неметаллами водород образует газообразные соедине­ния типа RН4, RН3, RН2, RН.

1) С галогенами  образует галогеноводороды:
Н2 + Cl2 → 2НСl.
При этом с фтором — взрывается, с хлором и бромом реагирует лишь при освещении или нагревании, а с йодом только при нагревании.

2) С кислородом:
2 + О2 → 2Н2О
с выделением тепла. При обычных температурах реакция протекает медленно, выше 550°С — со взрывом. Смесь 2 объемов Н2 и 1 объема О2 называется гремучим газом.

3) При нагревании энергично реагирует с серойь(значительно труднее с селеном и теллуром):
Н2 + S → H2S (сероводород),

4) С азотом  с образованием аммиака лишь на катализаторе и при повышенных температурах и давлениях:
ЗН2 + N2 → 2NН3

5) С углеродом при высоких температурах:
2 + С → СН4 (метан)

6) С  щелочными и щелочноземельными металлами  образует гидриды (водород – окислитель):
Н2 + 2Li → 2LiH
в гидридах металлов ион водорода заряжен отрицательно (степень окисления -1), то есть гидрид Na+H построен подобно хлориду Na+Cl

Со сложными веществами:

7) С оксидами металлов (используется для восстановления металлов):
CuO + H2 → Cu + H2O
Fe3O4 + 4H2 → 3Fe + 4Н2О

8) с оксидом углерода (II):
CO + 2H2 → CH3OH
Синтез — газ (смесь водорода и угарного газа) имеет важное практическое значение, тк в зависимости от температуры, давления и катализатора образуются различные органические соединения, например НСНО, СН3ОН и другие.

9)Ненасыщенные углеводороды реагируют с водородом, переходя в насыщенные:
СnН2n + Н2 → СnН2n+2.

Получение биоводорода

В настоящее время остро стоит вопрос о поиске альтернативных источников энергии и разработке новых энергетических технологий, связанных с получением энергии и тепла с помощью возобновляемых ресурсов и сырья (энергии солнца, ветра, воды, биомассы различного происхождения). Одним из перспективных направлений в данной области, стремительно набирающим обороты, является получение альтернативных видов топлива из возобновляемого природного сырья: растительной, животной и микробной биомассы, – имеющего практически неограниченные запасы. [1, 2, 3].

Всевозрастающее внимание к биомассе связано, в первую очередь, с безвозвратным истощением мировых запасов ископаемого топлива, а также стремлением к энергосбережению и сокращению выделения в окружающую среду парниковых газов. Прогнозы на ближайшее будущее по запасам нефти и газа являются весьма пессимистичными. В качестве примера можно привести данные организации стран-экспортеров нефти (ОПЕК) насчёт запасов России: разведанных запасов нефти хватит до 2025–2030 гг., запасов газа – до 2085-2095 гг. [3]. Мировые цены на нефть неизбежно растут, и прогнозируется их дальнейшее повышение. Таким образом, в условиях непрекращающегося роста цен на горючие полезные ископаемые и исчерпания их запасов получение и использование в различных секторах экономики (промышленность, транспорт, сельское хозяйство) в России, а также во всём мире традиционных видов топлива становится экономически неоправданным.

Биомасса, как отмечалось выше, в качестве источника энергии находит все более широкое распространение. На данный момент она занимает шестое место по запасам среди доступных источников энергии после горючих сланцев, урана, угля, нефти, природного газа и пятое по производительности после прямой солнечной, ветряной, гидро- и геотермальной энергии [4, 5]. Биомассу подразделяют на древесную (до 80 %), травяную и плодовую, также к ней относят отходы пищевой, сельскохозяйственной и лесоперерабатывающей промышленностей [6]. В России ежегодно накапливается до 270 млн. тонн (по сухому веществу) органических отходов, из них 230 млн. тонн составляют сельскохозяйственные отходы и 50 млн. тонн – ТБО (твёрдые бытовые отходы) [7]. В связи с чем, проблема поиска дешёвого альтернативного источник энергии может быть решена вкупе с проблемой утилизации крупнотоннажных отходов.

В течение последнего десятилетия можно наблюдать значительное возрастание интереса к водородной энергетике, что обусловлено необходимостью создания экономически эффективной и экологически безопасной системы энергообеспечения жизнедеятельности человека и функционирования объектов экономики [4, 8]. По экспертным оценкам водород является весьма перспективным экологически чистым топливом, практически единственным продуктом сгорания которого является вода [4, 9]. Помимо высокой теплоты сгорания (122 кДж/г), ещё одним важным преимуществом его использования в качестве энергоносителя является исключение выделения парниковых газов и других загрязнений в окружающую среду и снижение выброса углекислого газа в атмосферу [8]. Следует также отметить, что выбор водорода в качестве источника энергии определяется возможностью его получения из практически не ограниченного по запасам сырья: отходов сельскохозяйственных предприятий, пищевых и лесоперерабатывающих производств и воды. В последнее время повышенное внимание уделяют также такому виду сырья, как биомассе кислород-продуцирующих микроорганизмов: микроводорослям и цианобактериям, – так как она является перспективным углеводсодержащим субстратом для анаэробного сбраживания бактериями, образующими водород [4, 10]. Использование водород-образующих микроорганизмов позволяет одновременно разработать технологию получения водорода и решить проблему переработки отходов путём их микробной конверсии. Более детально данный процесс будет рассмотрен позже.

Реализация производства водородного топлива в первую очередь связана с поиском и разработкой экономичной и экологически безопасной технологии его получения. В связи с чем, огромный научно-практический интерес и актуальность представляют биологические методы получения водорода с использованием микроорганизмов в качестве каталитических систем для процесса его образования. Впоследствии возник термин «биоводород», обозначающий водород, полученный биологическим (микробиологическим) способом. В данном обзоре эти способы будут подробно рассмотрены. Многие исследовательские разработки, посвящённые получению водорода, направлены на использование в качестве исходного сырья крахмало- и целлюлозосодержащих отходов, легко превращаемых в сахара, тем самым способствуя решению проблемы утилизации многотоннажных отходов различных отраслей промышленности.

Исходя из описанного выше, исследования, проводимые в направлении разработки технологий получения биоводорода с помощью микроорганизмов из возобновляемых органических отходов, являются весьма актуальными и современными.

На сегодняшний день основную часть водорода в промышленных масштабах получают термохимическими способами путём паровой конверсией метана, каталитической конверсией углеводородов или газификацией угля [4]. Например, в США паровым риформингом природного газа производят 90 % от общего объёма получаемого в мире водорода [8]. Существенным недостатком данных методов является наличие высоких выбросов СО2 в атмосферу. Помимо этого, в технологическом процессе получения водорода данными способами используют высокопотенциальную энергию, на получение которой, в свою очередь, затрачивают дефицитное ископаемое топливо (нефтепродукты, уголь, природный газ), что делает такое производство экономически не целесообразным в современных условиях.

Рассмотрим кратко термохимические способы получения водорода. Паровой риформинг широко применяют для получения водорода из лёгких фракций углеводородов (например, метана) и сырой нефти. Процесс состоит из следующих стадий:

  • эндотермической реакции парового риформинга: конверсии углеводородов в водород и моноокись углерода в присутствии водяного пара: CH4 + H2O = CO + 3H2, ΔHр = 4205 кДж/моль;
  • экзотермической реакции конверсии монооксида углерода в присутствии водяного пара в водород и диокисд углерода: СО + H2O = CO2 + H2, ΔHр = – 41 кДж/моль. [11]

Кроме того, необходимо проведение вспомогательных процессов, включающих возврат тепла и производство пара, извлечение получаемого водорода. Используемые в процессе парового риформинга катализаторы очень чувствительны к содержанию серных примесей в газах. Поэтому для предотвращения отравления катализатора необходимо предварительно проводить десульфуризацию сырья [8]. Также в промышленности распространён способ получения водорода путём частичного окисления углеводородов, в котором в качестве сырья чаще всего используют отходы нефтеперегонных заводов. В данном процессе происходит некаталитическое эндотермическое превращение тяжёлых углеводородных фракций (например, остаточных углеводородов после обработки сырой нефти) посредством окисления их кислородом в синтез-газ с высоким содержанием CO [12]. Уравнение общей реакции, включающей несколько подреакций, выглядит следующим образом:

СmHn + n/2О2 = nCO + m/2 H2.

Для частичного окисления используют разное сырьё, при этом его десульфуризация не требуется. Процесс осуществляют при температурах 1300-1400 °C.

Производство водорода в больших масштабах посредством технологии парового риформинга не теряет актуальности в силу дешевизны и эффективности данного способа. Производительность завода по водороду, использующего этот метод, составляет свыше 100 тыс м3/ч.

Нельзя не отметить, что в последнее время уделяют внимание созданию небольших производств, отвечающих требованиям рынка, заинтересованного в малых количествах водорода. К этому можно отнести синтез данного энергоносителя с помощью электролиза, используемого чаще всего для получения водорода высокой степени частоты. Однако из-за высокой стоимости электроэнергии электролиз является весьма дорогим способом. Доля водорода в мировом производстве, полученного таким образом, не превышает 5 % [13]. К тому же, мощность электролизёрных установок по водороду очень низка и достигает не более 1 м3/ч. Несмотря на это, исследователи ищут различные способы удешевления процессов электролиза воды. Например, авторы работы [9,14] разработали процесс с использованием установки со специальными объемно-пористыми электродами с низким перенапряжением выделения водорода. Как отмечают исследователи, преимуществами этой разработки являются возможность получения чистого водорода и более низкие энергозатраты. Электролиз является физико-химическим процессом, протекающим в растворах или расплавах электролитов при пропускании через них электрического тока. Различают три основных вида электролиза в зависимости от вида электролита и типа электролитической установки:

  • щелочной: раствор щелочного электролита, 80 °C;
  • мембранный: протон-проницаемая мембрана, 80 °C;
  • паровой: керамическая мембрана, содержащая ион кислорода, 650-1000 °C. [8]

Чаще всего для получения водорода применяют электролиз водного раствора щелочного электролита, например, раствора едкого натра, так как в данном случае повышается электропроводность раствора и уменьшается расход на электроэнергию. Натрий не восстанавливаются на катоде, а остаётся в растворе, в то время как вода на катоде подвергается разложению на водород и кислород. Электролиз водного раствора гидроксида натрия описывают следующими электрохимическими реакциями:

  • на катоде: 2h3O + 2e = h3 + 2 OH
  • на аноде: OH = O2 + 2h3O + 4e
  • суммарное уравнение: 2h3O = O2 + 2h3.

Обычно процесс осуществляют при нормальных внешних условиях. Но можно проводить электролиз и при высоком давлении (до 30 бар), что является преимущественным, когда полученный водород нужно сохранить под давлением. Получаемые газы, водород и кислород, собирают раздельно, однако они не полностью свободны от примесей, и, к тому же, насыщены парами воды. Большинство современных электролитических установок включают модули, позволяющие удалять пары воды. Степень частоты водорода, полученного способом электролиза, варьируется между 99,9-99,9998 объёмными % в зависимости от применяемой электролитической системы [8].

Получение водорода в небольших объёмах также можно организовать с помощью его производства путём каталитического парового риформинга метанола [15]. Протекает процесс при температуре 250-300 °C и давлении 20 бар и состоит из следующих стадий:

  • СН3ОН = СО + 2Н2, Δ= – 91 кДж/моль;
  • СО + Н2О = СО2 + Н2, Δ= – 41 кДж/моль.

Специалисты отмечают, что современные разработки по технологии получения водорода становятся более ориентированными на развитие небольших производств, нежели крупномасштабных.

Одной из основных проблем водородной энергетики, помимо оптимизации технологии его получения и конечной стоимости водорода, является также его хранение и транспортировка от крупномасштабных производств к потребителям. В США и ЕС функционирует сеть трубопроводов. Такие трубопроводы, как привило, объединяют небольшое число крупных заводов со всеми потребителями водорода. Длина их, обычно, составляет несколько сотен километров. Также водород в больших количествах может быть доставлен к потребителям с помощью грузового автотранспорта. Таким образом перемещают жидкий водород, однако сам он является достаточно дорогим продуктом, так как на его производство затрачивается много энергии и средств. Газообразный же водород транспортируют только в небольших количествах. Даже при высоком давлении его плотность будет столь низка, что его вес будет составлять только 2 % от всего транспортного средства, при этом стоимость транспортировки резко повышается [8].

Биологические методы получения водорода по сей день находятся н

Способы получения водорода. Задачи 785


Задача 785. 
Почему в периодической системе элементов водород относят как к I, так и к VII группе?
Решение:
Атом водорода содержит один электрон, его электронная конфигурация имеет вид: 1s2. Поэтому атом водорода способен как отдавать, так и присоединять по одному электрону.  Таким образом, образом водород проявляет двойственную химическую природу, как окислительную, так и восстановительную способность. В большинстве реакций водород выступает в качестве восстановителя, образуя соединения, в которых степень его окисленности равна +1. в реакциях с активными металлами водород выступает в качестве окислителя, степень окисленности его при этом равна -1. Итак, водород, отдавая электрон, проявляет сходство с металлами I-й группы главной подгруппы периодической системы химических элементов, а, присоединяя электрон, - с неметаллами VII-й группы главной подгруппы. Поэтому водород в периодической системе обычно помещают в главной подгруппе I-й группы и, в тоже время, в скобках, помещают в главной подгруппе VII-й группы.


Задача 786. 
Как получают водород в промышленности и в лаборатории? Привести уравнения реакций.
Решение:
а) Получение водорода в промышленности:
1. Получение синтез-газа:

Ni 800oC
СН4 + Н2О      →          CO + 3H2

2. Крекинг углеводородов:

С2Н →  2С + 3Н2 

3. Электролиз водного раствора едкого натра или едкого калия. Используют 25% NaOH или 34% КОН. Электроды изготавливают из листового никеля. При этом на катоде выделяется водород, а на аноде – кислород:

Катодный процесс: 2Н2О + 2 = Н2 + 2ОН-;
Анодный процесс: 4ОН- - 4 = О2 + 4Н+.

4. Вытеснение водорода из воды различными металлами. Метод основан на том, что активные металлы вытесняют водород из воды, например, натрий и кальций разлагают воду при обычных условиях, магний – при нагревании, цинк – при накаливании с водяным паром, железо – при нагревании около 7000С. Чаще всего используют в промышленности для получения водорода так называемый железо-паровой метод:

3Fe + 4H2O = Fe2O4 + 4H2↑;
Fe + H2O = FeO + H2↑.

5. Получение водорода из природного газа. В промышленности по этому методу природный газ смешивают с кислородом и водяным паром при нагревании данной смеси до 800-9000 С в присутствии катализатора (пароводяная и кислородная конверсия):

2CH4 + O2 + 2H2O = 2CO2 + 6H2.

6. Метод выделения водорода из коксового газа или из газов переработки нефти. Метод основан на глубоко охлаждении газовой смеси, при котором все газы кроме водорода сжижаются – водород остаётся в газовой фазе, которую под давлением собирают в баллоны.

7. Метод получения водорода при получении сажи из природного газа:

CH4 → C + 2H2

8. Метод получения водорода при пропускании паров воды над раскалённым углем при температуре 10000 С (водяной газ, содержащий до 86% угарного газа и водорода):

C + H2O = CO + H2

б) Получение водорода в лабораторных условиях:

1. Метод растворения цинка в холодной соляной кислоте или в разбавленной серной кислоте:

 Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2↑;
 Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2↑.

2. Растворение алюминия с сильными щелочами:

2Al + 2NaOH + 10H2O = 2Na[Al(OH)4(H2O)2] + 3H2↑ 

3. Электролиз раствора КОН (электроды из листового никеля):

Катодный процесс: 2Н2О + 2 = Н2 + 2ОН-;
Анодный процесс: 4ОН- - 4 = О2 + 4Н+.

4. Действие порошком алюминия на кипящую воду в присутствии нескольких капель разбавленного перманганата калия:

      t0 
        2Al + 3H2O   →    Al2O3 + 3H2↑.

5. В полевых условиях водород получают из смеси (порошок ферросилиция с сухим Са(ОН)2 и NaOH). При поджигании данной смеси сначала она начинает тлеть, а затем наблюдается выделение водорода:

Si + Ca(OH)2 + NaOH = Na2SiO3 + CaO + 2H2↑ 

Смесь называется гидрогенит.


Задача 787.  
Можно ли для электролитического получения водорода использовать в качестве электролита водные растворы H2SO4, K2,SO4 KCl, CuSO4, NaOH? Ответ обосновать.
Решение:
Электродные потенциалы калия, натрия и меди соответственно равны -2,92 В, -2,714 В и +0,337 В, а водородного электрода в кислой в щелочной  и в нейтральной средах соответственно равен 0,00 В, -0,83 В и -0,41 В. При этом на катоде происходит электрохимическое выделение водорода в зависимости от условий среды:
Катодный процесс: 
В кислой среде: 2H+ + 2 = Н2↑;
В щелочной или нейтральной среде:  2Н2О + 22 = H2  + 2ОН-.
Следовательно, при электролизе H2SO4 будет разряжаться ионы водорода и  выделяться газообразный водород. 

При электролизе K2SO4 и KCl происходит электрохимическое восстановление воды, результатом которого  будет выделение водорода и гидроксид-ионов, потому что электродный потенциал калия (-2,92 В) значительно электроотрицательнее, чем потенциалы -0,41В и -0,83 В.  

При электролизе раствора CuSO4 будет происходить разряд ионов меди и, при этом на катоде выделится металлическая медь, потому что электродный потенциал меди значительно положительнее, чем потенциал водородного электрода. 

При электролизе NaOH происходит электрохимическое восстановление воды, результатом которого  будет выделение водорода и гидроксид-ионов, потому что электродный потенциал натрия (-2,714 В) значительно электроотрицательнее, чем потенциалы -0,41В и -0,83В.

Таким образом, для электрохимического получения водорода можно использовать растворы  H2SO4, K2SO4 KCl и NaOH.


Задача 788. 
Железо-паровой метод получения водорода основан на обратимой реакции 3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2↑. В каких условиях следует осуществлять этот процесс, чтобы реакция протекала до практически полного окисления железа?
Решение:
Уравнение реакции имеет вид:

 3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2

Из уравнения реакции следует, что из четырёх молекул парообразной воды образуется четыре молекулы газообразного водорода, т. е. реакция протекает без изменения числа молей газообразных веществ, поэтому равновесие системы не нарушается при изменении давления. В данном случае при удалении продукта реакции водорода из реакционной зоны равновесие системы согласно принципу Ле Шателье сместится вправо, в сторону увеличения образования водорода. Но лучше всего выводить из реакционной системы твёрдый продукт Fe3O4, что будет способствовать смещению равновесия вправо, если железную окалину направлять на регенерацию, допустим посредством накаливания окалины в струе паровоздушной смеси и, затем, возвратить образуемое металлическое железо в реакционную зону. Избыток металлического железа будет способствовать ускорению реакции и, следовательно, увеличению продукта реакции. Таким образом, отведение водорода и регенерация железа способствуют протеканию реакции до практически полного окисления металлического железа.


Конкурс - Получение водорода тремя способами

Получить водород!  До недавнего времени это была моя мечта 🙂 . И я твёрдо решил осуществить ее.


В магазине я приобрёл все необходимые реактивы:

 

Далее заперся в своей комнате и начал творить! В итоге я в домашних условиях смог повторить все нижеописанные способы  получения водорода. И я просто обязан поделиться с вами своими знаниями. Итак, три способа получения водорода.

Способ №1 и все необходимые для него реактивы.

1 Сульфат меди (медный купорос ) его можно купить в любом цветочном магазине ( внимание не путайте с лавками где продоются только цветы нужен магазин с удобрениями ) просто зайдите и скажите что вам нужен медный купорос

2 Обычная пищевая соль

3 фольга (если честно то подойдёт любое алюминиевое изделие будь то ложка или проволока)

Вот собственно и все реактивы. Теперь немного о посуде в которой мы всё это будем делать.

1 Бутылка из толстого стекла ( отлично подойдёт из под вина, пива или шампанского )

2 Кострюля с холодной водой .

Для чего нужно было именно из толстого стекла и с холодной водой? А нужно это поскольку при данной реакции выделяется большоё количество тепла и бутылка может треснуть или вовсе лопнуть.

А теперь начнём!!!! Насыпаем в бутылку примерно четыре ложки сульфата меди и столько же соли ( соли желательно брать немного больше ) добавим воды  и всё это тщательно перемешиваем.  Если всё сделано правильно то раствор должен стать зелёным, если нет, то добавьте ещё соли. Раствор готов! Начнём кидать туда алюминий ИИИИИИИ УРА-УРА начал выделяться водород, при этом алюминий начнёт ржаветь , а вода начнёт пузыриться.

Но как-же это происходит, как идёт реакция??? Дело в том что образующися хлорид меди смывает защитную пленку с алюминия и на равне с восстановлением меди идет образование водорода.

Способ № 2 и реактивы.

  1. Гидроксид натрия. Раньше я незнал где его купить, но потом узнал что он продоётся как средство для прочистки труб — крот в любом магазине бытовой химии.
  2. Алюминий ( ну вы поняли).

Ну бутылка и вода как в способе №1

Нальём крота в бутылку(если у вас сухой и в гранулах, то разбавьте водой ) . Добавим алюминий (его лучше обжечь на костре перед добавлением). Через минуты две начнётся очень бурная реакция с выделением водорода в больших количествах.

Внимание!!!!!!!! Второй способ ООООчень опасный, советую проделывать его в перчатках( Гидроксид натрия сильно разъедает кожу!!!). Перчаток у меня не нашлось и я делал без них. Потом сильно пожалел. К вечеру у меня все руки были КРАСНЫМИ! и безумно болели. Но самая большая опасность в этой реакции это ВОДОРОД!!!!Его выделяется много!!!! И вообще я не советую проводить этот способ в домашних условиях!!!!

Тут всё тоже самое, только едкая щелочь намного быстрее смывает защитную плёнку с алюминия и далее идёт реакция с выделением водорода

Способ №3.

В этом способе не нужно реактивов. Ну кроме поваренной соли. Этот опыт будет проводится с помощью электролиза. Всё что нужно это пропустить через раствор поваренной соли электричество.Ток должен быть постоянным. ( Водород будет выделяться на аноде, а на катоде небольшие количества кислорода

Какие методы производства водорода? (с изображением)

Водород производится как побочный продукт промышленных процессов или собирается как отдельный процесс для использования в водородных топливных элементах. Производство водорода осуществляется несколькими способами. Некоторые из наиболее распространенных методов включают паровой риформинг, водородный пинч, электролиз и термолиз, а также производство биоводорода.

Водород производится в различных промышленных процессах.

Паровой риформинг - это наиболее распространенный процесс, используемый для сбора водорода, образующегося в промышленных процессах. Используя никель в качестве катализатора, водяной пар взаимодействует с метанолом при высоких температурах с образованием водорода и окиси углерода. При более низких температурах образующийся монооксид углерода можно подвергнуть дальнейшему риформингу с получением водорода и диоксида углерода. Этот метод производства водорода имеет КПД от 65% до 75%.

Еще один способ получения водорода называется водородным пинчем.Этот процесс меняет использование водорода во всех областях самого процесса гидрокрекинга. Цель состоит в том, чтобы создать конечный процесс, который не производит и не выделяет водород. Любой избыток водорода улавливается и используется для других целей.

Электролиз и термолиз используются для производства водорода на промышленном уровне.Этот метод, также называемый расщеплением воды, отделяет молекулы водорода от молекул кислорода в воде путем пропускания электрического тока через воду. В то время как часть процесса электролиза может быть эффективной без дополнительного нагрева, высокие температуры термолиза значительно увеличивают выход водорода. В некоторых случаях вместо воды использовалась моча, что делало процесс более эффективным на 332%.

Производство био-водорода создает пригодный для использования водород в результате биологических процессов. Используя ферментацию, ферментативные реакции и электрогидрогенез, водород можно производить из биологических материалов и отходов. В процессе ферментации бактерии разрушают биологические материалы, производя при этом водород. Ферментативные реакции используют ферменты для создания водорода из сахарных продуктов. Электрогидрогенез - это процесс биоэлектролиза, который является результатом действия микробов и разложения сточных вод или растительных материалов.

Хотя он уже используется в качестве источника чистой энергии для питания некоторых промышленных процессов, необходимо разработать экономически эффективные методы массового производства водорода, чтобы его действительно рассматривали как конкурентоспособный вариант топлива. Путем дальнейшего развития и исследования методов производства водорода можно создать водородную экономику, сократив зависимость от ископаемого топлива. По мере открытия более совершенных и эффективных методов производства водорода эти ресурсы могут использоваться в качестве альтернативных источников топлива. Это альтернативное топливо можно использовать для привода водородных автомобилей, промышленного оборудования и других устройств, работающих на экологически чистой энергии.

Производство водорода | Водород

Метод: Электролиз
Вкратце:
Процесс, при котором вода (h3O) расщепляется на водород (h3) и кислород (O2) с подводом энергии и тепла в случае высокотемпературного электролиза.
На практике:
Электрический ток разделяет воду на составные части. Если используется возобновляемая энергия, газ имеет нулевой углеродный след и известен как зеленый водород.

Метод: Риформинг - в первую очередь риформинг природного газа, но также и биогаза
Вкратце:
Основные способы превращения природного газа, в основном метана, в водород включают реакцию либо с паром (паровой риформинг или паровой риформинг метана, когда используется метан), кислородом (частичное окисление), либо с обоими последовательно (автотермический риформинг)
На практике:
Паровой риформинг: в качестве окислителя используется чистый водяной пар.Реакция требует введения тепла («эндотермический»).

Метод: Водород из других промышленных процессов, которые создают водород в качестве побочного продукта.
Вкратце: Электрохимические процессы, такие как промышленное производство каустической соды и хлора, производят водород как побочный продукт.
На практике:
Производство хлора и каустической соды сводится к пропусканию электрического тока через рассол (раствор соли - хлорида натрия - в воде).Рассол диссоциирует и рекомбинирует посредством обмена электронов (доставляемых током) на газообразный хлор, растворенную каустическую соду1 и водород. По характеру химической реакции хлор, каустическая сода и водород всегда производятся в фиксированном соотношении: 1,1 тонны каустика и 0,03 тонны водорода на тонну хлора.

риформинг

Паровой риформинг метана (SMR):


Как уже было описано выше, в настоящее время большая часть производимого сегодня водорода производится с помощью процесса с интенсивным выбросом CO2, называемого паровым риформингом метана.

Высокотемпературный пар (700–1000 ° C) используется для производства водорода из источника метана, например природного газа. При паровом риформинге метана метан реагирует с паром под давлением 3–25 бар (1 бар = 14,5 фунтов на кв. Дюйм) в присутствии катализатора с образованием водорода, монооксида углерода и относительно небольшого количества диоксида углерода. Паровой риформинг эндотермический , то есть для протекания реакции в процесс необходимо подводить тепло.

Затем в так называемой «реакции конверсии водяного газа» монооксид углерода и водяной пар реагируют с использованием катализатора с образованием диоксида углерода и большего количества водорода.На заключительном этапе процесса, называемом «адсорбция при переменном давлении», диоксид углерода и другие примеси удаляются из газового потока, оставляя практически чистый водород. Паровой риформинг также можно использовать для производства водорода из других видов топлива, таких как этанол, пропан или даже бензин.

Для химиков:

Реакция парового риформинга метана
Ch5 + h3O (+ тепло) → CO + 3h3

Реакция конверсии водяного газа
CO + h3O → CO2 + h3 (+ небольшое количество тепла)

Частичное окисление

При частичном окислении метан и другие углеводороды в природном газе реагируют с ограниченным количеством кислорода (обычно из воздуха), которого недостаточно для полного окисления углеводородов до диоксида углерода и воды. При доступном количестве кислорода меньше стехиометрического, продукты реакции содержат в основном водород и монооксид углерода (и азот, если реакция проводится с воздухом, а не с чистым кислородом), а также относительно небольшое количество диоксида углерода и других соединений. Впоследствии, в реакции конверсии водяного газа, монооксид углерода реагирует с водой с образованием диоксида углерода и большего количества водорода.

Частичное окисление - это экзотермический процесс , , при котором выделяется тепло.Этот процесс обычно намного быстрее, чем паровой риформинг, и требует меньшего размера реактора. Как видно из химических реакций частичного окисления, в этом процессе сначала образуется меньше водорода на единицу входящего топлива, чем получается путем парового риформинга того же топлива.

Для химиков:

Реакция частичного окисления метана
Ch5 + ½O2 → CO + 2h3 (+ тепло)

Реакция конверсии водяного газа
CO + h3O → CO2 + h3 (+ небольшое количество тепла)

Источник: энергетика. gov

Паровой риформинг метана (ПМР) для биогаза
Процесс SMR также может быть использован для производства водорода из биогаза.

Электролиз


Несмотря на то, что водород можно производить разными способами, наиболее интересной, но и многообещающей частью является получение водорода путем электролиза воды.

В этом процессе электролиз расщепляет воду на водород и кислород с помощью электричества.Если используемая электроэнергия поступает из возобновляемых источников энергии, таких как ветер или солнце, а произведенный водород используется в топливных элементах, то весь энергетический процесс не приведет к чистым выбросам. В данном случае речь идет о «зеленом водороде».

Электролизер состоит из источника постоянного тока и двух электродов с покрытием из благородного металла, разделенных электролитом. Электролит или ионный проводник может быть жидкостью, например проводящим раствором едкого калия (гидроксид калия, КОН) для щелочного электролиза.
В щелочном электролизере катод (отрицательный полюс) теряет электроны по отношению к водному раствору.

Вода диссоциирует, что приводит к образованию водорода (h3) и гидроксид-ионов (OH -
Носители заряда движутся в электролите к аноду. На аноде (положительный полюс) электроны поглощаются отрицательными анионами OH -. Анионы ОН - окисляются с образованием воды и кислорода. Кислород поднимается на аноде. Мембрана предотвращает смешивание продуктовых газов h3 и O2, но пропускает ионы OH -.Электролизеры состоят из отдельных ячеек и узлов центральной системы (баланс завода). Комбинируя электролитические ячейки и батареи, производство водорода можно адаптировать к индивидуальным потребностям.

Электролизеры различаются по материалам электролита и температуре, при которой они работают: низкотемпературный электролиз (LTE), включая щелочной электролиз (AE) , электролиз с протонообменной мембраной (PEM ) и анионообменная мембрана ( AEM) электролиз (также известный как щелочной PEM) и высокотемпературный электролиз (HTE). Последняя группа, в первую очередь, включает электролиз твердого оксида (SOE ), но он все еще находится на продвинутой стадии исследований и разработок, и продукты еще не коммерчески доступны. Ожидается, что по достижении рыночной зрелости его преимущества будут включать повышенную эффективность преобразования и возможность производства синтез-газа непосредственно из пара и CO 2 для использования в различных приложениях, таких как синтетическое жидкое топливо (E4tech 2014, IEA 2015b).

Высокотемпературный электролиз особенно интересен, когда рядом с электролизером есть источник тепла (как это часто бывает на промышленных предприятиях или), более экономически эффективен, чем традиционный электролиз при комнатной температуре.Действительно, часть энергии поставляется в виде тепла, которое либо бесплатно, либо дешевле, чем электричество, а также потому, что реакция электролиза более эффективна при более высоких температурах.
Выбор той или иной технологии электролиза зависит от потребностей и местных условий.

Водород похож на электричество в том смысле, что его использование не вызывает никаких выбросов. Его углеродный след связан с его производственным режимом. В случае водорода, полученного путем электролиза, его углеродный след водорода напрямую связан с источником электричества.Таким образом, водород, производимый из безуглеродных возобновляемых источников или атомной энергии, не содержит углерода. Водород, произведенный с помощью сетки, имеет ту же углеродную интенсивность, что и смесь сетки.

Водород как побочный продукт

Как объяснено выше, водород получают путем отделения от его соединения.

Если производство водорода может быть первой целью процесса разделения, то также может быть, что процесс разделения направлен сначала на производство другой молекулы и получение водорода в качестве побочного продукта.

Производство хлора и каустической соды сводится к пропусканию электрического тока через рассол (раствор соли - хлорида натрия - в воде). Рассол диссоциирует и рекомбинирует посредством обмена электронов (доставляемых током) на газообразный хлор, растворенную каустическую соду и водород. По характеру химической реакции хлор, каустическая сода и водород всегда производятся в фиксированном соотношении: 1,1 тонны каустика и 0,03 тонны водорода на тонну хлора.

Ряд исследований был направлен на определение количества доступного промышленного остаточного водорода.В рамках проекта ЕС «Дороги 2 HyCom» (Maisonnier et al. 2007) среди прочих результатов была получена карта, показывающая места производства водорода в Европе. На этой карте источники водорода разбиты на три категории: категория «коммерсант» поставляет водород другим промышленным потребителям, а категория «зависимая» сохраняет водород на месте для собственного использования. Только «побочный продукт» водород больше не используется в процессе или на месте; только эта категория может быть доступна для других приложений, таких как электромобили на топливных элементах.

Водород в качестве побочного продукта представляет собой интересный и дешевый источник водорода, необходимый для развертывания применения водорода в области его производства. Неудивительно, что регионы с большим количеством водорода в качестве побочного продукта являются одними из самых продвинутых в своей стратегии использования водорода.

водорода в промышленности | Водород

Водород используется в производстве углеродистой стали, специальных металлов и полупроводников. В электронной промышленности он широко используется в качестве восстановителя и газа-носителя.Водород высокой чистоты также используется в качестве газа-носителя в газовой хроматографии.

В настоящее время водород используется в нескольких промышленных процессах. Среди других применений важно отметить его использование в качестве сырья в химической промышленности, а также в качестве восстановителя в металлургической промышленности. Водород является фундаментальным строительным блоком для производства аммиака и, следовательно, удобрений, а также метанола, используемого при производстве многих полимеров. Нефтеперерабатывающие заводы, на которых водород используется для переработки промежуточных нефтепродуктов, - еще одна область применения.Таким образом, около 55% водорода, производимого во всем мире, используется для синтеза аммиака, 25% - на нефтеперерабатывающих заводах и около 10% - для производства метанола. На другие применения по всему миру приходится лишь около 10% мирового производства водорода.

Аммиак - удобрения

Наиболее важным водородно-азотным соединением является аммиак (Nh4), также известный как азан. Технически аммиак в больших количествах получают по технологии Габера-Боша. Этот процесс объединяет водород и азот вместе непосредственно путем синтеза.Для этого сначала необходимо получить исходные азот и водород. В случае азота это достигается за счет низкотемпературного отделения воздуха, в то время как водород сегодня образуется в результате парового риформинга природного газа.
Почти 90% аммиака идет на производство удобрений. Для этого большая часть аммиака превращается в твердые соли удобрений или после каталитического окисления в азотную кислоту (HNO3) и ее соли (нитраты). Благодаря высокой энергии испарения аммиак также используется в холодильных установках как экологически чистый и недорогой хладагент; его техническое название - Р-717.

Промышленные поля

Водород используется в различных промышленных целях; к ним относятся металлообработка (в первую очередь, легирование металлов), производство плоского стекла (водород используется в качестве инертирующего или защитного газа), электронная промышленность (используется в качестве защитного газа и газа-носителя в процессах осаждения, очистки, травления, восстановления, и т. д.), а также применения в производстве электроэнергии, например, для охлаждения генераторов или для предотвращения коррозии трубопроводов электростанций.
Прямое восстановление железной руды, то есть отделение кислорода от железной руды с использованием водорода и синтез-газа, могло бы стать важным промышленным процессом в производстве стали, поскольку при традиционном доменном методе выделяется большое количество углерода. В то время как прямое восстановление с использованием природного газа в настоящее время широко применяется в производстве стали (World Steel Association 2015), соответствующие методы производства на основе водорода пока существуют только в экспериментальном масштабе.

Производство топлива

Водород используется для переработки сырой нефти в очищенное топливо, такое как бензин и дизельное топливо, а также для удаления загрязняющих веществ, таких как сера, из этого топлива.
Использование водорода на нефтеперерабатывающих заводах увеличилось в последние годы по разным причинам:
(i) строгие правила, требующие низкого содержания серы в дизельном топливе,
(ii) повышенное потребление низкокачественной «тяжелой» сырой нефти, требующей больше водорода для очистить и
(iii) рост потребления нефти в развивающихся странах, таких как Китай и Индия.

Примерно 75% водорода, потребляемого в настоящее время во всем мире нефтеперерабатывающими заводами, поставляется крупными водородными заводами, которые производят водород из природного газа или другого углеводородного топлива.
Водород также является важным основным веществом для производства метанола (CH 3 OH).Производство метанола (синтез метанола) происходит путем каталитического гидрирования монооксида углерода.
Метанол может использоваться непосредственно в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания. Он также используется в топливных элементах прямого действия на метаноле или, после риформинга, в топливных элементах PEM. Присадки к топливу производятся из метанола, и он используется для переэтерификации растительных масел с образованием метиловых эфиров (биодизельное топливо).

Основы водорода | Водород

  • Водород (h3) - самый распространенный элемент на Земле, но он редко существует в одиночку, поэтому его получают путем извлечения из его соединения.
  • Водород можно производить разными способами. Некоторые методы производят CO2, а другие не содержат углерода.
  • h3 может быть возобновляемым или декарбонизированным, если он производится с использованием возобновляемой или безуглеродной электроэнергии.
  • Водород имеет самое высокое содержание энергии среди всех обычных видов топлива по массе.
  • Водород - это высокоэффективное топливо с низким уровнем загрязнения, которое можно использовать для транспорта, отопления и выработки электроэнергии в местах, где трудно использовать электричество, или в качестве CO2-нейтрального сырья для химических процессов (аммиачные удобрения).

«Я верю, что однажды вода будет использоваться в качестве топлива,
водород и кислород, составляющие его, используемые по отдельности или вместе, будут
являются неиссякаемым источником тепла и света, интенсивность которого составляет
уголь не способен »
.
Жюль Верн, «Таинственный остров»

Жюль Верн упомянул водород еще в 1874 году, и хотя он известен своими исключительными «научно-фантастическими» произведениями, он выразил то, что через 112 лет после его смерти станет реальностью.

Но что такое водород?

Роберт Бойль произвел водородный газ в 1671 году, когда экспериментировал с железом и кислотами, но только в 1766 году Генри Кавендиш распознал его как отдельный элемент. Элемент был назван водородом французским химиком Антуаном Лавуазье.

В повседневной жизни, когда мы говорим о водороде, мы на самом деле имеем в виду h3 или дигидроген, молекулу, состоящую из двух атомов водорода, обычно в газообразной форме.

Атом водорода - первый элемент в периодической таблице с химическим символом H и первый элемент, образовавшийся после Большого взрыва.Это наиболее распространенное вещество во Вселенной и самый богатый источник энергии для таких звезд, как Солнце. Он состоит из одного протона (основная единица положительного заряда) и одного электрона (отрицательный заряд). Он имеет атомный номер 1 и стандартный атомный вес 1008. Исходя из этого, Всемирный день водорода проводится 8 октября каждого года.

Водород не существует на Земле в природе. Поскольку он образует ковалентные соединения с большинством неметаллических элементов, большая часть водорода на Земле существует в молекулярных формах, таких как вода или органические соединения.В сочетании с кислородом это вода (h3O). В сочетании с углеродом образует метан (Ch5), уголь и нефть. Он содержится во всех растущих веществах (биомассе).

Водород имеет самое высокое энергосодержание по весу среди любого обычного топлива, но самое низкое энергосодержание по объему.

Это высокоэффективное топливо с низким уровнем загрязнения, которое можно использовать для транспорта, отопления и выработки электроэнергии в местах, где трудно использовать электричество. Как только водород образуется в виде молекулярного водорода, энергия, присутствующая в молекуле, может высвобождаться в результате реакции с кислородом с образованием воды.Это может быть достигнуто либо традиционными двигателями внутреннего сгорания, либо устройствами, называемыми топливными элементами.

Самым важным первичным источником энергии для производства водорода в настоящее время является природный газ (70%), за которым следуют нефть, уголь и электричество (как вторичный энергетический ресурс). Паровая конверсия (из природного газа) - наиболее часто используемый метод производства водорода. На сегодняшний день из возобновляемых источников энергии произведено лишь небольшое количество водорода, хотя в будущем это количество будет увеличиваться.На электролиз в настоящее время приходится около 5% мирового производства водорода. Если водород извлекается из воды с помощью устройства, называемого электролизером, который использует электрический ток для разделения h3O на его составные части и используется возобновляемая или безуглеродная электроэнергия, газ имеет нулевое значение. -углеродный след, известный как зеленый водород.

Кроме того, водородная химия может служить поглотителем углерода и дополнять или обезуглероживать части цепочки создания добавленной стоимости в нефтехимии. Сегодня сырая нефть (производные) используется в качестве сырья при производстве промышленных химикатов, топлива, пластмасс и фармацевтических товаров.Почти все эти продукты содержат как углерод, так и водород (отсюда и их название «углеводороды»). Если применение технологии улавливания и утилизации углерода (CCU) получит широкое распространение (как часть экономики замкнутого цикла или альтернатива хранению углерода), технологии потребуется (зеленый) водород для преобразования захваченного углерода в пригодные для использования химические вещества, такие как метанол, метан, муравьиная кислота или мочевина. Такое использование водорода сделало бы CCU жизнеспособной альтернативой для других секторов, которые трудно декарбонизировать, таких как производство цемента и стали, и внесло бы вклад в декарбонизацию части нефтехимической цепочки создания стоимости.

Поскольку производство водорода выражается в его извлечении из соединения с использованием энергии из других первичных источников, это энергоноситель , который используется для перемещения, хранения и доставки энергии, произведенной из этих источников.

Дополнительную информацию о физических и химических свойствах водорода см. В исследовании Shell по водороду

Текущее состояние и будущие разработки

Водород (H 2 ) в настоящее время используется в основном в химической промышленности для производства аммиака и метанола.Тем не менее, в ближайшем будущем ожидается, что водород станет важным топливом, которое будет в значительной степени способствовать повышению качества атмосферного воздуха. Водород как химический элемент (H) является наиболее распространенным на Земле, а молекулярный дигидроген (H 2 ) может быть получен из ряда возобновляемых и невозобновляемых источников с помощью различных процессов. До сих пор в мировом производстве водорода преобладали ископаемые виды топлива, при этом наиболее важными современными технологиями были паровой риформинг углеводородов (например,г., природный газ). Чистый водород также получают путем электролиза воды - энергоемкого процесса. В данной работе рассматриваются современные технологии, используемые для производства водорода (H 2 ) как из ископаемых, так и из возобновляемых ресурсов биомассы, включая риформинг (пар, частичное окисление, автотермический, плазменный и водный) и пиролиз. Кроме того, обсуждаются другие методы получения водорода (например, электролиз воды) и методы очистки, такие как реакции десульфуризации и конверсии водяного газа.

1. Введение

Водород - самый простой и самый распространенный элемент на Земле. Водород легко соединяется с другими химическими элементами и всегда находится в составе другого вещества, такого как вода, углеводород или спирт. Водород также содержится в природной биомассе, в которую входят растения и животные. По этой причине рассматривается как энергоноситель , а не как источник энергии.

Водород можно производить с использованием различных внутренних ресурсов, включая ядерную энергию, природный газ и уголь, биомассу и другие возобновляемые источники.К последним относятся солнечная, ветровая, гидроэлектрическая или геотермальная энергия. Такое разнообразие внутренних источников энергии делает водород перспективным энергоносителем и важным для энергетической безопасности. Желательно, чтобы водород производился с использованием различных ресурсов и технологических процессов или способов. Производство водорода может быть достигнуто с помощью различных технологических процессов, включая термические (риформинг природного газа, переработка возобновляемых жидкостей и бионефти, биомасса и газификация угля), электролитические (разделение воды с использованием различных энергетических ресурсов) и фотолитические (разделение воды. использование солнечного света через биологические и электрохимические материалы).

Годовое производство водорода оценивается примерно в 55 миллионов тонн, при этом его потребление увеличивается примерно на 6% в год. Водород можно производить разными способами из широкого спектра исходного сырья. В настоящее время водород в основном производится путем паровой конверсии природного газа, процесса, который приводит к массовым выбросам парниковых газов [1, 2]. Около 50% мирового спроса на водород в настоящее время генерируется за счет парового риформинга природного газа, около 30% - за счет риформинга нефти / нафты из отходящих газов нефтеперерабатывающих заводов / химической промышленности, 18% - за счет газификации угля, 3.9% от электролиза воды и 0,1% от других источников [3]. Электролитические и плазменные процессы демонстрируют высокую эффективность производства водорода, но, к сожалению, они считаются энергоемкими [4].

Фундаментальный вопрос заключается в разработке технологий производства водорода, альтернативных технологиям, основанным на ископаемом топливе, особенно для его использования в качестве топлива в транспортном секторе. С этой проблемой можно столкнуться при использовании альтернативных возобновляемых ресурсов и связанных с ними методов производства, таких как газификация или пиролиз биомассы, электролитический, фотолитический и термический крекинг воды.Однако невозможно рассматривать только экологическую перспективу, поскольку, например, фотолитический крекинг воды является экологически безопасным, но его эффективность для промышленного использования очень низка. Таким образом, очевидно, что процессы, которые необходимо учитывать, должны учитывать не только экологические проблемы, но и наиболее благоприятные экономические факторы.

2. Водород из ископаемого топлива

Технологии переработки ископаемого топлива преобразуют водородсодержащие материалы, полученные из ископаемых видов топлива, таких как бензин, углеводороды, метанол или этанол, в поток газа, обогащенного водородом.Сегодня переработка метана (природного газа) в качестве топлива является наиболее распространенной коммерческой технологией производства водорода. Большинство ископаемых видов топлива содержат определенное количество серы, удаление которой является важной задачей при планировании водородной экономики. В результате будет обсужден также процесс обессеривания. Кроме того, будет представлена ​​недавно разработанная многообещающая технология плазменного риформинга.

Водородный газ можно производить из углеводородного топлива с помощью трех основных технологий: (i) паровой риформинг (SR), (ii) частичное окисление (POX) и (iii) автотермический риформинг (ATR).Эти технологии производят большое количество оксида углерода (CO). Таким образом, на последующем этапе один или несколько химических реакторов используются для значительного превращения CO в диоксид углерода (CO 2 ) посредством конверсии водяного газа (WGS) и реакций предпочтительного окисления (PrOx) или метанирования, которые описаны ниже. .

2.1. Паровой риформинг

Паровой риформинг в настоящее время является одним из наиболее распространенных и в то же время наименее дорогих процессов производства водорода [5]. Его преимущество заключается в высокой эффективности его работы и низких эксплуатационных и производственных затратах.Наиболее часто используемым сырьем являются природный газ и легкие углеводороды, метанол и другие кислородсодержащие углеводороды [6]. Схема реакций риформинга углеводородов и метанола, используемых в качестве сырья, следующая [7]:

Весь процесс состоит из двух этапов. На первом этапе углеводородное сырье смешивается с паром и подается в трубчатый каталитический реактор [8]. Во время этого процесса синтез-газ (газовая смесь H 2 / CO) производится с более низким содержанием CO 2 ((1) и (2)).Необходимая температура реакции достигается добавлением кислорода или воздуха для сжигания части исходного материала (греющего газа) внутри реактора. На втором этапе охлажденный газообразный продукт подается в каталитический нейтрализатор СО, где монооксид углерода в значительной степени превращается с помощью пара в диоксид углерода и водород (3). Каталитический процесс парового риформинга требует сырья, свободного от серосодержащих соединений, чтобы избежать дезактивации используемого катализатора.

Процесс SR требует умеренных температур, например, 180 ° C для метанола и кислородсодержащих углеводородов и более 500 ° C для большинства обычных углеводородов [9, 10].Используемые катализаторы можно разделить на два типа: неблагородные металлы (обычно никель) и драгоценные металлы из элементов VIII группы (обычно платина или родий). Из-за серьезных ограничений массо- и теплопередачи обычные установки парового риформинга ограничены коэффициентом эффективности гранулированных катализаторов, который обычно составляет менее 5% [11]. Таким образом, кинетика редко является ограничивающим фактором для обычных реакторов парового риформинга [12], и, следовательно, в промышленности используются менее дорогие никелевые катализаторы.

Важным фактором, характеризующим процесс SR, является соотношение атомов H: C в исходном материале. Чем выше это соотношение, тем меньше выделяется углекислый газ. Мембранный реактор может заменить оба реактора в обычном процессе SR для достижения общей реакции (2) [13]. Тепловая эффективность производства водорода с помощью SR процесса метана в промышленных масштабах составляет около 70–85% [14]. Ряд других видов сырья также возможно для достижения этой эффективности в ближайшем будущем, например, твердые коммунальные отходы, отходы пищевой промышленности, масла, целенаправленно выращиваемая или отработанная сельскохозяйственная биомасса и топливо ископаемого происхождения, такое как уголь.Недостатком является высокое производство CO 2 , ок. 7,05 кг CO 2 / кг H 2 .

2.2. Частичное окисление

Частичное окисление (POX) и каталитическое частичное окисление (CPOX) углеводородов было предложено для производства водорода для автомобильных топливных элементов и некоторых других коммерческих приложений [15, 16]. Газифицированное сырье может представлять собой метан и биогаз, но в первую очередь тяжелые нефтяные фракции (например, вакуумные остатки, топочный мазут), дальнейшая обработка и утилизация которых затруднены [17].POX - это некаталитический процесс, при котором сырье газифицируется в присутствии кислорода ((5) и (6)) и, возможно, пара ((7), ATR) при температурах в диапазоне 1300-1500 ° C и давлениях в диапазон 3–8 МПа. По сравнению с паровым риформингом (H 2 : CO = 3: 1) образуется больше CO (H 2 : CO = 1: 1 или 2: 1). Таким образом, процесс дополняется превращением CO с паром в H 2 и CO 2 . Эта реакция способствует поддержанию равновесия между отдельными продуктами реакции [18]:

Газовая смесь, образованная в результате частичного окисления, содержит CO, CO 2 , H 2 O, H 2 , CH 4 , сероводород (H 2 S) и оксисульфид углерода (COS).Часть газа сжигается, чтобы обеспечить достаточно тепла для эндотермических процессов. Сажа, образующаяся при разложении ацетилена как промежуточного продукта, является нежелательным продуктом. Его количество зависит от доли H: C в исходном топливном сырье. Поэтому, как и в случае с SR, была предпринята попытка перейти на сырье с более высоким соотношением H: C, например, на природный газ. Хотя эксплуатация реактора дешевле по сравнению с паровым риформингом, последующая конверсия делает эту технологию более дорогой.Поскольку процесс не требует использования катализатора, нет необходимости удалять сернистые элементы из природного газа, что снижает эффективность катализатора. Сернистые соединения, содержащиеся в газифицированном сырье, превращаются в сероводород (около 95%) и оксисульфид углерода (около 5%) [19].

Катализаторы могут быть добавлены в систему частичного окисления (CPOX) для снижения рабочей температуры, прибл. 700–1000 ° С. Однако контроль температуры оказывается затруднительным из-за образования кокса и горячих точек из-за экзотермического характера реакций [10, 15, 16, 20].Для конверсии природного газа катализаторы обычно основаны на Ni или Rh. Однако никель сильно склонен к коксованию, и стоимость Rh значительно выросла. Krummenacher et al. [16] удалось использовать каталитическое парциальное окисление декана, гексадекана и дизельного топлива. Высокие рабочие температуры (> 800 ° C) [16] и соображения безопасности могут затруднить их использование в практичных и компактных портативных устройствах из-за терморегулирования [21]. Обычно тепловой КПД реакторов POX с метаном в качестве топлива находится в диапазоне 60–75% [22].

2.3. Автотермический риформинг

Как упоминалось ранее, в автотермическом риформинге (ATR) пар добавляется в процессе каталитического частичного окисления. ATR представляет собой комбинацию реакций парового риформинга (эндотермических) и частичного окисления (экзотермических) [23]. Преимущество ATR состоит в том, что он не требует внешнего тепла, а также проще и дешевле, чем SR метана.

Диапазон работы топливного процессора для производства водорода показан на рисунке 1. Выбор условий работы установки риформинга зависит от конкретной цели.Основная цель - высокий выход водорода при низком содержании окиси углерода. Максимальный водородный КПД и низкое содержание окиси углерода возможны для парового риформинга. Однако паровой риформинг - это эндотермический процесс и, следовательно, требует больших затрат энергии. Эта энергия должна быть передана в систему извне.


Еще одно существенное преимущество ATR по сравнению с процессом SR состоит в том, что он может быть остановлен и запущен очень быстро, производя при этом большее количество водорода, чем только POX [23].Есть некоторые ожидания, что этот процесс станет привлекательным для отрасли «газ-жидкость» из-за благоприятного состава газа для синтеза Фишера-Тропша, относительной компактности ATR, более низких капитальных затрат и возможности экономии за счет масштаба [24]. Для риформинга метана термический КПД сопоставим с КПД POX (примерно 60–75%) и немного меньше, чем у парового риформинга. Бензин и другие высшие углеводороды могут быть преобразованы в водород на борту для использования в автомобилях с помощью автотермического процесса с использованием подходящих катализаторов [25].

2.4. Сдвиг вода-газ, предпочтительное окисление и метанирование

В процессе риформинга образуется смесь продуктового газа со значительными концентрациями окиси углерода, часто 5 об.% Или более (около 10 об.%) [10]. Чтобы увеличить количество водорода, газообразный продукт пропускают через реактор конверсии водяного газа (WGS), чтобы уменьшить содержание монооксида углерода и в то же время увеличить содержание водорода (3). Обычно желательна высокая температура, чтобы способствовать быстрой кинетике.Однако это приводит к высокой равновесной селективности по монооксиду углерода и снижению выхода водородного продукта. Таким образом, снижение содержания CO в синтез-газе достигается в двухстадийном процессе, который включает высоко- и низкотемпературную реакцию конверсии водяного газа, известную как процессы «HTS» и «LTS», соответственно (рис. 2). . На первом этапе, проводимом в интервале 310–450 ° C с использованием катализатора Fe 3 O 4 / Cr 2 O 3 , концентрация СО снижается с 10 до 3 об.%.На втором этапе, проводимом в диапазоне 180–250 ° C, содержание CO дополнительно снижается до низкого уровня 500 ppm с использованием катализаторов Cu / ZnO / Al 2 O 3 [26].


Для дальнейшего снижения содержания монооксида углерода в газообразном продукте используется реактор преференциального окисления (PrOx) или реактор селективного метанирования моноксида углерода [10, 27]. Иногда вместо предпочтительного окисления используется термин «селективное окисление». Селективное окисление относится к восстановлению моноксида углерода в топливном элементе, обычно топливном элементе с протонообменной мембраной (PEM), тогда как предпочтительное окисление происходит в реакторе вне топливного элемента [27].Реакторы PrOx и метанирования имеют свои преимущества и проблемы. Реактор первичного окисления увеличивает сложность системы, поскольку в систему необходимо добавлять точные концентрации воздуха [10, 27]. Однако эти реакторы компактны, и если вводится избыточное количество воздуха, некоторое количество водорода сгорает.

Реакторы метанирования проще в том, что не требуется воздуха. Однако на каждый прореагировавший CO расходуется три молекулы H 2 . Кроме того, CO 2 реагирует с водородом, и необходимо поддерживать тщательный контроль условий в реакторе, чтобы свести к минимуму ненужное потребление водорода.В настоящее время преимущественное окисление является основным разрабатываемым методом [27]. Катализаторы обычно представляют собой благородные металлы, такие как платина, рутений или родий, нанесенные на Al 2 O 3 [10, 27]. В то же время H 2 очищается с помощью альтернативных подходов, а именно адсорбции при переменном давлении, криогенной дистилляции и мембранных технологий, которые могут обеспечить необходимую чистоту водорода (примерно 98-99%). Наиболее выгодным методом очистки газов является адсорбция при переменном давлении из-за его высокой эффективности (> 99.99%) и гибкость.

2,5. Десульфуризация

Как обсуждалось ранее, в настоящее время производство водорода происходит в основном за счет переработки природного газа, хотя благодаря значительным достижениям в топливных элементах повышенное внимание уделяется другим видам топлива, таким как метанол, пропан, бензин и логистическим топливам, таким как как Jet-A, дизель и JP8 [28]. За исключением метанола, все эти виды топлива содержат некоторое количество серы, причем конкретные серосодержащие соединения зависят от типа топлива и источника.По этой причине обессеривание считается очень важным этапом в технологиях переработки топлива.

Процессы обессеривания можно классифицировать в зависимости от характера основного физико-химического процесса, используемого для удаления серы (рис. 3). Наиболее развитыми и коммерчески доступными являются технологии каталитического превращения сероорганических соединений с удалением серы. Такие технологии каталитической конверсии включают обычную гидродесульфуризацию (HDS), гидроочистку с использованием усовершенствованных катализаторов и / или конструкции реакторов, а также комбинацию гидроочистки с некоторыми дополнительными химическими процессами для поддержания технических характеристик топлива [29, 30].Основной особенностью технологий второго типа является применение физико-химических процессов, отличных по природе от каталитического HDS, для отделения и / или преобразования сероорганических соединений из потоков нефтепереработки. Такие технологии включают, в качестве ключевого шага, дистилляцию, алкилирование, окисление, экстракцию, адсорбцию или их комбинацию [31].


2.6. Плазменный риформинг

В случае плазменного риформинга сеть реакций риформинга такая же, как и при обычном риформинге.Однако энергия и свободные радикалы, используемые для реакции риформинга, предоставляются плазмой, обычно генерируемой с помощью электричества или тепла [32–35]. Когда вода или пар впрыскиваются вместе с топливом, помимо электронов образуются радикалы H , OH и O , что создает условия для протекания как восстановительных, так и окислительных реакций. . Технологии плазменного риформинга были разработаны для облегчения POX, ATR и парового риформинга, при этом большинство реакторов являются POX и ATR [35].По сути, существует две основные категории плазменного риформинга: термический и нетепловой [35].

Плазменные устройства, называемые плазмотронами, могут генерировать очень высокие температуры (примерно> 2000 ° C) с высокой степенью контроля с помощью электричества [32–35]. Вырабатываемое тепло не зависит от химического состава реакции, и оптимальные рабочие условия могут поддерживаться в широком диапазоне скоростей подачи и состава газа. Компактность установки плазменного риформинга обеспечивается высокой плотностью энергии, связанной с самой плазмой, и уменьшенным временем реакции, что приводит к короткому времени пребывания.Газовые потоки, обогащенные водородом, могут быть эффективно получены в установках плазменного риформинга из различных углеводородных топлив (например, бензина, дизельного топлива, нефти, биомассы, природного газа и реактивного топлива) с эффективностью преобразования, близкой к 100% [32, 36]. Технология плазменного риформинга имеет потенциальные преимущества перед традиционными технологиями производства водорода [32–35]. Условия плазмы (например, высокие температуры, высокая степень диссоциации и значительная степень ионизации) могут использоваться для ускорения термодинамически благоприятных химических реакций без катализатора или обеспечения энергии, необходимой для протекания процессов эндотермического риформинга.Установки плазменного риформинга могут обеспечить ряд преимуществ, а именно компактность и малый вес (благодаря высокой удельной мощности), высокую эффективность преобразования, минимальную стоимость (простые металлические или угольные электроды и простые источники питания), быстрое время отклика (доли секунды), работа с широким спектром видов топлива, включая тяжелые углеводороды (сырье) и «грязные» углеводороды (дизельное топливо с высоким содержанием серы). Эта технология может быть использована для производства водорода для различных стационарных применений, таких как распределенное производство электроэнергии с низким уровнем загрязнения для топливных элементов [32].Его также можно использовать для мобильных приложений (например, для производства водорода на борту транспортных средств с топливными элементами) и для заправки топливом (например, стационарных источников водорода для транспортных средств).

Единственными недостатками плазменного риформинга являются зависимость от электричества и сложность работы при высоком давлении (требуется для процессов высокого давления, таких как производство аммиака). Высокое давление, хотя и достижимо, увеличивает эрозию электрода из-за снижения подвижности дуги и, следовательно, сокращает срок службы электрода [33].

3. Водород из возобновляемых источников

Водород может также производиться другими методами, кроме риформинга ископаемого топлива. Краткое описание подходов на основе биомассы (например, газификации, пиролиза и реформинга водной фазы) наряду с получением водорода из воды (например, электролиз, фотоэлектролиз и термохимическое расщепление воды) описано ниже.

3.1. Газификация биомассы

Ожидается, что в ближайшем будущем биомасса станет наиболее вероятным возобновляемым органическим заменителем нефти.Биомасса доступна из широкого спектра источников, таких как отходы животноводства, твердые бытовые отходы, растительные остатки, древесные культуры с коротким севооборотом, сельскохозяйственные отходы, опилки, водные растения, виды травянистых растений с коротким оборотом (например, гренки), макулатура, кукуруза. и многие другие [37, 38].

Технология газификации, обычно используемая с биомассой и углем в качестве топливного сырья, очень зрелая и коммерчески используется во многих процессах. Это разновидность пиролиза, и поэтому он основан на частичном окислении исходного материала до смеси водорода, метана, высших углеводородов, монооксида углерода, диоксида углерода и азота, известной как «генераторный газ» [37].Процесс газификации обычно страдает низкой тепловой эффективностью, поскольку влага, содержащаяся в биомассе, также должна испаряться. Его можно проводить с катализатором или без него, а также в реакторе с неподвижным или псевдоожиженным слоем, причем последний реактор обычно имеет лучшие характеристики [38]. Добавление пара и / или кислорода в процессе газификации приводит к получению «синтез-газа» с соотношением H 2 / CO 2/1, последний используется в качестве сырья для реактора Фишера-Тропша для получения высших углеводородов (синтетических бензин и дизельное топливо) или в реактор WGS для производства водорода [38].Перегретый пар (около 900 ° C) использовался для преобразования сухой биомассы для достижения высоких выходов водорода. Однако процесс газификации дает значительные количества «смол» (сложная смесь высших ароматических углеводородов) в газообразном продукте даже при работе в диапазоне 800–1000 ° C. Вторичный реактор, в котором используется кальцинированный доломит и / или никелевый катализатор, используется для каталитической очистки и повышения качества получаемого газа [38]. В идеале на этих газификационных установках следует использовать кислород; однако установка отделения кислорода является непомерно высокой для малых предприятий.Это ограничивает газификаторы использованием воздуха, что приводит к значительному разбавлению продукта, а также к образованию NO x . Для этой технологии необходимы недорогие и эффективные кислородные сепараторы. Для производства водорода можно использовать процесс WGS для увеличения концентрации водорода с последующим процессом разделения для получения чистого водорода [39]. Обычно реакторы газификации строятся в больших масштабах и требуют непрерывной подачи огромного количества материала. Они могут достичь КПД порядка 35–50% в зависимости от более низкой теплотворной способности [4].Одна из проблем этой технологии заключается в том, что необходимо использовать огромное количество ресурсов для сбора большого количества биомассы на центральную перерабатывающую установку. В настоящее время высокие логистические затраты на установку газификации и удаление «смол» до приемлемого уровня для производства чистого водорода ограничивают коммерциализацию производства водорода на основе биомассы. В будущем для этой технологии может потребоваться разработка небольших эффективных установок распределенной газификации для рентабельного производства водорода.

3.2. Пиролиз и копиролиз

Еще одним перспективным в настоящее время способом получения водорода является пиролиз или копиролиз. Органическое сырье нагревается и газифицируется при давлении 0,1–0,5 МПа в диапазоне 500–900 ° C [40–43]. Процесс протекает в отсутствие кислорода и воздуха, поэтому образование диоксинов практически исключено. Поскольку вода или воздух отсутствуют, оксиды углерода (например, CO или CO 2 ) не образуются, что устраняет необходимость во вторичных реакторах (WGS, PrOx и т. Д.)). Следовательно, этот процесс обеспечивает значительное сокращение выбросов. Однако, если присутствует воздух или вода (материалы не были высушены), будут произведены значительные выбросы CO x . Среди преимуществ этого процесса - топливная гибкость, относительная простота и компактность, чистый побочный продукт углерода и сокращение выбросов CO x [40–43]. Реакцию в общем можно описать следующим уравнением: [41]

По температурному диапазону процессы пиролиза делятся на низкие (до 500 ° C), средние (500–800 ° C) и высокие (более 800 ° C).Быстрый пиролиз - один из новейших процессов преобразования органических материалов в продукты с более высоким содержанием энергии. Продукты быстрого пиролиза появляются во всех образующихся фазах (твердой, жидкой и газообразной). Одной из проблем, связанных с этим подходом, является возможность загрязнения образующимся углеродом, но его сторонники утверждают, что это можно минимизировать с помощью соответствующей конструкции. Поскольку он имеет потенциал для более низких выбросов CO и CO 2 и его можно использовать таким образом, чтобы извлекать значительное количество твердого углерода, который легко улавливается [41, 44], пиролиз может играть важную роль. в будущем.

Применение копиролиза смеси угля с органическими отходами недавно вызвало интерес в промышленно развитых странах, так как оно должно ограничить и облегчить бремя отходов при удалении отходов (отходы и чистые пластмассы, резина, целлюлоза, бумага, текстиль, дерево) [45, 46]. Пиролиз и копиролиз - это хорошо разработанные процессы, которые можно использовать в промышленных масштабах.

3.3. Риформинг в водной фазе

Риформинг в водной фазе (APR) - это разрабатываемая технология для обработки кислородсодержащих углеводородов или углеводов возобновляемых ресурсов биомассы для производства водорода [47, 48], как показано на Рисунке 4.Реакции APR протекают при значительно более низких температурах (220–270 ° C), чем при традиционном паровом риформинге алкана (около 600 ° C). Низкие температуры, при которых протекают реакции реформинга в водной фазе, сводят к минимуму нежелательные реакции разложения, обычно встречающиеся при нагревании углеводов до повышенных температур [49, 50]. Кроме того, реакция конверсии водяного газа (WGS) благоприятна при тех же температурах, что и в реакциях APR, что позволяет генерировать H 2 и CO 2 в одном реакторе с низкими количествами CO.Напротив, типичные процессы парового риформинга требуют многоступенчатых или нескольких реакторов для достижения низких уровней CO в газообразном продукте. Другое преимущество процесса APR состоит в том, что он устраняет необходимость испарения воды, что представляет собой значительную экономию энергии по сравнению с обычными процессами парофазного риформинга с водяным паром. Большая часть исследований до настоящего времени была сосредоточена на катализаторах группы VIII на носителе, в которых Pt-содержащие твердые вещества имеют наивысшую каталитическую активность. Катализаторы на никелевой основе, несмотря на их более низкую активность, оценивались из-за низкой стоимости никеля [47].Сторонники этой технологии заявляют, что эта технология более удобна для эффективного и избирательного преобразования сырья биомассы в водород. Для глюкозы и гликолей сообщалось о концентрациях 10-60 мас.% В воде [51]. Выбор катализатора важен, чтобы избежать метанирования, которое является термодинамически выгодным, наряду с продуктами Фишера-Тропша, такими как пропан, бутан и гексан [48, 52]. Недавно Rozmiarek [53] сообщил о процессе на основе риформинга в водной фазе, который достиг эффективности более 55% при использовании исходного материала, состоящего из 60 мас.% Глюкозы в воде.Однако катализатор оказался нестабильным при длительных испытаниях (200 дней работы) [53]. Наконец, из-за умеренного выхода за пределы пространства-времени эти реакторы имеют тенденцию быть довольно большими. Повышение активности и долговечности катализатора - это область, в которой можно добиться значительного прогресса.


3.4. Электролиз

Перспективным методом производства водорода в будущем может стать электролиз воды. В настоящее время этим процессом производится около 4% водорода во всем мире [2].Электролиз воды или ее разложение на водород и кислород - хорошо известный метод, который начали коммерчески использовать уже в 1890 году.

Электролиз - это процесс, при котором постоянный ток, проходящий через два электрода в водном растворе, приводит к разрушению химических связей, присутствующих в молекуле воды, на водород и кислород:

Процесс электролиза происходит при комнатной температуре. Обычно при электролизе воды используется серная кислота, а электроды - из платины (Pt), которая не вступает в реакцию с серной кислотой.Этот процесс экологически чистый, поскольку не образуются парниковые газы, а производимый кислород находит дальнейшее промышленное применение. Однако по сравнению с описанными выше способами электролиз является технологией, требующей высоких энергозатрат.

Энергетическая эффективность электролиза воды (химическая энергия, получаемая на одну поданную электрическую энергию) на практике достигает 50–70% [54]. По сути, это преобразование электрической энергии в химическую энергию в виде водорода с кислородом в качестве полезного побочного продукта.Наиболее распространенной технологией электролиза является щелочная технология, но были разработаны протонообменная мембрана (PEM) и твердооксидные электролизные ячейки (SOEC) [55, 56]. Электролизеры SOEC являются наиболее электрически эффективными, но наименее развитыми. Технология SOEC имеет проблемы с коррозией, уплотнением, термоциклированием и миграцией хрома. Электролизеры PEM более эффективны, чем щелочные, и не имеют проблем с коррозией и уплотнением, как SOEC; однако они стоят дороже, чем щелочные системы. Щелочные системы являются наиболее развитыми и имеют самые низкие капитальные затраты.У них самый низкий КПД, поэтому у них самая высокая стоимость электроэнергии.

3.5. Фотоэлектролиз

Фотоэлектролиз - один из возобновляемых способов производства водорода, демонстрирующий многообещающую эффективность и стоимость, хотя он все еще находится в стадии экспериментальной разработки [57]. В настоящее время это наименее затратный и наиболее эффективный способ получения водорода из возобновляемых источников. Фотоэлектрод - это полупроводниковый прибор, поглощающий солнечную энергию и одновременно создающий необходимое напряжение для прямого разложения молекулы воды на кислород и водород.Фотоэлектролиз использует фотоэлектрохимическую (PEC) систему сбора света для проведения электролиза воды. Если полупроводниковый фотоэлектрод погружен в водный электролит, подвергающийся воздействию солнечного излучения, он будет генерировать достаточно электроэнергии, чтобы поддерживать возникающие реакции водорода и кислорода. При генерации водорода электроны выделяются в электролит, тогда как для генерации кислорода требуются свободные электроны. Реакция зависит от типа полупроводникового материала и от интенсивности солнечного излучения, которая обеспечивает плотность тока 10–30 мА / см 2 .При этих плотностях тока необходимое для электролиза напряжение составляет примерно 1,35 В.

Фотоэлектрод состоит из фотоэлектрических (полупроводниковых), каталитических и защитных слоев, которые можно моделировать как независимые компоненты [58]. Каждый слой влияет на общую эффективность фотоэлектрохимической системы. Фотогальванический слой изготовлен из светопоглощающих полупроводниковых материалов. Поглощение света полупроводниковым материалом прямо пропорционально характеристикам фотоэлектрода.Полупроводники с широкими полосами обеспечивают необходимый потенциал для расщепления воды [54].

Каталитические слои фотоэлектрохимического элемента также влияют на характеристики электролиза и требуют подходящих катализаторов для расщепления воды. Слой оболочки - еще один важный компонент фотоэлектрода, который предотвращает коррозию полупроводника внутри водного электролита. Этот слой должен быть высокопрозрачным, чтобы обеспечивать максимальную солнечную энергию, чтобы он мог достигать фотоэлектрического полупроводникового слоя.

3.6. Термохимическое расщепление воды

Термохимические циклы разрабатывались еще с 1970-х и 1980-х годов, когда они должны были внести свой вклад в поиск новых источников производства альтернативных видов топлива во время нефтяного кризиса. При термохимическом расщеплении воды, также называемом термолизом, только тепло используется для разложения воды на водород и кислород [59]. Считается, что с помощью этих процессов можно достичь общей эффективности, близкой к 50% [60].

Одноступенчатая термическая диссоциация воды описывается следующим образом:

Один из недостатков этого процесса связан с необходимостью эффективной техники разделения H 2 и O 2 , чтобы избежать образования взрывоопасной смеси.Для этого могут быть использованы полупроницаемые мембраны на основе ZrO 2 и других жаропрочных материалов. Разделение также может быть достигнуто после охлаждения газовой смеси продукта до более низких температур. Затем для эффективного отделения водорода можно использовать палладиевые мембраны.

Хорошо известно, что вода будет разлагаться при 2500 ° C, но материалы, стабильные при этой температуре, а также устойчивые источники тепла нелегко найти. Поэтому были предложены химические реагенты для понижения температуры, тогда как в литературе упоминается более 300 циклов расщепления воды [61].Все процессы значительно снизили рабочую температуру до уровня ниже 2500 ° C, но обычно требуют более высокого давления. Однако считается, что масштабирование процессов может привести к повышению термического КПД, преодолевая одну из основных проблем, с которыми сталкивается эта технология. Кроме того, лучшее понимание взаимосвязи между капитальными затратами, термодинамическими потерями и термической эффективностью процесса может привести к снижению затрат на производство водорода [60].

4. Экономические аспекты производства водорода

В настоящее время наиболее широко используемым и дешевым методом производства водорода является паровой риформинг метана (природного газа) .Этот метод включает около половины мирового производства водорода, а цена на водород составляет около 7 долларов за ГДж. Сравнимую цену на водород обеспечивает частичное окисление углеводородов. Однако парниковые газы, образующиеся в результате термохимических процессов, необходимо улавливать и хранить, и, таким образом, следует учитывать увеличение цены на водород на 25–30% [62].

Используемые далее термохимические процессы включают газификацию и пиролиз биомассы. Цена на водород, полученный таким образом, примерно в три раза выше, чем цена на водород, полученный методом SR.Следовательно, эти процессы обычно не считаются экономически выгодными по сравнению с паровым риформингом. Цена на водород от газификации биомассы колеблется в пределах 10–14 долларов США за ГДж, на пиролиз - 8,9–15,5 долларов США за ГДж. Это зависит от оборудования, наличия и стоимости сырья [1].

Электролиз воды - одна из самых простых технологий получения водорода без побочных продуктов. Электролитические процессы можно отнести к категории высокоэффективных. С другой стороны, стоимость входящего электричества относительно высока и играет ключевую роль в цене получаемого водорода.

К 2030 году преобладающими методами производства водорода будут паровой риформинг природного газа и катализируемая газификация биомассы . В относительно небольшой степени будут использоваться как газификация угля, так и электролиз. Использование солнечной энергии в данном контексте сомнительно, но также возможно. Вероятно, к 2050 году роль солнечной энергии возрастет [1].

5. Выводы

Существует огромное количество исследований, направленных на развитие технологий производства водорода (H 2 ).В настоящее время наиболее развитой и используемой технологией является риформинг углеводородов. Чтобы уменьшить зависимость от ископаемого топлива, рассматриваются значительные разработки в других технологиях производства H 2 из возобновляемых ресурсов, таких как биомасса и вода. В таблице 1 представлены технологии, а также их использованное сырье и полученная эффективность. Важно отметить, что H 2 можно производить из широкого разнообразия сырья, доступного почти повсюду. В стадии разработки находится множество процессов с минимальным воздействием на окружающую среду.Развитие этих технологий может снизить зависимость мира от топлива, поступающего в основном из нестабильных регионов. «Собственное» производство H 2 может повысить как энергетическую, так и экономическую безопасность страны. Способность H 2 производиться из широкого разнообразия сырья и с использованием самых разных процессов может сделать каждый регион мира способным производить большую часть своей собственной энергии. Очевидно, что по мере развития и развития технологий H 2 может оказаться наиболее распространенным доступным топливом.


Технология Сырье Эффективность Срок погашения

Паровой риформинг 9022 905 Обзор Hy Водородная связь

Hydrogen Link - исследовательская компания из Канады, разрабатывающая новые материалы, катализаторы и процессы синтеза для возобновляемых и экологически безопасных технологий.Он уделяет большое внимание принципам зеленой химии, которые направлены на устранение токсичных и неустойчивых реагентов и растворителей при разработке экологически безопасных альтернатив


Оксикатализатор, гранулят

Среди разработанных технологий, Catalytic Advanced Oxidation (с использованием нашего запатентованного гетерогенного оксикатализатора ) становится мощным окислительным методом для очистки сточных вод, улучшения органической массы и многих других экологически безопасных процессов.

Наша текущая деятельность сосредоточена в следующих областях:

  • Разработка передовых нанокатализаторов
  • Специальные реагенты, катализаторы и материалы для устойчивых, экологически чистых технологий
  • Синтез и методы производства новых «зеленых» материалов и процессов
  • Производство кислорода методы
  • Производство водорода методы и Хранение водорода в металлогидридах

Микроструктура оксикатализатора

Hydrogen Link разрабатывает свои продукты и процессы в сотрудничестве с лидерами отрасли.Посредством договорного спонсорства и лицензирования, а также в сотрудничестве с партнерами мы интегрируем наши инновационные решения в устойчивую и экологически безопасную экономику.

Hydrogen Link владеет значительным пакетом интеллектуальной собственности в области новых материалов, катализаторов и процессов синтеза.


Пожалуйста, свяжитесь с нами с вопросами, касающимися сотрудничества и покупки наших катализаторов: Контакт для запросов или [email protected]


Нанокатализаторы окисления и гидрирования

Среди основных достижений исследователей Hydrogen Link - разработка семейства уникальных запатентованных нанокатализаторов , которые действуют как исключительные помощники во множестве реакций и процессов.Эти сложные каталитические материалы имеют запатентованное координационное устройство, которое подчеркивает новую концепцию сложных межатомных взаимодействий между реагентами и катализатором. Эта концепция позволяет разработать конкретную каталитическую композицию для конкретных реакций, подчеркивая универсальность состава и свойств получаемых нанокаталитических соединений.


Микроструктура нанокристаллов

Нанокатализаторы Hydrogen Link (которые на практике представляют множество возможных комбинаций конкретных молекулярных структур) разделены на две основные функциональные группы:

  • Соединения оксикатализатора - используются в окислительных реакциях, таких как каталитическое расширенное окисление
  • Гидрокатализатор Соединения, используемые в реакциях гидрирования и переноса водорода

Наши каталитические материалы демонстрируют выдающуюся эффективность в обеспечении или улучшении переноса водорода в этих реакциях либо за счет снижения энергии активации перемещения или обмена водорода, либо за счет образования одного из наиболее мощных окислительных частиц - гидроксильных радикалов.


Гранулят оксикатализатора для усовершенствованного каталитического окисления

Этот новый класс катализаторов может облегчить или активизировать многие реакции, в частности:

  • множество реакций окисления, из которых является основным средством окисления
  • гидрирование и дегидрирование широкого спектра соединений, включая простые и сложные гидриды металлов, углеводороды и различные органические соединения, риформинг углеводородов, спиртов, полимеризация, крекинг и т. Д.
  • электрохимические реакции , включая анодные и катодные реакции, электролиз воды и солей,
  • реакции в топливных элементах
  • восстановление / окисление

Каталитическое расширенное окисление основано на использовании катализатора для образования гидроксильных радикалов в окислительном процессе. Этот подход особенно выгоден с экологической точки зрения, когда перекись водорода (H 2 O 2 ) используется в качестве источника окислительных частиц.При перекиси водорода образуется только воды, а в качестве конечного продукта разложения - кислород , и поэтому это уникальный экологически чистый метод окислительной дезактивации и очистки сточных вод. Альтернативные подходы к очистке или дезинфекции воды и воздуха, которые включают хлорирование или отбеливание гипохлоратом натрия NaOCl, сами по себе являются агрессивным и токсичным вкладом, поскольку могут выделять газообразный хлор при растворении в воде (что может быть смертельным при вдыхании).


Органические сточные воды (зеленые водоросли), обработанные каталитическим усовершенствованным окислением

Каталитическое усовершенствованное оксидирование , можно традиционно проводить с использованием гомогенных катализаторов (каталитических солей, растворимых в воде, например, реактива Фентона или органических соединений марганца). Оксикатализаторы Hydrogen Link представляют собой другой подход, потому что они ГЕТЕРОГЕННЫЕ катализаторы (твердотельные катализаторы) . Эти материалы (в форме порошка или гранул) не растворяются в сточных водах и остаются в твердом состоянии на протяжении всей обработки, будучи готовыми к повторному использованию в последующих процессах без какой-либо необходимости в очистке или повторной активации.Таким образом, гетерогенные катализаторы действительно представляют собой «чистую обработку» без введения дополнительных химикатов (например, солей Фентона) и без добавления самих себя к продуктам реакции. С другой стороны, обычные гомогенные катализаторы (растворимые соли) имеют недостаток, заключающийся в том, что они остаются в водном растворе после обработки (будучи гомогенными, то есть растворимыми), что сводит на нет преимущество перекиси водорода, производящей только кислород и чистую воду.

Другая необычная способность оксикатализаторов заключается в том, что они хорошо работают во всем диапазоне значений pH сточных вод, и исходно нейтральные сточные воды не нуждаются в корректировке pH до сильнокислой среды перед усовершенствованной окислительной обработкой и могут быть переработаны ». как есть".


Обесцвечивание азокрасителей с помощью каталитического усовершенствованного окисления

Критическим преимуществом использования гетерогенных оксикатализаторов Hydrogen Link, разработанных для усовершенствованного окисления, является их исключительная способность производить гидроксильных радикалов , которые обладают необычайной окислительной способностью, превосходящей как озон, так и кислород. , а также хлор. Состав и молекулярная координация катализатора были специально разработаны для способности генерировать гидроксильные радикалы с пероксидом водорода с большой эффективностью.

На данный момент было показано, что наша каталитическая система улучшенного окисления дает отличные результаты при очистке сточных вод , включая обесцвечивание красителей , устранение токсичных химикатов (например, фармацевтических отходов, пестицидов или удобрений) и различных i Промышленные отходы сточных вод, а также очистка сточных вод со свалок , очистка скважин и многих других сложных и токсичных сточных вод.


Очистка сточных вод методом каталитического окисления

Подробнее



Волокна из луба из конопли, обработанные каталитическим усовершенствованным окислением.

Возникающая тенденция и растущий интерес к натуральным целлюлозным волокнам (таким как конопля, лен, кенаф, банан, сизаль, рами) вызывает необходимость разработки экологически чистой и эффективной обработки, позволяя использовать их в текстильных изделиях высокого класса.Обычно механически извлеченные растительные волокна все еще грубые и покрыты значительным количеством лигнинов, камедей, белков, которые необходимо удалить, чтобы получить чистые целлюлозные волокна. Этот процесс называется делигнификацией или рафинированием, который приводит к «хлопонизации» волокна, то есть получению белых, мягких волокон целлюлозы, подходящих для прядения и производства качественной пряжи. Удаление лигнинов без коррозии и разрушения целлюлозы волокон требует эффективного и селективного процесса, который может быть достигнут селективным окислением и последующим удалением лигнинов.

Наш каталитический процесс Advanced Oxidation дает отличные результаты при переработке лубяных волокон для получения чистых, полностью дегуммированных и котонизированных целлюлозных волокон для высококачественного текстиля. С помощью нашего метода каталитического продвинутого окисления были обработаны различные типы лубяных волокон, такие как волокна конопли , льна, банановые волокна , а также рами , кенаф, джут и сизаль.


Волокна из луба из конопли до и после делигнификации и коттонизации. нагревание или давление.Он не требует каких-либо дополнительных агрессивных химикатов для отбеливания или отбеливания (например, агрессивных щелочей, таких как гидроксид натрия), и поэтому он намного более экологически безопасен, чем, например, «щелочное кипячение» или ферментативная обработка.

Подробнее:

Модернизация целлюлозных волокон


Каталитическое производство кислорода из перекиси водорода H 2 O 2 - это простой, недорогой и полностью управляемый процесс.


Каталитическое производство кислорода

Процесс образования кислорода включает следующую реакцию:

2 H 2 O 2 → 2 H 2 O + O 2

Молекула перекиси водорода термодинамически нестабильна и со временем может медленно разлагаться.По этой причине как коммерческие, так и промышленные растворы H 2 O 2 содержат «стабилизаторы», которые позволяют длительное хранение пероксида водорода без разложения. Следовательно, стабилизированная перекись водорода бесполезна для производства кислорода, если она не катализирована.

Катализатор

Hydrogen Link для производства кислорода обеспечивает очень быстрое и контролируемое производство кислорода. Катализатор имеет форму гранулята размером до 5 мм, что удобно и непрерывно с возможностью повторного использования с последующими порциями перекиси водорода.

Подробнее: Каталитическое производство кислорода


Пожалуйста, свяжитесь с нами с вопросами, касающимися сотрудничества и покупки наших катализаторов: Контакт для запросов или [email protected]


В общем, есть два способа производства водорода из водородсодержащих соединений. Один из них - термолиз гидридов, то есть разложение гидрида после нагревания до повышенной температуры (десорбция водорода). Другой метод - получение водорода посредством химической реакции гидридов, например, с водой.В этом случае водород образуется не только из разложившегося гидрида, но также из молекул реагента (например, воды), что значительно увеличивает общее количество производимого водорода.

Эти методы получения водорода называются «необратимыми», потому что разложившуюся молекулу невозможно восстановить в водородсодержащую среду простым воздействием водорода. Таким образом, они отличаются от «обратимого хранения водорода» (характеризующегося повторяющимися циклами гидрирования и дегидрирования).

Термическое разложение гидридов и водородсодержащих соединений

Метод термического разложения требует, чтобы идеальный гидрид для необратимого производства водорода был стабилен при комнатной температуре и разлагался с контролируемой скоростью при температурах от 60 до ° C и 100 ° ° C, в результате чего образовывалось более 5 мас.% водород. Поскольку термическое разложение гидридов напрямую связано с их термодинамикой, среди известных гидридов лишь немногие удовлетворяют указанным выше требованиям, т.е.е. относительно невысокая стабильность и водородная емкость более 5 мас.%. Хотя термодинамические свойства этих соединений кажутся благоприятными для целей низкотемпературного необратимого разложения, их использование в качестве источников водорода до сих пор было неудачным из-за кинетических ограничений, которые перемещают практическую температуру выделения водорода в непрактично высокий диапазон. Было показано, что нанокристаллические катализаторы, разработанные в Hydrogen Link, чрезвычайно эффективны в усилении реакций образования водорода, и этот подход получил дальнейшее развитие в настоящем исследовании.

Реакция гидролиза гидридов

При гидролизе водород образуется в соответствии с реакцией, в которой водород обеспечивается как гидридом, так и молекулой воды. Таким же образом алкоголиз генерирует водород из гидридов и спиртов. Эти реакции исключительно выгодны, когда реагирующая среда (вода) добавляется в месте использования, в то время как транспортировка сухих гидридов очень экономична. В Hydrogen Link производство водорода было развито путем гидролиза необратимых сложных гидридов, которые ранее считались инертными.Эти реакции запускаются запатентованным катализатором Hydrogen Link. Использование таких гидридов, как катализируемый LiBH 4 или катализированные смеси борогидридов щелочных металлов с гидридом магния, максимально увеличивает количество водорода, образующегося при гидролизе, до непревзойденных мощностей

Подробнее


Устойчивое развитие и независимость энергетики от нефти - одна из важнейших задач современного мира. Ожидается, что как возобновляемый носитель энергии водород - особенно в сочетании с источниками гидро-, солнечной и ветровой энергии - станет одним из важнейших компонентов глобальной устойчивой энергетической системы.Водород можно производить из возобновляемой электроэнергии, хранить неограниченное время (в отличие от электроэнергии) и преобразовывать обратно в электрическую энергию с помощью топливных элементов. Топливные элементы вырабатывают электрическую энергию из водорода и кислорода, производя только воду в качестве побочного продукта.

Ключевым преимуществом водорода является высокая плотность энергии, которую обеспечивают системы топливных элементов - более высокая плотность, чем у традиционных аккумуляторных систем. За последние два десятилетия правительства, производители автомобилей, энергетические компании, а также промышленные и коммерческие предприятия изучали и разрабатывали варианты использования водорода в таких приложениях, как автомобили с топливными элементами, внедорожные мобильные приложения, а также распределенные и портативные системы выработки электроэнергии.

Несмотря на то, что в последние годы технология топливных элементов значительно продвинулась вперед, вопрос эффективного и безопасного хранения водорода по-прежнему остается критической, нерешенной проблемой для будущих перспектив развития водорода. В качестве временного решения технология сжатого водорода в настоящее время используется в демонстрациях и прототипах (например, прототипах автомобилей с топливными элементами), где водород сжимается под высоким давлением, приближающимся к 700 бар (10 000 фунтов на квадратный дюйм). Однако такие экстремальные давления не считаются подходящими для широкого использования, и, более того, сжатый газ не является жизнеспособным методом для небольших приложений, поскольку такие резервуары высокого давления нельзя уменьшить в миниатюре.Таким образом, безопасный и эффективный способ хранения водорода представляет собой основную проблему для водородной экономики и особенно для широкого внедрения топливных элементов.

Твердотельное хранилище водорода , в котором используются гидриды, потенциально является идеальным решением для нужд водородной инфраструктуры, обеспечивая эффективное и удобное обращение с водородом и его распределение. Он также представляет собой наиболее эффективный путь для небольших применений топливных элементов с PEM, где он может принимать форму одноразового хранения водорода (необратимые гидриды) или перезаряжаемого хранилища (обратимые гидриды).

Идеальная технология гидрида металла будет иметь высокую емкость (измеряемую в процентах водорода по весу), температурные свойства, не связанные с чрезмерным нагревом, и очень обратимое гидрирование с возможностью длительной цикличности при сохранении полной емкости.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *