Hydrogen – Nhiên liệu sạch cho tương lai và cứu cánh cho hiện tại (Kỳ 1)

 Hydrogen (H) – nguyên tố đứng đầu trong bảng Hệ thống tuần hoàn các nguyên tố của D.I. Mendeleev, là nguyên tố phổ biến nhất trên hành tinh và cũng là tương lai tươi sáng của ngành năng lượng thế gới.

KỲ 1: NGUỒN NĂNG LƯỢNG SẠCH, PHỔ BIẾN VÀ DỄ TIỆM CẬN

Hydro tự do chỉ được tìm thấy trên hành tinh của chúng ta với số lượng rất hạn chế. Đôi khi nó có thể được giải phóng trong quá trình phun trào núi lửa cùng với các khí khác, hoặc từ các giếng dầu. Nhưng hydro rất phổ biến trong các hợp chất khác nhau.

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).

Độ tinh khiết của hydro là do độ tinh khiết của các sản phẩm ban đầu. Hydro có thể chứa các vết tạp chất của hydro sunfua, nitơ, hydro sunfua. Vì vậy, cần tinh chế để loại bỏ các vết tạp chất này. Ví dụ, sắt có thể được sử dụng thay vì kẽm, ở dạng phoi bào hoặc các kim loại khác. Thay thế axit sulfuric bằng axit clohydric là không mong muốn, vì hydro sẽ hút hydro clorua. Đối với phản ứng này, kẽm và axit sunfuric thường được sử dụng. Sau đây là phương trình phản ứng sử dụng axit sunfuric:

Zn + H2SO4 → ZnSO4 + H2↑

Hình 2. Các phương pháp thu hydro: (a) – đẩy nước và (b) đẩy không khí.

2/ Trong tương tác của canxi với nước:

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

Tài liệu tham khảo:

1/ IEA, Navigant Research, Ecofys, IRENA, Hydrogen Council, IAE, ACIL ALLEN Consulting;

2/ CSIRO, Hydrogenics.