إنتاج الهيدروجين

إنتاج الهيدروجين يصف مجموعة العمليات الكيميائية لإنتاج الهيدروجين. إن الطريقة الأكثر استخداماً لإنتاج الهيدروجين في الوقت الحالي هو إجراء عملية إصلاح بخاري للهيدروكربونات.

تفاعل انتاج الهيدروجين (HER) هو تفاعل كيميائي ينتج عنه H2 . [1] يتطلب تحويل البروتونات إلى H2 خفض تكافؤها وعادةً يستخدم محفز. في الطبيعة، يتم تحفيز تفاعل انتاج الهيدروجين بواسطة إنزيمات الهيدروجيناز . تستخدم المحللات الكهربية التجارية عادة معدن البلاتين كمحفز. تفاعل انتاج الهيدروجين مفيد لإنتاج غاز الهيدروجين، وتوفير وقود نظيف الاحتراق. [2] ومع ذلك، يمكن أن يكون تفاعل انتاج الحيدروجين أيضًا تفاعلًا جانبيًا غير مرحب به في عمليات اختزال أخرى مثل تثبيت النيتروجين ، أو الاختزال الكهروكيميائي لثاني أكسيد الكربون [3]

الإصلاح البخاري

يعد الوقود الأحفوري المصدر الرئيسي لإنتاج الهيدروجين في الصناعة.[4] يمكن تطبيق عملية إصلاح بخاري على الهيدروكربونات باختلافها وخاصة على أبسطها مثل غاز الميثان أو على الغاز الطبيعي.[5]

عند درجات حرارة مرتفعة تتراوح بين 700–1100°س يمرر بخار الماء H2O على الميثان في تفاعل ماص للحرارة ليعطي غاز الاصطناع، وهو مزيج من غازي الهيدروجين وأحادي أكسيد الكربون.[6]

CH4 + H2O → CO + 3H2

في مرحلة ثانية تتولّد كميّات إضافية من الهيدروجين نتيجة حدوث التفاعل الناشر للحرارة وهو تفاعل انزياح ماء-غاز:

CO + H2O → CO2 + H2

يحدث خلال هذا التفاعل عملية تجريد لذرة أكسجين من بخار الماء المضاف من أجل أكسدة CO إلى CO2. عملية الأكسدة هذه تزود الوسط بالطاقة. يمكن تزويد العملية بالطاقة من خلال حرق قسم من الميثان.

طرق أخرى لإنتاج الهيدروجين من الوقود الأحفوري

أكسدة جزئية

يمكن إجراء عملية أكسدة جزئية للهيدروكربونات بإدخال مزيج من الوقود والهواء في وحدة الإصلاح، مما يولّد غاز اصطناع غني بالهيدروجين. يمكن التمميز بين نوعين من عملية الأكسدة الجزئية؛ وهما الأكسدة الجزئية الحرارية (TPOX) أو الأكسدة الجزئية الحفزية (CPOX). يجري التفاعل الكيميائي وفق ما يلي:

CnHm + n/2 O2 → n CO + m/2 H2

إصلاح بلازمي

من الطرق الحديثة لإنتاج الهيدروجين استخدام حرّاق بلازما لحرق الهيدروكربونات لتحويلها إلى أسود الكربون وغاز الهيدروجين دون تشكل غاز ثنائي أكسيد الكربون CO2. تدعى هذه العملية باسم عملية كفيرنر Kværner-process نسبة إلى الشركة النرويجية التي ابتدعتها في ثمانينات القرن العشرين.[7]

تجري حالياً الأبحاث لتطوير كفاءة هذه الطرق والتي تدعى تغويز البلازما.[8]

من الماء

التحليل الكهربائي

ينتج الهيدروجين من التحليل الكهربائي للماء ولكن على نطاق ضيق صناعياً.[9] هنالك ثلاثة أنواع من خلايا التحليل الكهربائي للماء وهي خلايا تحليل الأكسيد الصلب (SOEC's) وخلايا تحليل الغشاء البوليميري (PEM) وخلايا تحليل قلوية (AEC's).

هنالك اقتراحات عدة للتقليل من استهلاك الطاقة اللازمة لعملية التحليل الكهربائي وذلك بإجراء عملية التحليل الكهربائي عند درجات حرارة مرتفعة، عادة حوالي 800°س، وفي نفس الوقت تأمين مصدر لهذه الطاقة مثل الطاقة الصادرة عن حرق المخلفات الصناعية أو من المحطات النووية، أو من الطاقة الشمسية المركزة.[9][10][11]

دورة كيميائية حرارية

يجمع أسلوب الدورة الكيميائية الحرارية استخدام مصادر كيميائية وحرارية لفصل الماء إلى مكوناته من الهيدروجين والأكسجين.[12] يستخدم للفظ دورة لأن المواد المستخدمة في هذه العملية يعاد تدويرها.

طريقة فيروسليكون

يستخدم الفيروسليكون لإنتاج الهيدروجين بشكل سريع وفعال على نطاق ضيق. تتضمن الطريقة استعمال كل من هيدروكسيد الصوديوم والفيروسليكون والماء ومزجها مع بعضها البعض.[13] يملأ وعاء ضغط بالهيدروكسيد والفيروسليكون ثم تضاف كميات مدروسة من الماء، ينتج عنها الهيدروجين وبخار الماء بالإضافة إلى سيليكات الصوديوم.[14]

في نوفمبر 2021 ، ربطت وزارة الصناعة والتجارة سيستيما بمشروع خاباروفسك التجريبي لإنتاج 350 ألف طن من الهيدروجين الأخضر المخطط له سنويا.[15][16]

مراجع

  1. ^ Zheng، Yao؛ Jiao، Yan؛ Vasileff، Anthony؛ Qiao، Shi‐Zhang (2018). "The Hydrogen Evolution Reaction in Alkaline Solution: From Theory, Single Crystal Models, to Practical Electrocatalysts". Angewandte Chemie International Edition. ج. 57 ع. 26: 7568–7579. DOI:10.1002/anie.201710556. PMID:29194903.
  2. ^ Gray، Harry B. (2009). "Powering the planet with solar fuel". Nature Chemistry. ج. 1 ع. 1: 7. Bibcode:2009NatCh...1....7G. DOI:10.1038/nchem.141. PMID:21378780.
  3. ^ Sui، Yiming؛ Ji، Xiulei (2021). "Anticatalytic Strategies to Suppress Water Electrolysis in Aqueous Batteries". Chemical Reviews. ج. 121 ع. 11: 6654–6695. DOI:10.1021/acs.chemrev.1c00191. PMID:33900728.
  4. ^ Häussinger، Peter؛ Lohmüller، Reiner؛ Watson، Allan M. (2011). "Hydrogen, 1. Properties and Occurrence". Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. DOI:10.1002/14356007.a13_297.pub2. ISBN:978-3-527-30673-2.
  5. ^ Fossil fuel processor نسخة محفوظة 27 أبريل 2009 على موقع واي باك مشين.
  6. ^ "HFCIT Hydrogen Production: Natural Gas Reforming". U.S. Department of Energy. 15 ديسمبر 2008. مؤرشف من الأصل في 2014-02-09.
  7. ^ Bellona-HydrogenReport نسخة محفوظة 03 يونيو 2016 على موقع واي باك مشين.
  8. ^ Kværner-process with plasma arc waste disposal technology نسخة محفوظة 13 مارس 2014 على موقع واي باك مشين.
  9. ^ ا ب Ogden، J.M. (1999). "Prospects for building a hydrogen energy infrastructure". Annual Review of Energy and the Environment. ج. 24: 227–279.
  10. ^ Hauch، Anne؛ Ebbesen، Sune Dalgaard؛ Jensen، Søren Højgaard؛ Mogensen، Mogens (2008). "Highly efficient high temperature electrolysis". Journal of Materials Chemistry. ج. 18 ع. 20: 2331–40. DOI:10.1039/b718822f.
  11. ^ "Nuclear power plants can produce hydrogen to fuel the 'hydrogen economy'" (Press release). American Chemical Society. 25 مارس 2012. مؤرشف من الأصل في 2019-12-10. اطلع عليه بتاريخ 2013-03-09.
  12. ^ "Producing hydrogen: The Thermochemical cycles" (PDF). مؤرشف (PDF) من الأصل في 2013-12-11. اطلع عليه بتاريخ 2014-04-05.
  13. ^ Report No 40: The ferrosilicon process for the generation of hydrogen نسخة محفوظة 06 يونيو 2011 على موقع واي باك مشين.
  14. ^ Candid science: conversations with famous chemists, István Hargittai, Magdolna Hargittai, p. 261, Imperial College Press (2000) ISBN 1-86094-228-8 نسخة محفوظة 14 أبريل 2019 على موقع واي باك مشين.
  15. ^ https://lenta.ru/articles/2022/02/21/farmb/ نسخة محفوظة 2023-06-24 على موقع واي باك مشين.
  16. ^ "Феликс Евтушенков в АФК «Система» и предпринимательская деятельность вне корпорации" (بru-RU). Archived from the original on 2023-07-25. Retrieved 2023-07-25.{{استشهاد ويب}}: صيانة الاستشهاد: لغة غير مدعومة (link)