 Việc lựa chọn các phương án thu hồi hydro có sẵn hoàn toàn phụ thuộc vào loại nguyên liệu thô được sử dụng để sản xuất nó. Có tính đến sự lan truyền của hydro dưới dạng các hợp chất khác nhau, việc giải phóng nó phải được thực hiện trong các phản ứng phân hủy bằng cách sử dụng các phương pháp hóa học thích hợp: a) Phản ứng phân hủy metan có tạo ra nhiệt độ cao. b) Sự phân hủy của nước cũng phải duy trì nhiệt độ cao. c) Sự phân hủy của hydro sunfua trong điều kiện nhiệt độ cao. d) Khi một kim loại tương tác với một axit (axit clohydric và kẽm). e) Từ natri hiđrua. f) Khai thác từ khí tự nhiên v.v... Việc sản xuất hydrogen ở qui mô công nghiệp được thực hiện theo các qui trình chủ yếu sau: 1. Quá trình điện phân dung dịch nước của muối: 2NaCl + 2H2O → 2NaOH + Cl2 + H2↑ 2. Sự truyền hơi nước ở 1000°C qua than cốc nóng: H2O + C ⇔ CO↑ + H2↑ 3. Phương pháp thu nhận từ khí thiên nhiên: а) Chuyển đổi hơi nước: CH4 + H2O ⇔ CO + 3H2 (ở 1000°C) b) Oxy hóa bằng oxy có sử dụng chất xúc tác: 2CH4 + O2 ⇔ 2CO + 4H2 4. Cải biến và bẻ gẫy (crackinh) các hydrocacbon trong quá trình lọc dầu, trong đó xảy ra quá trình phân hủy các hydrocacbon này. Quá trình crackinh tạo ra nhiều hydro như một sản phẩm phụ. Khi tách hết có thể hydro này khỏi các sản phẩm crackinh khác, không có phương pháp nào khác có thể được sử dụng. Nhưng, thật không may, hydro hiện đang được đốt cháy trong các nhà máy lọc dầu một cách vô ích, cùng với các chất thải crackinh khác. Chất thải này có thể được sử dụng một cách sinh lợi. Việc sản xuất hydro trong điều kiện công nghiệp gắn liền với quá trình tách nó ra khỏi khí tự nhiên, hay nói đúng hơn là từ thành phần chính của nó: metan. Nó được trộn với oxy và hơi nước. Quá trình tách của hydro xảy ra ở nhiệt độ cao. Khi một hỗn hợp các khí này được đun nóng đến 800 ÷ 900°C, phản ứng xảy ra với sự có mặt của chất xúc tác, phản ứng này có thể được biểu diễn dưới dạng một phương trình: 2CH4 + O2 + 2H2O → 2CO2 + 6H2 Sau đó hỗn hợp khí thu được được tách ra. Hydro được giải phóng trong quá trình này được làm sạch và sử dụng tại nơi sản xuất, hoặc được vận chuyển đến nơi mong muốn dưới áp suất cao trong các bình thép. Một phương pháp sản xuất hydro quan trọng không kém trong công nghiệp là tách nó khỏi khí lọc dầu mỏ, hoặc từ khí lò luyện cốc. Nhờ làm lạnh sâu vốn có trong phương pháp này, tất cả các loại khí đều được hóa lỏng, ngoại trừ hydro. Nếu cần thiết, ngành công nghiệp có thể cô đặc hydro bằng cách sử dụng các quy trình khác nhau, như: - Đông lạnh. - Chu kỳ ngắn hạn. - Màng. Chi phí nguyên liệu tiết kiệm hơn và hiệu quả quá trình cao hơn khi cô đặc hydro bằng phương pháp màng lọc. Khi điều chế hydro trong các phòng thí nghiệm, các sản phẩm ban đầu đó được chọn là những sản phẩm có thể giải phóng hydro dễ hơn. Hầu hết hyđro trong phòng thí nghiệm thu được bằng cách điện phân dung dịch nước của KOH, hoặc NaOH. Nồng độ của các dung dịch này được lựa chọn phù hợp với chỉ số độ dẫn điện lớn nhất của chúng (34% đối với KOH và 25% đối với NaOH). Niken tấm thường được sử dụng để sản xuất điện cực, vì nó không bị ăn mòn khi ngâm trong dung dịch kiềm. Quá trình sản xuất hydro, hoặc sự phát triển của nó trong điều kiện phòng thí nghiệm có thể được mô tả trong các phản ứng sau: 1/ Dưới tác dụng của axit với kim loại (axit loãng). Thông thường, kẽm ở dạng hạt và dung dịch axit sulfuric 20÷30% được sử dụng, với việc bổ sung 2÷3 hạt đồng sunfat để đẩy nhanh phản ứng, thường được thực hiện trong thiết bị Kipp.
Hình 1.Thiết bị Kipp (trái - trạng thái dừng/đóng; phải - hoạt động/mở). Zn + H2SO4 → ZnSO4 + H2↑
Hình 2. Các phương pháp thu hydro: (a) - đẩy nước và (b) đẩy không khí.
Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2↑ 3/ Trong quá trình thủy phân các hyđrua, trong đó các hyđrua kim loại dễ bị nước phân hủy, tạo thành kiềm và hiđro tương ứng, ví dụ, trong quá trình thủy phân natri hiđrua: NaH + H2O → NaOH + H2↑ 4/ Khi các dung dịch kiềm tác động lên nhôm hoặc kẽm. Hydrogen thu được bằng phương pháp này có độ tinh khiết cao. Tấm hoặc dây nhôm hỗn hợp, hoặc nhôm được cắt thành nhiều mảnh nhỏ và đưa vào thiết bị Kipp chứa đầy dung dịch 10÷15% kiềm. 2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑ Zn + 2KOH + 2H2O → K2[Zn(OH)4] + H2↑ 5/ Trong quá trình điện phân dung dịch kiềm trong nước hoặc dung dịch axit, hiđro cũng thoát ra ở cực âm, ví dụ: 2H3O+ + 2e- → 2H2O + H2↑ Các cation kim loại có thế điện cực thấp không bị khử ở cực âm, chúng vẫn ở trong dung dịch. Và ở cực âm sẽ xảy ra quá trình điện hóa thu hồi hiđro từ phân tử nước. 6/ Trong phương pháp điện phân phân hủy nước: 2H2O = 2H2 + O2 Nước ở dạng tinh khiết gần như hoàn toàn không dẫn điện, vì vậy các chất điện phân (ví dụ như KOH, được thêm vào nó). Trong quá trình điện phân, quan sát thấy sự phát triển của hydro ở cực âm và oxy ở cực dương. Trong phương pháp này, oxy là một sản phẩm phụ, và nó được giải phóng với cùng một lượng. Oxy được loại bỏ dễ dàng bằng cách cho khí đi qua một số chất xúc tác nhất định, trong khi hydro thu được bằng cách điện phân nước là một sản phẩm khá đắt tiền. 7/ Với sự tương tác của hơi nước và photpho tím: 2Р + 8Н2О = 2Н3РО4 + 5Н2 Hơi photpho từ quá trình khử canxi photphat trong lò điện được đưa qua chất xúc tác với hơi nước ở 400 ÷ 600°C. Tiếp xúc được hình thành ở đầu quá trình H3PO4 với phốt pho trong quá trình hình thành PH3 và H3PO3 do tương tác được người ta làm gián đoạn bằng dập tắt trong quá trình làm lạnh nhanh. Bằng phương pháp này, cũng như trong quá trình hóa lỏng (phân đoạn) của khí lò cốc, hydro thu được để tổng hợp amoniac. 8/ Hydro được tạo ra bằng cách phân hủy metan, nhưng điều này đòi hỏi nhiệt độ cao. Ngoài hydro, carbon đen cũng sẽ là một sản phẩm phụ, cũng được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực công nghiệp: CH4 = C + 2H2 Có những phương pháp khác trong công nghiệp được thực hiện trong quá trình sản xuất hydro: Điện phân dung dịch nước của các muối, tương tác của nước với kim loại, oxy hóa metan bằng oxy (có mặt chất xúc tác) và một số phương pháp khác. Nguyên liệu ban đầu có thể là rác và thậm chí là chất thải sinh học để sản xuất hydro. Quá trình điện phân, đòi hỏi tiêu thụ năng lượng đáng kể, có một hướng thứ hai trong công nghiệp là sản xuất hóa học hydro - hóa plasma. Phương pháp hóa học plasma có năng suất cao hơn nhiều, ở đây nó dựa trên hoạt động hóa học của plasma (khí ion hóa). Nhiệt độ đặc biệt quá cao của quá trình và tốc độ cao của các phản ứng hóa học trong pha khí làm cho lò phản ứng plasmatron năng suất khổng lồ. Sự phân hủy trực tiếp hơi nước thành hydro và oxy bằng phương pháp plasma - hóa học vẫn không hiệu quả. Nhưng hydro có thể thu được bằng phương pháp này trong hai giai đoạn. Hydro như vậy thích hợp để sử dụng trong các lĩnh vực công nghiệp và kỹ thuật điện, vì nó rẻ hơn gần 15 lần so với điện phân. Kỳ tới: Hydrogen - cứu cánh cho năng lượng tái tạo NGUYỄN THÀNH SƠN - HỘI ĐỒNG KHOA HỌC TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM; TỔNG GIÁM ĐỐC NEW TECHNOLOGY SOLUTIONS PHAN NGÔ TỐNG HƯNG - PHÓ CHỦ TỊCH HIỆP HỘI NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM 1/ IEA, Navigant Research, Ecofys, IRENA, Hydrogen Council, IAE, ACIL ALLEN Consulting; 2/ CSIRO, Hydrogenics. Thật dễ dàng để tạo ra khí hydro tại nhà hoặc trong phòng thí nghiệm bằng các vật liệu gia dụng thông thường. Đây là cách tạo ra hydro một cách an toàn. Một trong những cách dễ nhất để thu được hiđro là lấy từ nước, H 2 O. Phương pháp này sử dụng sự điện phân, quá trình này phân hủy nước thành khí hiđro và khí oxi.
Có hai cải tiến đơn giản bạn có thể thực hiện để nâng cao hiệu quả sản xuất khí hydro. Bạn có thể sử dụng than chì (cacbon) ở dạng "chì" bút chì làm điện cực và bạn có thể thêm một nhúm muối vào nước để hoạt động như chất điện phân. Than chì tạo ra các điện cực tốt vì nó trung hòa về điện và không bị hòa tan trong quá trình phản ứng điện phân. Muối rất hữu ích vì nó phân ly thành các ion làm tăng dòng điện.
Bạn có thể thu được khí hydro bằng cách cho axit clohiđric phản ứng với kẽm: Kẽm + Axit clohydric → Kẽm clorua + Hiđro
Các bọt khí hiđro sẽ được giải phóng ngay khi hỗn hợp axit và kẽm. Hãy rất cẩn thận để tránh tiếp xúc với axit. Ngoài ra, nhiệt sẽ được tỏa ra bởi phản ứng này. Nhôm + Natri Hydroxit → Hydro + Natri Aluminat
Đây là một phương pháp tự chế khí hydro cực kỳ dễ dàng. Chỉ cần thêm một ít nước vào sản phẩm loại bỏ tắc nghẽn cống! Phản ứng tỏa nhiệt nên dùng bình thủy tinh (không phải bằng nhựa) để thu khí tạo thành.
|
