SẢN XUẤT HYDRO BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN NƯỚC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM  MÔN HỌC CÔNG NGHỆ ĐIỆN HÓA TIỂU LUẬN ĐỀ TÀI SẢN XUẤT HYDRO BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN NƯỚC GVHD TS Nguyễn Trường Sơn SV[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM  MƠN HỌC: CƠNG NGHỆ ĐIỆN HĨA TIỂU LUẬN ĐỀ TÀI: SẢN XUẤT HYDRO BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN NƯỚC GVHD: TS Nguyễn Trường Sơn SVTH: Ngô Minh Thuận 19128079 Đinh Đức Huy 19128036 Lý Quang Trường 19128096 Tp Hồ Chí Minh, 27 tháng năm 2021 MỤC LỤC SẢN XUẤT HYDRO BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN NƯỚC LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Cuối kỷ 20, đầu kỉ 21 giới phải đối mặt với thách thức nghiêm trọng: Thách thức thứ nhất: Nguồn lượng hóa thạch cạn kiệt nhanh chóng Tốc đợ khai thác, tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch nhanh so với tốc độ hình thành khiến chúng rơi vào tình trạng ngày càng khan và dần trở nên cạn kiệt Ở nước ta, với tốc độ khai thác nay, còn 34 năm dùng dầu mỏ, 63 năm dùng thiên nhiên và còn năm là nguồn than đá sẽ cạn kiệt Thách thức thứ hai: Biến đổi hậu diễn nhanh chóng, khắc nghiệt và phức tạp diện rộng Quy trình khai thác gây hại đáng kể cho mơi trường làm biến thảm thực vật, xói mòn đất Băng tan ở hai cực, mực nước biển dâng cao, nhiệt đợ trái đất tăng lên có ngun nhân chủ yếu từ hiệu ứng nhà kinh mà thủ phạm chinh là chất thải CO2 Thách thức thứ ba: Mưa axit diễn với tần suất ngày càng nhiều SOx, NOx, CO2 thải liên tục bầu Sông, biển bị ô nhiễm bởi tai nạn tràn dầu, làm hư hỏng nhiều vùng biển và hủy diệt nhiều hệ động, thực vật thủy sinh Bầu không bị nhiễm nghiêm trọng bởi bụi, khói, đợc hại CO, Nox, VOCs, chất phóng xạ… Mặc dù phủ nhận vai trò to lớn lượng hóa thạch phát triển xã hội loài người nhiều kỷ qua, thách thức có nguyên nhân bắt nguồn từ việc sử dụng lượng hóa thạch Vì vậy, để đối phó đồng thời với thách thức trên, nghĩa là vừa chủ động tìm nguồn lượng thay lượng hóa thạch dần cạn kiệt, vừa ngăn ngừa và tránh thảm họa môi trường, nhiều quốc gia giới sử dụng nguồn lượng khác để thay (mợt phần hoàn toàn) lượng hóa thạch “Hydro coi ứng cử viên lý tưởng cho chất mang lượng” Chinh phủ và ngành công nghiệp ở một số quốc gia xem xét chiến lược thay để thực một hệ thống lượng dựa hydro một loại nhiên liệu sạch, có khả tái tạo Khái niệm "Nền kinh tế Hydro" dựa hệ thống lượng H đưa vào năm 1970, nước sử dụng để tạo hydro và oxy cách điện phân, dùng pin nhiên liệu để tạo điện Qua ta có mợt hệ thống lượng dựa nước tái sử dụng Thêm vào đó, vì phong phú hydro sản xuất từ nước, và nước thì phân bố ở hầu hết khu vực sinh sống khắp giới, hydro coi là mợt chất thay cho nhiên liệu hóa thạch Năng lượng H2 coi dạng lượng hóa học có nhiều ưu điểm Năng lượng H2 sản xuất, lưu trữ, vận chuyển hạ tầng vận chuyển ̵ thiên nhiên Về vấn đề an toàn, với tỉ trọng thấp và khả khuếch tán nhanh cho phép H thoát ̵ nhanh vào có rò rỉ xảy Thiết bị sử dụng nhiên liệu H là Pin nhiên liệu có đặc điểm chạy êm, khơng gây tiếng ̵ động, chấn động động đốt Sản phẩm trình đốt cháy H2 là nước tinh khiết và lượng, khơng có chất ̵ thải nào gây hại đến mơi trường Tất nhiên, có số thách thức việc triển khai hydro thành hệ thống lượng: Hiện nay, việc sản xuất H điện phân nước sử dụng nguồn điện chủ yếu sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch (than đá, dầu, đốt), chất “là lượng ̵ tái tạo và không gây hại đến môi trường” chưa giải triệt để Hiện công nghệ và thiết bị thực việc lưu trữ H còn hạn chế công suất và đáp ứng quy mô nhỏ Sản xuất quy mô lớn toàn giới đòi hỏi chi phi cao Với đặc tinh nhẹ, dễ bay hơi, H phải lưu trữ bình nén áp suất cao ̵ dạng hóa lỏng hấp phụ loại vật liệu có khả hấp phụ CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HYDRO Trạng thái thiên nhiên Hydro là nguyên tố phổ biến vũ trụ, chiếm 75% vật chất thông thường theo khối lượng và 90% theo số lượng nguyên tử Nguyên tố này tìm thấy với một lượng khổng lồ và hành tinh khổng lồ Các đám mây phân tử H2 liên quan đến hình thành Hydro là nguyên tố phổ biến thứ bề mặt Trái Đất chủ yếu là ở dạng hợp chất hóa học nước và hydrocacbon Hydro tạo bởi một số vi khuẩn và tảo và metan, là nguồn hydro có đợ quan trọng ngày càng cao Các nguồn khác bao gồm phần lớn chất hữu (hiện là dạng thể sống), than, nhiên liệu hóa thạch và tự nhiên Hydro đóng vai trò sống còn việc cung cấp lượng vũ trụ thông qua phản ứng proton-proton và chu trình cacbon - nitơ (Đó là phản ứng nhiệt hạch giải phóng lượng khổng lồ thơng qua việc tổ hợp hai guyên tử hydro thành một ̵ nguyên tử heli) Trong công nghiệp, Hydro thường lưu trữ dạng: Hydride kim loại (FeTiH2 và LaNi5H6, Mg2NiH4): sử dụng mợt số hợp kim có khả hấp phụ hydro Khi nén áp suất cao (300-700 bar) Khi hóa lỏng siêu lạnh: phải tốn nhiều lượng để hóa lỏng H 2, nhiên ưu điểm ̵ ̵ việc lưu trữ H2 dạng lỏng là tốn it khơng gian vì hydro có tỉ trọng ̵ lượng theo thể tich cao hóa lỏng Hấp thụ hóa học (LiBH4, NaBH4,…): H2 giải phóng qua trình thủy phân, với phương pháp này ta điều chỉnh lượng hydro sinh theo nhu cầu H2 dễ phản ứng hóa học với ngun tố hóa học khác, đặc biệt là ơxy đồng thời ̵ sinh lượng dạng nhiệt lớn điện thơng qua phản ứng hóa học sau: 2H2 + O2 → 2H2O + Năng lượng Hydrogen là nguồn lượng thứ cấp, tức là khơng sẵn có để khai thác trực tiếp mà phải tạo từ một nguồn sơ cấp ban đầu là nước hợp chất hydrocarbon khác Hình 1: Vai trò Hydrogen đời sống Nhu cầu sử dụng Làm nhiên liệu lĩnh vực vận tải, pin nhiên liệu: dựa vào giá trị nhiệt lượng mà tạo Do nhiệt trị và nhiệt đợ lửa cao, Hydro là nhiên liệu quan trọng BBảng Nhiệt trị số nguyên liệu chương trình vũ trụ Mỹ và Liên Xô, có Space Shuttle và Buran Bảng So sánh đặc tính nhiên liệu H2 với nhiên liệu khác ̵ Những ứng dụng Hydro vào ngành cơng nghiệp trọng điểm: Trong cơng nghiệp hóa chất: Sử dụng cho trình tổng hợp và phản ứng hydro hóa ̵ cơng nghiệp Ngành cơng nghiệp thực phẩm: Hydro hóa dầu ăn và acid béo Ngành công nghiệp điện: Sử dụng Hydro để làm mát turbin nhà máy thủy ̵ điện Ngành công nghiệp thủy tinh: Tạo mội trường cho trình tạo hình thủy tinh, tạo ̵ môi trường cho việc tạo hình bề mặt, tránh bọt thủy tinh Ngành công nghiệp điện tử: Tạo môi trường áp suất thấp, cho trình sản ̵ xuất linh kiện điện tử, linh kiện bán dẫn Ngành công nghiệp Vật liệu Chế biến - nhiệt điều trị, luyện kim, luyện kim bột, ép ̵ kim loại, phun plasma, tinh thể ngày càng tăng, và nhiều ̵ Ngành công nghiệp sản xuất chấn bán dẫn: Sử dụng trình MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapour Deposition) cho trình đóng gói, sản xuất thiết bị bán dẫn Hình 2: Tổng quan sản xuất và sử dụng hydro Cho tới ngày nay, việc sử dụng hydro làm nhiên liệu hạn chế Tổng sản lượng hydro toàn cầu hàng năm từ nguồn khác ước đạt 55-65 triệu Tốc độ tăng trưởng trung bình hàng năm vòng 20 năm qua là gần 1,6% Hơn 90% lượng hydro sản xuất nơi tiêu thụ và 10% nguồn hydro đến từ công ty sản xuất (Air Liquide, Linde, Praxair ) Mặc dù lượng H2 chưa sử dụng rộng rãi vì giá cao và chưa phù hợp điều kiện thiếu sở hạ tầng để hỗ trợ, nhiên, nhà nghiên cứu nhận định là nguồn lượng vơ tận, tái sinh và là nguồn lượng giữ vai trò chủ đạo thay nhiên liệu hóa thạch, khơng gây nhiễm môi trường và là nguồn lượng tương lai CHƯƠNG 2: SẢN XUẤT HYDRO BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN 2.1 Các phương pháp sản xuất nhiên liệu Hydro Sản xuất Hydro từ nguồn Hydrocarbon hoá thạch Phương pháp refroming nước (SMR): là một phương pháp sản xuất tổng hợp (hydro và carbon monoxide) phản ứng hydrocacbon với nước Thông thường tự nhiên là nguyên liệu Mục đich chinh công nghệ này là sản xuất hydro Phản ứng biểu diễn cân này: CH4 + H2O ⇌ CO + H2 Phương pháp oxy hố khơng hoàn toàn (POX): Q trình này sử dụng để sản xuất hydro từ hydrocacbon nặng nhiên liệu diesel và dầu còn sót lại Bất kỳ nguyên liệu hydrocarbon nén bơm sử dụng công nghệ này CH4 và hydrocacbon khác tự nhiên phản ứng với một số lượng hạn chế oxy ( thông thường từ không ) là khơng đủ để oxy hóa hoàn toàn hydrocacbon để tạo thành CO2 và H2O Với it cân hóa học củ oxy có sẵn , sản phẩm phản ứng chứa chủ yếu H2 và CO và N2 Phản ứng biểu diễn phương trình: CH4 + O2 = CO +2H2 Phương pháp kết hợp SMR và POX (ATR) Tạo Hydro từ thiên nhiên mà không thải CO2 Hydro từ nhiên liệu sinh khối: là trình tạo H2 sinh học dựa enzyme xúc tác cho phản ứng hóa học: 2H+ + e- ↔ H2 Sản xuất Hydro từ điện phân (Electrolysis) Sản xuất Hydro phương pháp quang điện phân (Photoelectrolysis) 4.1 Pin nhiên liệu hệ H2 - O2 (PEMFC - Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell): PEMFC là pin nhiên liệu vận hành ở nhiệt độ thấp (60°C – 100°C) với khả cung cấp điện từ mức thấp đến trung bình Ưu điểm PEMFC là khởi động nhanh, linh hoạt nhiên liệu đầu vào, thiết kế nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ, chi phi thấp và đợ rắn chất điện phân Nó lý tưởng cho ứng dụng di động và di động cố định Hiệu suất điện PEMFC là 40% –50% Cơng suất dòng linh hoạt là kW cho ứng dụng nhỏ, di động hay khoảng từ 50 đến 250 kW cho ứng dụng tĩnh lớn Vận hành ở nhiệt độ thấp nên PEM thich hợp cho ứng dụng gia đình và xe cộ Tuy nhiên, nhiên liệu cung cấp cho PEM đòi hỏi phải tinh (không lẫn nhiều tạp chất) và PEM cần xúc tác bạch kim đắt tiền ở hai mặt màng điện phân, gia tăng chi phi Hình 14 mô tả sơ đồ một pin nhiên liệu PEMFC ... 2: SẢN XUẤT HYDRO BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN 2.1 Các phương pháp sản xuất nhiên liệu Hydro Sản xuất Hydro từ nguồn Hydrocarbon hoá thạch Phương pháp refroming nước (SMR): là một phương pháp sản. .. vào sản xuất Hydro phương pháp điện phân 2.2 Sản xuất Hydro phương pháp điện phân a) Điện phân nước nhiệt độ thường, quang điện phân: Đây là phương pháp dùng lượng điện để bẻ gãy liên kết phân. .. học: 2H+ + e- ↔ H2 Sản xuất Hydro từ điện phân (Electrolysis) Sản xuất Hydro phương pháp quang điện phân (Photoelectrolysis) Trên thực tế còn nhiều phương pháp để sản xuất Hydro Ở bài tiểu luận