Công nghệ sản xuất hydrogen bằng phương pháp hóa học

FILE WORD CHUẨN FONT 100% nhé các bạn.......................................................................................222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NƠNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HĨA HỌC BÁO CÁO KỸ THUẬT HỆ THỐNG SINH HỌC Đề tài:CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT HYDROGEN BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC GVHD: PGS.TS Trương Vĩnh SVTH: Nhóm TP HCM, 4/2015 DANH SÁCH NHĨM Nguyễn Thị Quỳnh Như 12139081 Nguyễn Thị Phương Thảo 12139028 Phạm Thị Bích Hằng 12139049 Bùi Ngọc Yến Nhi 12139013 Đoàn Thị Thu Hà 12139048 Nguyễn Khánh Duy 12139163 Đinh Quốc Hùng 12139139 MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH DANH SÁCH BẢNG CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HYDROGEN Hydrogen nguyên tố hóa học có ký hiệu hóa học H số nguyên tử Khối lượng nguyên tử 1,00794 u nên hydro nguyên tố nhẹ bảng tuần hồn 1.1 Tình hình sản xuất hydrogen Ngày nay, khoảng 55 triệu hydrogen sản xuất hàng năm phần lớn đưa vào sản xuất phân bón Nitrogen hydrogen dùng làm phần trình Haber-Bosch, q trình sử dụng khí thiên nhiên khơng khí để sản xuất ammonia – chất liệu thơ quan trọng sản xuất phân bón Fritz Haber giành Giải Nobel Hóa học năm 1918 cho khám phá người đồng nghiệp ông, Carl Bosch, giành Giải Nobel năm 1931 cho phát triển phương pháp áp suất cao hóa học 1.2 Tính chất hydrogen 1.2.1 Tính chất vật lý Ở nhiệt độ áp suất tiêu chuẩn, hydrogen chất khí khơng màu, khơng mùi, tồn dạng lưỡng nguyên tử H (lưỡng nguyên tử nghĩa phân tử gồm hai ngun tử) Hình 1: Cấu tạo nguyên tử H2 Bảng 1: Tính chất vật lý hydrogen Màu Trạng thái Tỉ trọng Tỉ trọng lỏng điểm chảy Tỉ trọng lỏng điểm sôi Điểm chảy Điểm sôi Điểm pha Điểm tới hạn Nhiệt tạo thành Nhiệt hóa Nhiệt dung riêng (250C) Khơng màu Khí (0 C, 101.325 kPa) 0.08988 g/L 0.07 (0.0763 solid) g.cm-3 0.07099 g.cm-3 14.01K, -259.140C, -434.45 0F 20.28K, -252.870C, -423.17 0F 13.0833 K (-2590C), 7.042 kPa 32.97 K, 1.293 Mpa 0.117 kJ.mol-1 0.904 kJ.mol-1 28.836 j.mol-1K-1 1.2.2 Tính chất hóa học Khả cháy Khí hydrogen biết khí dễ cháy Đây tính chất nguy hiểm khí hydro Khí hydro bị rò rỉ mang nguy cháy nổ cao Mặt khác, khí hydro khơng màu, khơng mùi, nên việc phát phòng ngừa khó khăn Khí hydro cháy êm dịu khơng khí tạo lượng nhiệt lớn (ngọn lửa hydro tinh khiết với oxy tinh khiết có nhiệt độ khoảng 25000C) Khả cháy nổ hổn hợp khí hydro khơng khí Khí hydro bền nhiệt độ thường, khó phân ly, khí hydro bị phân ly nhiệt độ khoảng 2000oC Tuy nhiên, hydro nhiệt độ cao hoạt động dễ dàng kết hợp với nhiều nguyên tố kim loại kiềm, kiềm thổ, phi kim loại Ở nhiệt độ cao, áp suất cao đặc biệt có mặt xúc tác, khí hydro hoạt động thể tính khửmạnh, tính chất quan trọng khí hydro Với tính chất đó, hydro có khả tham gia phản ứng khử dị tố hydrocarbon (kim loại, Oxy, S…) Ở điều kiện khác nhau, khí hydro tham gia phản ứng hydro hoá hay hydro phân xúc tác kim loại Trong cơng nghiệp chế biến dầu khí, tính chất hydro ứng dụng để chế biến sâu chế biến dầu thơ, quy trình quan trọng sử dụng như: hydrogenolysis(HDS, HDN, cracking), hydrogenation Hình 2:So sánh khả cháy khí hydro với nhiên liệu khác 1.3 Ứng dụng nhiên liệu hydrogen H2 thay khí thiên nhiên để cung cấp lượng cho nhu cầu dân dụng như: đun nấu, sưởi ấm, chiếu sáng,… H2 nhiên liệu cho nhiệt cao → tiết kiệm chi phí lớn cho doanh nghiệp sản xuất Nhiệt H2: 2.2000C (so với than 1.600 – 1.7000C) Bảng 2: Nhiệt trị số khí đốt Chỉ tiêu Nhiệt trị, kJ/kg KLR, kg/m3 H2 119,97 0,089 CH4 50,02 0,717 C3H8 46,35 2,011 H2 đem đốt không thải khí độc → khơng gây nhiễm mơi trường, không gây độc hại trực tiếp cho người sản xuất  Pin nhiên liệu: H2 làm nguồn lượng cung cấp cho hệ thống pin nhiên liệu, nhờ trình điện hóa để tạo điện Anod: H2 → H+ + e- Cathod: O2 + H + + e - → H O Tổng quát: H2 + O → H O + E Khi nguyên tử H2 vào pin nhiên liệu, phản ứng hóa học xảy anod: _ Những nguyên tử H2 bị ion hóa mang điện tích dương (H+) _ Electron âm chạy qua dây dẫn tạo dòng điện chiều _ O2 vào cathod kết hợp với e - từ dòng điện ion H+ khỏi chất điện phân từ anod (hoặc O2 lấy e- qua chất điện phân đến anod kết hợp với H+) sinh H2O Phản ứng tổng quát cho pin nhiên liệu tương tự phản ứng hóa học mơ tả trình H2 bị đốt cháy với diện O2 Hình 3: Xe tơ chạy nhiên liệu khí H2  Cơng nghiệp chế biến: Hóa dầu: sản xuất ammonia, metanol, phân bón Luyện kim: H2 sử dụng ngành sản xuất thép (cắt, nấu) Sản xuất công nghiệp: giấy (nồi hơi), nấu gốm sứ, chất bán dẫn  Công nghiệp vũ trụ: H2 có đặc tính nhẹ tỉ trọng lượng cao nên sử dụng làm nhiên liệu cho tên lửa, công nghệ du hành không gian Hydrogen thành phần bom nhiệt hạch, loại bom giải phóng lượng nổ khủng khiếp, qua hợp hạt nhân đồng vị hydrogen: deuterium tritium, loại bom nổ qt hồn tồn thành phố Những vũ khí đòi hỏi vụ nổ phân hạch hạt nhân để kích hoạt trình nhiệt hạch Nghiên cứu tập trung vào việc sản xuất vũ khí nhiệt hạch mà khơng cần phản ứng phân hạch để kích hoạt Một trình gọi Hợp nhân Giam cầm Quán tính sử dụng chùm laser lượng cao nén hydrogen đến nhiệt độ tỉ trọng kích hoạt phản ứng nhiệt hạch CHƯƠNG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT HYDROGEN 2.1 Một số phương pháp sản xuất Hydro sản xuất theo hướng sau đây: - Nhiệt hóa: + Oxy hóa riêng phần phân đoạn dầu mỏ + Khí hóa than + Phân ly nước - Nhiệt phân nước - Quang hóa - Sinh hóa sinh học 2.2 Cơng nghệ sản xuất hydrogen phương pháp hóa học 2.2.1 Steam Methane Reforming Steam methane reforming phương pháp thông dụng kinh tế để điều chế hydrogen Phương pháp bao gồm trình: trình chuyển hóa (reforming reaction – với chất xúc tác chủ yếu Ni) trình chuyển đổi nước (water gas shift reaction) Phản ứng reforming reactor CH4 + H2O  3H2 + CO Khí CO sau ta tiếp tục phản ứng với nước chu trình chuyển đổi nước ( water gas shift reactor) CO + H2O  CO2 + H2 Các giai đoạn q trình phản ứng • Xử lý nguyên liệu Nguồn nguyên liệu cho hệ thống steam methane reforming dòng khí thiên nhiên hydrocacbon mạch ngắn (C3 đến C7) Nguyên liệu chứa tạp chất chất ức chế chất đầu độc (H2S, mercaptan dẫn xuất halogen chlorides) xúc tác Niken Để loại bỏ chúng, ta hydro hóa nguyên liệu điều kiện 350-400 oC, xúc tác Co-Mo Sau H2S hấp thu ZnO Nguyên liệu sau xử lý chứa hàm lượng lưu huỳnh 0,1ppm hàm lượng chloride giới hạn 0,5ppm 10 biết đến cách 35 năm, mở rộng với nghiên cứu Với phương pháp tăng suất sản xuất vào năm 1970, 1980 Nhưng đến 10 năm sau có kết khả quan Với phương pháp tăng suất sản xuất từ 30% lên 50%.Một phương pháp trình the sulfur-iodine (S-I) The sulfur-iodine (S-I) Trong phương pháp này, SO2 vàI2 nguyên liệu sản xuất H với số chất xúc tác nhằm làm giảm nhiệt độ phản ứng, tăng hiệu suất tạo thành H Ba giai đoạn S – I: Giai đoạn  I2 + SO2 + 2H2O 2HI + H2SO4 Nhiệt độ phản ứng khoảng 120oC, sau sử dụng trình chưng cất để tách hai acid HI H2SO4 Giai đoạn  H2SO4 H2O + SO2 + 1/2 O2 Acid sunfuric tiếp tục phân hủy tạo thành O2 khí SO2 nhiệt độ 850oC Giai đoạn  2HI H2 + I2 Nhiệt độ phản ứng 450oC Phương trình tổng quát: H2O H2 + O2 Đó phản ứng làm giảm nhiệt độ phụ thuộc vào sức nóng nước để sản xuất khí H2 có kỹ thuật hay công nghệ nhằm tách H O2 ngăn chặn tái hợp lại, làm giảm hiệu suất phản ứng 17 Hình 8: Mơ tả q trình the sunfur - iodine 2.2.5Phản ứng water gas – shift (WGF) Hydrogen tạo thêm gas-shift reaction, trình xảy nhiệt độ thấp hơn, sử dụng khí cacbon monoxide tạo từ phản ứng đầu, lượng xác định sắt-crôm tạo thành để xúc tác trình phá vỡ liên kết hydrogen oxygen để tạo thành carbon dioxide hydrogen (hỗn hợp cacbonmonoxit khí hydro gọi khí nước ): CO + H O CO + H ∆H = -42 kJ/MOLE Phản ứng phản ứng tỏa nhiệt vừa phải, xảy nhiệt độ thấp chịu ảnh hưởng áp suất Sự thay đổi nhiệt độ thấp (LTS) Các thành phần đặc trưng chất xúc tác 32-33% CuO, 34-53% ZnO, 15-33% Al2O3 Chất xúc tác hoạt động CuO Chức ZnO cung cấp hỗ trợ cấu trúc ngăn chặn nhiễm độc đồng lưu huỳnh Al2O ngăn ngừa phân tán bột viên co rút LTS phản ứng hoạt động phạm vi 200oC đến 250oC Chất xúc tác thay đổi nhiệt độ cao (HTS) 18 Các thành phần đặc trưng chất xúc tácthương mại 74,2% Fe 2O 3, 10,0% Cr2O 3, 0,2% MgO (tỷ lệ phần trăm lại thành phần dễ bay hơi) Cromduy trì hoạt động ổn định, oxit sắt ngăn chặn trình thiêu kết Phạm vi nhiệt độ 310oC đến 450oC Nhiệt độ tăng dọc theo chiều dài lò phản ứng tính chất tỏa nhiệt phản ứng Như vậy, nhiệt độ đầu vào trì 350 o C để ngăn chặn nhiệt độ từ lò lớn 550oC Lò phản ứng cơng nghiệp hoạt động phạm vi từ áp suất khí đến 8375 kPa Bảng 3: Xúc tác SK – 201-2 HaldorTopsoe Quá trình lọc Thiết bị Pressure swing absorbers sử dụng để lọc bỏ chất cacbon monoxide, cabon dioxide, nước methane hydrogen Các khí thải sử dụng nguyên liệu để đốt cháy lò nung, hydrogen sử dụng sản phẩm để bán thị trường Hydrogen vận chuyển đường ống hóa lỏng vận chuyển xe tải 2.2.6 Coal gasification Là trình sản xuất syngas-một hỗn hợp methane (CH 4), cacbon monoxide (CO), hydrogen (H2), cacbon dioxide (CO2) nước, nguyên liệu sử dụng 19 than nước, khơngkhí (hoặc oxygen) Hydrogen thu từ q trình coal gasification sử dụng cho nhiều mục đích khác tổng hợp ammonia, cung cấp lượng ngành cơng nghiệp hydrogen… Tùy thuộc vào kích cỡ than đưa vào lò khí hóa mà áp dụng kiểu công nghệ coal gasification phổ biến là: • Moving bed (thích hợp với than cám nhỏ 2mm) Hình 9: Moving bed • Fluid bed: thích hợp với than cục nhỏ (nhỏ 10mm) • Entrained bed: thích hợp với than cục to 10-100mm 20 Hình 10:Entrained bed Nguyên tắc Oxy phân tử nước oxy hóa than đá để sản xuất hỗn hợp khí cacbon dioxide (CO2), cacbon monoxide (CO), nước (H2O) Hydrogen (H2) Một số sản phẩm khác nhựa đường, phenol,… sản phẩm cuối trình này, tùy thuộc vào cơng nghệ mục đích sử dụng Nguồn ngun liệu Bao gồm than, khơng khí nước, đó: C 85%, H 4%, O5% chất khác 6% (thường sulfur nitrogen dạng H2S HCN) Các phương pháp gasification áp dụng cho nhiều loại than khác nhau, ví dụ phương pháp entrained bed dùng loại nguyên liệu khác than gỗ, than nâu, gỗ, than antraxit,… Tuy nhiên, than antraxit tạo nguồn hydrogen tinh khiết loại than lại Các bước: • Gasification 21 Than đá trộn lẫn với oxygen nước nhiệt độ cao, không 1000 oC (một số trường hợp xảy điều kiện áp suất cao) Nếu than đá bị nung nóng nhiệt từ mơi trường bên ngồi, q trình gọi “allot thermal”, mặc khác, sử dụng nhiệt từ phản ứng tự tỏa nhiệt nó, q trình gọi “auto thermal” Quá trình xảy mõ than lòng đất (underground coal gasification) nhà máy lọc dầu 3C (than đá) + O2 + H2O  H2 + 3CO Coal gasification: q trình cơng nghiệp, thường sử dụng mõ than mà mục đích để khai thác Trong q trình này, khí có tính oxy hóa (thường oxy khơng khí bơm vào mõ than, sau khí sản phẩm dẫn lên bệ mặt thông qua giếng khoang mặt đất So với phương pháp truyền thống, phương pháp ảnh hưởng đến mơi trường hơn, nhiên gây số vấn đề ô nhiễm nguồn nước ngầm • Cooling and cleaning Đầu tiên, hỗn hợp syngas làm nguội (nhiệt độ giảm từ khoảng 1200 oC xuống 800oC) hệ thống tuần hoàn nước (steam cycle) (hơi nước tạo hệ thống turbine, hệ thống ngưng tự bơm), nhiệt độ khí lúc vào khoảng 250oC Sau hỗn hợp lọc để loại bỏ tro than, sulfur,… Sản phẩm thu cuối trình hỗn hợp cacbon monoxide, cacbon dioxide oxygen • Water gas shift reaction Q trình xảy nhiêt độ thấp sử dụng chất xúc tác CoMo (theo quy trình Topsoe) FeCr/CuZn Trong trình này, cacbon monoxide phản ứng tiếp với nước để tạo thêm nhiều hydrogen cacbondioxide • Q trình tách Hydrogen tách nhờ hệ thống pressure swing adsorption (PSA), cuối ta thu hydrogen tinh khiết (99,999%) với hiệu suất 85% Hỗn hợp khí sau tách sử dụng để đốt cung cấp nhiệt cho turbine khí thiết bị khác 22 2.3 Tồn trữ Hydro 2.3.1 Dưới dạng khí nén áp suất cao Hydrogen nén bình chứa với áp suất cao Các loại bình chứa khác cấu trúc tùy theo dạng ứng dụng đòi hỏi mức áp suất Phần lớn bình ứng dụng tĩnh có mức áp suất thấp Trong đó, yêu cầu cho ứng dụng di động lại khác biệt hạn chế không gian lưu trữ Đối với ứng dụng này, áp suất bình tăng lên đến 700 bar để chứa nhiều hydrogen tốt khơng gian giới hạn Các bình áp suất chứa khí nén thường làm thép nên nặng Các bình áp suất đại làm từ vật liệu composite nhẹ nhiều 2.3.2 Lưu chứa hydrogen dạng khí hóa lỏng Hydrogen tồn thể lỏng nhiệt độ cực lạnh, 200K hay âm 235 0C Nén, làm lạnh (hóa lỏng) hydrogen tiêu tốn nhiều lượng, tổn thất lượng hao hụt đến khoảng 30% dùng phương pháp Tuy nhiên, ưu điểm việc lưu trữ hydrogen dạng lỏng tốn khơng gian nhất, hydrogen có tỉ trọng lượng theo thể tích cao hóa lỏng Vì mà cách đặc biệt thích hợp với ứng dụng di động phương tiện giao thông Hiện người ta sản xuất robot tự động để “tiếp” nhiên liệu (re-fuelling) Với dạng lưu trữ tĩnh, cách thức dùng hydrogen thực cần thiết phải dạng lỏng, ví dụ trạm nhiên liệu hay cần vận chuyển hydrogen đường dài (bằng tàu biển chẳng hạn) Ngoài ra, với tất ứng dụng khác ta nên tránh dùng cách lưu trữ tiêu tốn nhiều lượng cần để hóa lỏng 2.3.3 Lưu chứa hydrogen nhờ hấp thụ hóa học Hydrogen giữ nhiều hợp chất nhờ liên kết hóa học Và cần thiết, phản ứng hóa học xảy để giải phóng chúng, sau hydrogen thu thập 23 đưa vào sử dụng pin nhiên liệu Các phản ứng hóa học thay đổi tùy theo hợp chất dùng để lưu trữ hydrogen Ví dụ như: với NH 3BH3, hydrogen giải phóng nhờ nhiệt 100-3000C; hay hydrogen giải phóng qua q trình thủy phân (tác dụng với nước) hydride LiH, LiBH 4, NaBH4… Với phương pháp này, ta điều chỉnh lượng hydrogen sinh theo nhu cầu 2.3.4 Lưu chứa hydrogen hyđrua kim loại (metal hydride) Phương pháp sử dụng số hợp kim có khả độc đáo, hấp phụ hydrogen Các hợp kim hoạt động giống miếng xốp hút nước vậy, chúng “hút bám” hydrogen, tạo nên hyđrua kim loại Khi hyđrua kim loại “lấp kín” dần với ngun tử khí hydrogen, tỏa nhiệt, đó, muốn giải phóng hydrogen, ta phải cung cấp nhiệt cho Cơng thức tổng quát trình hấp phụ giải hấp hyđrua kim loại: M + xH2< => MH2x (15.6) Phương pháp chứa lượng lớn thể tích khí hydrogenhấp phụ vào kim loại Tuy nhiên, lượng hydrogen hấp phụ chiếm khoảng 1% – 2% tổng trọng lượng bình chứa (kim loại) Vì mà bình chứa dạng nặng chúng sử dụng ứng dụng di động Ưu điểm phương pháp hầu hết hyđrua kim loại hoạt động áp suất bình thường, xét mặt sử dụng an toàn, điểm thuận lợi việc lưu trữ hydrogen nhờ hyđrua kim loại Muốn giải phóng khí hydrogen cần cung cấp nhiệt, thế, trường hợp thùng chứa bị bể vỡ chẳng hạn hydrogen giữ kết nối kim loại mà không bị hao hụt Lưu trữ hydrogen hyđrua kim loại ứng dụng nhiều tàu ngầm 24 2.3.5 Lưu chứa hydrogen ống carbon nano rỗng Phương pháp nguyên tắc tương tự hyđrua kim loại chế lưu giữ giải phóng hydrogen Vật liệu carbon nano tạo nên cách mạng công nghệ lưu trữ hydrogen tương lai Cách vài năm, nhà khoa học khám phá đặc tính hữu ích carbon nano chứa lượng lớn hydrogen vi cấu trúc than chì dạng ống Hydrogen chui vào ống, vào khoảng trống ống Lượng hydrogen hấp thụ phụ thuộc vào áp suất nhiệt độ, nên nguyên tắc, người ta thay đổi áp suất nhiệt độ, bơm hydrogen vào để lưu trữ, hay đẩy hydrogen để sử dụng Vấn đề phải tìm loại ống nano carbon chứa nhiều hydrogen Ngoài ra, ta cần vật liệu với tỷ lệ ống nano carbon cao, không lẫn với nhiều loại bụi than khác Ưu điểm mang tính đột phá cơng nghệ nano lượng lớn hydrogen mà lưu chứa được, nữa, so với cách lưu trữ hợp kim ống carbon nano nhẹ Ống carbon nano chứa lượng hydrogen chiếm từ 4% – 65% trọng lượng chúng Hiện nay, công nghệ quan tâm nghiên cứu nhiều giới, hứa hẹn phương thức lưu trữ hydrogen đầy tiềm năng, cho ứng dụng pin nhiên liệu di động nhỏ gọn máy tính xách tay, máy ảnh, điện thoại di động…v.v Ngồi ra, phương pháp lưu trữ hydrogen khác phổ biến thú vị, chứa hydrogen vi cầu kính 2.3.6 Lưu chứa hydrogen vi cầu thủy tinh (glass microsphere) Các khối cầu thủy tinh rỗng tí hon dùng phương thức lưu trữ hydrogen an toàn Những vi cầu rỗng làm nóng dẻo, gia tăng khả thấm thành thủy tinh, lấp đầy đặt ngập khí hydrogen với áp suất cao Các khối cầu sau làm nguội, “khóa lại” hydrogen bên khối thủy 25 tinh Khi ta tăng nhiệt độ, hydrogen giải phóng khỏi khối cầu sử dụng Phương pháp vi cầu an tồn, tinh khiết chứa hydrogen áp suất thấp, gia tăng giới hạn an toàn 2.4 Vấn đề an toàn Hydrogen khí khơng màu, khơng mùi, khơng vị hoạt động Khi hydrogen cháy mang mối nguy hiểm tiềm ẩn lửa khơng thể nhận thấy mắt thường Do lan mà người ta nhận biết để cảnh báo Tuy nhiên, chừng mực đó, hydrogen cháy an tồn nhiên liệu hóa thạch thơng thường Hydrogen có tốc độ bừng cháy cao tiêu tán mau Do đó, vụ cháy, chí bắt nguồn từ hydrogen lỏng, thường bùng lên nhanh hết Theo tính tốn nhà khoa học cho thấy vụ cháy xe cộ liên quan đến xăng dầu, đám cháy kéo dài hai mươi đến ba mươi phút, đó, lửa từ đám cháy xe chạy lượng hydrogen tương đương kéo dài từ đến hai phút! Hydrogen bị đốt cháy sinh nhiệt nước Do khơng có carbon, nước lại chất hấp thụ nhiệt nên hydrogen cháy tỏa nhiệt nhiều so với hydrocarbon cháy đám cháy khơng lan đi, có vật trực tiếp bị đốt lửa bị cháy nặng Những vật khác gần lửa khó mà tự bắt cháy Vì mà mối nguy hiểm khói độc việc cháy lan kéo dài hydrogen giảm đáng kể Điều có ý nghĩa quan trọng vấn đề cứu hỏa Tỉ trọng thấp khả khuếch tán nhanh cho phép hydrogen nhanh vào khí có rò rỉ xảy Trong đó, propane xăng dầu, với tỉ trọng cao khả khuếch tán thấp, dễ tụ lại gần mặt đất, làm gia tăng rủi ro cháy nổ Hydrogen phải đạt đến nồng độ 4% khí gây nguy hiểm, khả bắt lửa hydrogen tăng lên nhanh Mặc dù nồng độ 4% xem không cao, so sánh với nồng độ cần đạt để bốc cháy xăng dầu có 1%, hydrogen cho thấy mức rủi ro cháy nổ thấp đáng kể 26 Hydrogen khơng độc khơng ăn mòn Xăng dầu độc với người sinh vật vơ tình chúng bị rò rỉ mơi trường bên ngồi Trong đó, hydrogen bị ra, chúng bay gần hồn tồn để lại nước đằng sau 2.5 Ứng dụng khí Hydro 2.5.1 Ứng dụng hydrogen lĩnh vực nguyên nhiên liệu Chúng ta quen thuộc với hình ảnh hydrogen nguyên liệu cho nhiều ngành công nghiệp hóa học: chế tạo ammonia, methanol, lọc dầu, phân bón, luyện kim, mỹ phẩm, chất bán dẫn v.v Thế nhưng, khơng có vậy, hydrogen nguồn nhiên liệu đầy tiềm với nhiều ưu điểm thuận lợi môi trường kinh tế Hydrogen nguồn lượng sạch, gần khơng phát thải khí nhiễm mà sinh nước Từ nước qua q trình điện phân ta lại thu hydrogen Vì vậy, hydrogen nguồn lượng gần vơ tận hay tái sinh Hơn nữa, xét mặt trọng lượng, hydrogen có tỉ trọng lượng cao Trên thực tế, nhờ hai đặc tính nhẹ tỉ trọng lượng cao này, hydrogen dùng làm nhiên liệu cho tên lửa từ buổi ban đầu công nghệ du hành không gian Khi dùng làm nhiên liệu, hydrogen đốt trực tiếp động đốt trong, tương tự loại phương tiện giao thông chạy xăng dầu phổ biến Hydrogen thay khí thiên nhiên để cung cấp lượng cho nhu cầu dân dụng hàng ngày đun nấu, sưởi ấm, chiếu sáng…v.v Mặt khác, hydrogen sử dụng làm nguồn lượng cung cấp cho hệ thống pin nhiên liệu, nhờ trình điện hóa để tạo điện Bên cạnh ưu điểm hydrogen nêu (sạch, tái sinh…), pin nhiên liệu chạy êm, khơng gây tiếng động, chấn động động đốt Do dựa chế q trình điện hóa tạo điện khơng phải q trình đốt động đốt trong, pin nhiên liệu đạt hiệu suất sử dụng cao nhiều so với động đốt trong, mà tiết kiệm lượng Với ưu vượt trội đó, pin nhiên liệu ngày 27 quan tâm dự đoán trở nên nguồn nhiên liệu đầy triển vọng, thành phần chủ chốt kinh tế hydrogen viễn cảnh tương lai 2.5.2 Pin nhiên liệu Trong kỉ 19 mệnh danh kỉ động nước kỉ 20 kỉ động đốt ta nói, kỉ 21 kỉ nguyên pin nhiên liệu Pin nhiên liệu dần phổ biến thị trường, dự đoán tạo nên cách mạng lượng giới tương lai Pin nhiên liệu sử dụng hydrogen làm nhiên liệu, mang đến triển vọng cung cấp cho giới nguồn điện bền vững Tương tự ắc quy, pin nhiên liệu thiết bị tạo điện thông qua chế phản ứng điện hóa Điểm khác biệt nằm chỗ, pin nhiên liệu tạo dòng điện liên tục có nguồn nhiên liệu cung cấp cho nó, đó, ắc quy cần phải nạp điện lại (sạc) sau thời gian sử dụng Vì mà pin nhiên liệu khơng chứa lượng bên trong, chuyển hóa trực tiếp nhiên liệu thành điện năng, ắc quy cần phải nạp điện lại từ nguồn bên Mỗi pin nhiên liệu gồm có hai điện cực âm (cathode) dương (anode) Phản ứng sinh điện xảy hai điện cực Giữa hai điện cực chứa chất điện phân, vận chuyển hạt điện tích từ cực sang cực khác, chất xúc tác nhằm làm tăng tốc độ phản ứng Các module pin nhiên liệu thường kết nối với nhau, song song hay trực tiếp để tạo thiết bị có mức cơng suất phát điện khác lớn Hai nhiên liệu cần thiết cho pin nhiên liệu vận hành đơn giản hydrogen oxygen Lợi hấp dẫn pin nhiên liệu chỗ tạo dòng điện sạch, nhiễm, sản phẩm phụ trình phát điện cuối nước, không độc hại 28 Các phản ứng hóa học tạo dòng điện chìa khóa chế hoạt động pin nhiên liệu Có nhiều loại pin nhiên liệu kiểu vận hành cách khác chung nguyên tắc Khi nguyên tử hydrogenđi vào pin nhiên liệu, phản ứng hóa học xảy anode lấy electron chúng Những nguyên tử hydrogenlúc bị ion hóa mang điện tích dương Electron điện tích âm chạy qua dây dẫn tạo dòng điện chiều Oxygen vào cathode và, số dạng pin nhiên liệu, chúng kết hợp với electron từ dòng điện ion hydrogen vừa qua chất điện phân từ anode; số dạng pin nhiên liệu khác, oxygen lấy electron qua chất điện phân đến anode, gặp kết hợp với ion hydrogen Chất điện phân đóng vai trò định chủ chốt Nó phải cho phép ion thích hợp qua anode cathode; electron tự hay chất khác qua chất điện phân này, chúng làm hỏng phản ứng hóa học Dù gặp anode hay cathode, kết hợp với nhau, hydrogen oxygen cuối tạo nước, thoát khỏi pin Pin nhiên liệu liên tục phát điện cung cấp hydrogen oxygen Dưới sơ đồ mô tả hai phản ứng pin nhiên liệu mà phản ứng tồng quát chúng phản ứng nghịch q trình điện phân nước: Phản ứng anode: H2 => H+ + 4ePhản ứng cathode: O2 + H+ + 4e- => H2O Tổng quát: H2 + O2 => H2O + lượng (điện) 29 Phản ứng hóa học tổng qt cho pin nhiên liệu tương tự phản ứng hóa học mơ tả q trình hydrogen bị đốt cháy với diện oxy, tức kết hợp khí hydrogenvà oxygen tạo nên lượng; điểm làm nên khác biệt quan trọng hai q trình nằm chế phản ứng – phản ứng cháy tạo nhiệt phản ứng điện hóa pin nhiên liệu sinh điện Pin nhiên liệu chuyển đổi trực tiếp hóa thành điện năng, q trình khơng liên quan đến chuyển hóa nhiệt thành nên đối tượng định luật nhiệt động lực học giới hạn hiệu suất tối đa động nhiệt thông thường (Carnot) Do đó, hiệu suất pin nhiên liệu vượt giới hạn Carnot, chí vận hành nhiệt độ tương đối thấp 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO http://www.airproducts.com/~/media/Files/PDF/industries/energy-hydrogensteam-methane-reformer-datasheet.pdf http://luanvan.co/luan-van/san-xuat-hydro-51963/ https://sites.google.com/site/vnggenergy/hydrogen http://cafcp.org/category/topics/hydrogen-production http://www.vinachem.com.vn/Desktop.aspx/Xuat-ban-pham/So-6-2003/1411/ http://www.combustioninstitute.it/proc/proc2006/documenti/Papers/06-05biagini-049.pdf http://hoahocngaynay.com/vi/hoa-hoc-hien-dai/pin-nhien-lieu/3-hydrogen-vapin-nhien-lieu.html 31 ... Quang hóa - Sinh hóa sinh học 2.2 Cơng nghệ sản xuất hydrogen phương pháp hóa học 2.2.1 Steam Methane Reforming Steam methane reforming phương pháp thông dụng kinh tế để điều chế hydrogen Phương pháp. .. ứng nhiệt hạch CHƯƠNG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT HYDROGEN 2.1 Một số phương pháp sản xuất Hydro sản xuất theo hướng sau đây: - Nhiệt hóa: + Oxy hóa riêng phần phân đoạn dầu mỏ + Khí hóa than + Phân ly nước... khiết cao Phương pháp 16 biết đến cách 35 năm, mở rộng với nghiên cứu Với phương pháp tăng suất sản xuất vào năm 1970, 1980 Nhưng đến 10 năm sau có kết khả quan Với phương pháp tăng suất sản xuất