گاز هیدروژن (Hydrogen Gas)
گاز هیدروژن با فرمول شیمیایی H₂، سبکترین عنصر در جدول تناوبی و فراوانترین گاز در کیهان است. این گاز در حالت عادی بیرنگ، بیبو و بیمزه بوده و از نظر شیمیایی بسیار فعال است. به دلیل چگالی بسیار پایین، سریع در جو زمین پراکنده میشود و بهطور طبیعی بیشتر بهصورت ترکیب با سایر عناصر مانند اکسیژن و کربن یافت میشود.
هیدروژن یکی از مهمترین منابع انرژی پاک محسوب شده و در بسیاری از فرآیندهای صنعتی و فناوریهای نوین کاربرد دارد. از ویژگیهای مهم این گاز میتوان به اشتعالپذیری بالا، توانایی واکنش با بسیاری از عناصر، سبکی و قابلیت استفاده در تولید انرژی اشاره کرد. به دلیل این خواص، هیدروژن همواره بهعنوان یکی از عناصر کلیدی در حوزههای مختلف علمی و صنعتی مورد توجه بوده است.
مشاهده گواهی
تاریخچه گاز هیدروژن
گاز هیدروژن (H₂) به عنوان سادهترین و فراوانترین عنصر در جهان، تاریخچهای طولانی و تاثیرگذار در زمینههای علمی و صنعتی دارد. هیدروژن در ابتدا به عنوان یک عنصر شیمیایی شناخته نمیشد، اما اولین شواهد از وجود آن به قرن هفدهم میلادی برمیگردد. در سال ۱۶۷۱، شیمیدان انگلیسی هنری کافیلد (Henry Cavendish) توانست هیدروژن را از طریق واکنش اسیدهای خاص با فلزات به دست آورد و آن را بهعنوان گازی با ویژگیهای خاص مانند اشتعالپذیری بالا توصیف کرد. او این گاز را “آبساز” یا “آبافزای” نامید، زیرا متوجه شد که هیدروژن در ترکیب با اکسیژن آب تولید میکند.
در اوایل قرن نوزدهم، دانشمندان بیشتری در مطالعه ویژگیهای هیدروژن فعالیت کردند. آنتوان لافوازیه (Antoine Lavoisier)، شیمیدان فرانسوی، در سال ۱۷۸۳ نشان داد که هیدروژن با اکسیژن ترکیب شده و آب تولید میکند و آن را بهعنوان یک عنصر شیمیایی مجزا معرفی کرد. این کشف به یکی از بزرگترین پیشرفتهای علمی آن زمان تبدیل شد و موجب تحول در درک ما از فرآیندهای شیمیایی و طبقهبندی عناصر شد.
در قرن نوزدهم، هیدروژن بهطور گستردهای در صنعت و علم استفاده شد. در اواسط این قرن، مایکل فارادی (Michael Faraday) توانست واکنشهای الکترولیز آب را برای تولید هیدروژن و اکسیژن کشف کند، که مبنای تکنیکهای مدرن تولید گاز هیدروژن شد. در همین دوره، هیدروژن بهعنوان یکی از منابع انرژی در موتورهای احتراقی و همچنین در فرآیندهای شیمیایی مانند هیدروژنهسازی و تولید آمونیاک استفاده شد.
خواص فیزیکی و شیمیایی گاز هیدروژن
گاز هیدروژن (H₂) یک گاز بیرنگ، بیبو و بیمزه است که در شرایط استاندارد به صورت گاز تکاتمی در میآید. این گاز سبکترین عنصر در جدول تناوبی است و چگالی آن بسیار پایینتر از هوا میباشد. هیدروژن دارای نقطه ذوب -۲۵۹.۲ درجه سلسیوس و نقطه جوش -۲۵۲.۸ درجه سلسیوس است. این گاز به شدت قابل اشتعال است و در ترکیب با اکسیژن به سرعت واکنش داده و شعلهای شدید تولید میکند. هیدروژن میل زیادی به تشکیل ترکیبات با سایر عناصر دارد و بهویژه در واکنشهای شیمیایی مانند هیدروژنهسازی و تولید آمونیاک کاربرد دارد. همچنین هیدروژن یک گاز غیر سمی است، ولی در غلظتهای بالا میتواند موجب کاهش اکسیژن در فضاهای بسته و خطرات تنفسی ایجاد کند. در صنعت، هیدروژن بهعنوان ماده اولیه در فرآیندهای شیمیایی، تولید انرژی و همچنین بهعنوان سوخت در پیلهای سوختی و موتورهای راکتی استفاده میشود.
از انواع خواص فیزیکی و شیمیایی این گاز در جدول زیر ذکر شده است :
|
نام علمی |
Hydrogen |
|---|---|
|
فرمول شیمیایی |
H₂ |
|
جرم اتمی |
۲.۰۱۶ g/mol |
|
حالت فیزیکی |
گاز |
|
رنگ |
بدون رنگ |
|
بو |
بدون بو |
|
چگالی |
۰.۰۸۹۸۸ g/L (at 0°C, 1 atm) |
|
نقطه ذوب |
℃۲۵۹.۱۶ - |
|
نقطه جوش |
℃۲۵۲.۸۷ - |
|
حلالیت در آب |
۱.۶ mg/L (at 25°C) |
|
PH محلول آبی |
خنثی |
|
قطبیت |
غیرقطبی |
|
ویسکوزیته |
۸.۷۶ µPa·s (at 25°C) |
|
گرمای ویژه |
۱۴.۳ kJ/kg·K |
|
فشار بحرانی |
۱.۲۹ MPa |
|
دمای بحرانی |
℃۳۱.۱ |
موارد ایمنی و خطرات گاز هیدروژن
نکات ایمنی و مخاطرات گاز هیدروژن و پیشگیری از خطرات احتمالی
|
طبقه بندی ماده |
گاز قابل اشتعال-گازهای تحت فشار |
|---|---|
|
نماد خطر |
|
|
کلاس خطر(لوزی خطر) |
|
|
علائم |
پیشگیری |
کمک های اولیه |
|
|---|---|---|---|
|
استنشاق |
کاهش اکسیژن خون |
انتقال فرد به هوای تازه، در صورت نیاز تنفس مصنوعی انجام شود و به پزشک مراجعه شود |
استفاده از تهویه مناسب و ماسک تنفسی در محیطهای بسته |
|
پوست |
یخزدگی پوست |
استفاده از دستکش و لباس محافظ |
گرم کردن تدریجی محل آسیبدیده و مراجعه به پزشک |
|
چشم ها |
تحریک چشمها |
استفاده از عینک ایمنی و محافظ صورت |
شستوشوی فوری چشمها با آب به مدت ۱۵ دقیقه و مراجعه به پزشک |
فرآیند تولید گاز هیدروژن
گاز هیدروژن از روشهای مختلفی تولید میشود. الکترولیز آب با استفاده از برق برای تجزیه آب به هیدروژن و اکسیژن است که مزایای آن خلوص بالا و بدون آلایندگی است، اما هزینهبر است. گازسازی متان (SMR) رایجترین روش است که در آن متان با بخار آب واکنش داده و هیدروژن تولید میشود، اما باعث تولید دیاکسید کربن میشود. گازسازی زغالسنگ در مناطقی با منابع زغالسنگ استفاده میشود، ولی آلودگی زیادی ایجاد میکند. تولید هیدروژن از بیوگاز از منابع زیستی انجام میشود، که مزیت آن استفاده از منابع تجدیدپذیر است، اما کارایی پایینی دارد. تریتینک (Photoelectrochemical Water Splitting) از انرژی خورشیدی برای تولید هیدروژن استفاده میکند و هنوز در حال تحقیق است. واکنشهای نیتروژن-هیدروژن نیز برای تولید هیدروژن از آمونیاک تحت دمای بالا به کار میرود، اما نیاز به انرژی زیاد دارد. این روشها بهطور گسترده در صنایع مختلف برای تولید هیدروژن استفاده میشوند.
الکترولیز آب یکی از روشهای پیشرفته و پاک برای تولید گاز هیدروژن است که با استفاده از جریان الکتریکی، مولکولهای آب (H₂O) را به گازهای هیدروژن (H₂) و اکسیژن (O₂) تجزیه میکند. این فرآیند به ویژه در تولید هیدروژن سبز، که از منابع تجدیدپذیر انرژی بهره میبرد، اهمیت فراوانی دارد.
اصول عملکرد الکترولیز آب
در فرآیند الکترولیز، آب در یک سلول الکترولیتی قرار میگیرد که شامل دو الکترود (آند و کاتد) و یک الکترولیت است. با اعمال ولتاژ مناسب، واکنشهای الکتروشیمیایی زیر رخ میدهند:
- در آند (الکترود مثبت):
2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ - در کاتد (الکترود منفی):
4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂
نتیجه این واکنشها تولید گاز هیدروژن در کاتد و گاز اکسیژن در آند است.
انواع فناوریهای الکترولیز
- الکترولیز قلیایی (Alkaline Electrolysis):
این فناوری از محلولهای قلیایی مانند پتاسیم هیدروکسید (KOH) به عنوان الکترولیت استفاده میکند. الکترولیز قلیایی به دلیل سادگی و هزینه کمتر، یکی از روشهای متداول در صنعت است. - الکترولیز با غشای تبادل پروتون (PEM):
در این روش، از غشای تبادل پروتون برای جدا کردن گازهای تولید شده استفاده میشود. الکترولیز PEM دارای بازدهی بالا و پاسخدهی سریع است، اما هزینههای بالاتری نسبت به الکترولیز قلیایی دارد. - الکترولیز با غشای تبادل آنیون (AEM):
این فناوری جدیدتر از غشای تبادل آنیون بهره میبرد و ترکیبی از مزایای الکترولیز قلیایی و PEM را ارائه میدهد. AEM پتانسیل کاهش هزینهها و افزایش بازدهی را دارد.
کاربردها در صنعت
الکترولیز آب در صنایع مختلفی کاربرد دارد، از جمله:
- تولید گاز هیدروژن برای استفاده در پیلهای سوختی
- تولید آمونیاک در صنعت کودسازی
- کاربرد در صنایع شیمیایی و پالایشگاهها
- ذخیرهسازی انرژی از منابع تجدیدپذیر
الکترولیز آب یک روش پایدار و پاک برای تولید گاز هیدروژن است که با پیشرفت فناوری و کاهش هزینهها، میتواند نقش مهمی در انتقال به اقتصاد کمکربن ایفا کند. با توجه به نیاز روزافزون به انرژیهای پاک، توسعه و بهینهسازی این فناوری از اهمیت ویژهای برخوردار است.
در صنعت مدرن، یکی از پرکاربردترین روشهای تولید گاز هیدروژن، فرآیندی است تحت عنوان «ریفرمینگ با بخار» یا همان SMR. این روش که بهطور گسترده در پالایشگاهها و پتروشیمیها به کار میرود، اتکای مستقیم به گاز طبیعی دارد. در واقع، متان بهعنوان مولکول پایهای گاز طبیعی، منبع اصلی هیدروژن در این فرآیند به شمار میرود. نکته مهم در اینجا آن است که در این روش برخلاف الکترولیز، نیاز چندانی به برق نیست، بلکه فرآیند با گرما و کاتالیزورها هدایت میشود.
ریفرمینگ بخار در دو مرحلهی اصلی انجام میشود. ابتدا متان با بخار آب در دمایی نزدیک به ۸۰۰ تا ۹۰۰ درجهی سانتیگراد واکنش داده و هیدروژن و مونواکسید کربن تولید میشود. این مرحله نیاز به حضور کاتالیزورهای فلزی – معمولاً نیکل – دارد که سطح واکنش را فعال نگه دارند. واکنش شیمیایی اولیه بهصورت زیر تعریف میشود:
CH₄ + H₂O ⇌ CO + 3H₂
اما این پایان کار نیست. در مرحله دوم که به آن واکنش تغییر آب-گاز (Water-Gas Shift Reaction) گفته میشود، مونواکسید کربن حاصل از مرحله اول با بخار آب واکنش میدهد تا دیاکسید کربن و مقدار بیشتری هیدروژن حاصل شود:
CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂
در واقع این ترکیب دو مرحلهای باعث میشود راندمان تولید گاز هیدروژن در واحد حجم گاز طبیعی افزایش یابد. البته لازم به ذکر است که این فرآیند، اگرچه مقرونبهصرفه است، اما با انتشار CO₂ همراه است. بنابراین در مباحث مربوط به تولید هیدروژن کمکربن یا هیدروژن آبی (Blue Hydrogen)، معمولاً فناوری جذب و ذخیرهسازی کربن (CCS) نیز در کنار SMR مورد استفاده قرار میگیرد.
در محیطهای صنعتی، واحدهای SMR معمولاً جزو هستهی مرکزی تولید گازهای سنتزی محسوب میشوند و به شکل گسترده در صنایع شیمیایی، ساخت آمونیاک و فرآیندهای پالایشی استفاده میشوند. طراحی این واحدها بهگونهای است که بتوانند به صورت پیوسته گاز هیدروژن با خلوص بالا تولید کنند. همچنین نسبت بخار به گاز (Steam to Carbon Ratio) بهعنوان یکی از پارامترهای کلیدی، در کنترل دمای واکنش و جلوگیری از تشکیل دوده (کربن جامد) نقش حیاتی دارد.
در دهههای اخیر، تلاشهایی برای افزایش بازدهی این روش و کاهش مصرف انرژی آن صورت گرفته است. استفاده از کورههای بازیافت حرارتی، پیشگرمکنهای بخار و بهینهسازی طراحی کاتالیزورها از جمله اقدامات فناورانهای است که راندمان سیستمهای SMR را بالا برده است. همچنین برخی مطالعات در حال بررسی استفاده از گازهای زیستی (Biogas) بهجای متان فسیلی در این فرآیند هستند تا ردپای کربنی آن کاهش یابد.
نکتهای که نباید فراموش کرد این است که SMR بهواسطهی عملکرد پیوسته، هزینه پایینتر نسبت به الکترولیز، و حجم تولید بالا، هنوز هم ستون فقرات تولید جهانی گاز هیدروژن را تشکیل میدهد. اما با توجه به الزامات زیستمحیطی آینده، بهینهسازی این فناوری یا جایگزینی آن با روشهای سبزتر یک ضرورت محسوب میشود.
پیش از آنکه گاز طبیعی به منبع غالب برای تولید گاز هیدروژن تبدیل شود، گازیسازی زغالسنگ بهعنوان روش اصلی در صنایع شیمیایی و تولید انرژی شناخته میشد. این روش که ریشهای تاریخی در توسعهی اولیهی صنایع پتروشیمی دارد، امروزه نیز در کشورهایی که منابع زغالسنگ غنی دارند – مانند چین، آفریقای جنوبی و هند – نقش کلیدی در زنجیره تأمین گاز هیدروژن ایفا میکند.
در فرآیند گازیسازی، زغالسنگ در دمای بالا (معمولاً بین ۱۰۰۰ تا ۱۵۰۰ درجهی سانتیگراد) و در حضور مقادیر کنترلشدهای از اکسیژن یا هوا و بخار، به گاز سنتزی (Syngas) تبدیل میشود. گاز سنتزی عمدتاً شامل مونواکسید کربن (CO)، هیدروژن (H₂)، دیاکسید کربن (CO₂) و مقدار کمی متان است. معادلهی کلی گازیسازی را میتوان به شکل زیر خلاصه کرد:
C + H₂O + O₂ ⇌ CO + H₂ + CO₂
در این واکنش، زغالسنگ بهعنوان منبع کربن وارد واکنش میشود و با بخار و اکسیژن در شرایط غیرمستقیم (محیط با اکسیژن ناکامل) واکنش داده و گازهایی تولید میکند که قابلیت جداسازی دارند. سپس در مرحلهی بعد، مشابه فرآیند SMR، واکنش تغییر آب-گاز برای تبدیل بیشتر CO به H₂ انجام میشود و خلوص گاز هیدروژن افزایش مییابد.
از نظر طراحی صنعتی، راکتورهای گازیسازی معمولاً به سه دستهی بستر ثابت، بستر سیالشونده و راکتورهای فشار بالا تقسیم میشوند. انتخاب نوع راکتور بسته به نوع زغالسنگ (قیری، نیمهقهوهای، آنتراسیت)، اندازه ذرات، رطوبت موجود، و بازده انرژی مورد انتظار، تعیین میشود.
در مقایسه با دیگر روشهای تولید، گازیسازی زغالسنگ پیچیدگی عملیاتی بالاتری دارد و تجهیزات مورد نیاز برای مدیریت خاکستر، گوگرد و فلزات سنگین موجود در زغالسنگ، بسیار تخصصی هستند. همچنین تصفیه گاز سنتزی برای حذف ناخالصیهایی چون سولفید هیدروژن (H₂S)، آمونیاک (NH₃) و ذرات معلق، بخش جداییناپذیر این فناوری است. به همین دلیل، واحدهای گازیسازی عمدتاً در مجتمعهای عظیم صنعتی نصب میشوند که توانایی فنی و اقتصادی برای مدیریت این پیچیدگیها را دارند.
با وجود چالشهای زیستمحیطی و هزینههای بالای تصفیه، گازیسازی زغالسنگ هنوز در مناطقی که به منابع گازی دسترسی محدودی دارند، جایگزینی عملی برای SMR بهشمار میآید. برخی فناوریهای نوین در حال توسعهاند تا با ادغام گازیسازی با فناوری جذب کربن (CCUS)، امکان تولید گاز هیدروژن کمکربن از زغالسنگ فراهم شود. در این سناریو، اصطلاح "هیدروژن آبی" یا حتی "هیدروژن خاکستری پاکشده" مطرح میشود که بیانگر عبور از تولید آلاینده به یک فرآیند کنترلشدهتر است.
در نهایت، نقش گازیسازی زغالسنگ در آیندهی صنعت هیدروژن به میزان توانایی کشورها در مدیریت آلایندهها، دسترسی به منابع جایگزین، و سیاستگذاریهای کربنمحور وابسته است.
الکترولیز آب، یکی از خالصترین روشهای تولید گاز هیدروژن در جهان صنعتی امروز است؛ روشی که برخلاف بسیاری از فرآیندهای مبتنی بر سوختهای فسیلی، گاز دیاکسید کربن تولید نمیکند و در صورت بهرهگیری از برق تجدیدپذیر، بهطور کامل فاقد ردپای کربن خواهد بود. همین ویژگی باعث شده تا در بسیاری از نقشههای راه اقتصاد هیدروژنی، این فناوری در قلب راهبردهای توسعه قرار گیرد.
فرآیند الکترولیز آب مبتنی بر عبور جریان برق از طریق آب خالص یا محلول الکترولیتی برای شکستن مولکولهای آب به دو عنصر پایه یعنی هیدروژن و اکسیژن است:
۲H₂O(l) → ۲H₂(g) + O₂(g)
در این واکنش، جریان مستقیم برق باعث تحریک یونهای آب در دو الکترود مثبت و منفی میشود. در آند (الکترود مثبت)، آب به اکسیژن، پروتون (H⁺) و الکترون تجزیه میشود. در کاتد (الکترود منفی)، الکترونها با پروتونها ترکیب شده و گاز هیدروژن تولید میشود. اگرچه واکنش در نگاه اول ساده به نظر میرسد، اما جنبههای فنی و مهندسی بسیار پیچیدهای در آن وجود دارد که تأثیر مستقیمی بر بهرهوری و بازده اقتصادی آن دارند.
در دنیای صنعتی، سه نوع الکترولایزر عمده استفاده میشود:
الکترولایزر قلیایی (Alkaline Electrolyzer): که بر پایه محلول پتاس یا سود سوزآور در آب کار میکند و قدیمیترین و پرکاربردترین نوع است.
الکترولایزر PEM (Proton Exchange Membrane): که با استفاده از غشای تبادل پروتون، گاز هیدروژن با خلوص بالا و با واکنشپذیری سریعتر تولید میکند.
الکترولایزر اکسید جامد (SOEC): که در دمای بالا عمل میکند و برای یکپارچهسازی با واحدهای گرمایی صنعتی مناسبتر است.
انتخاب نوع الکترولایزر به شدت وابسته به نوع کاربرد، هزینه برق مصرفی، و میزان خلوص مورد نیاز برای گاز هیدروژن است. بهعنوان مثال، در بخشهای حملونقل یا صنایع نیمهرسانا، خلوص بالا و واکنش سریع PEM اولویت دارد، در حالیکه در واحدهای بزرگ صنعتی، مقرونبهصرفهبودن الکترولایزرهای قلیایی آنها را گزینهی اصلی میکند.
موضوع مهم دیگر در الکترولیز، منبع برق است. اگر انرژی مورد استفاده از منابع فسیلی تأمین شود، فرآیند عملاً "سبز" نخواهد بود، حتی اگر دیاکسید کربنی تولید نکند. در نتیجه، استفاده از انرژی خورشیدی، بادی یا برق آبی برای تأمین برق الکترولایزرها به یک اصل کلیدی در تولید هیدروژن سبز تبدیل شده است.
از دیدگاه مهندسی، چالشهایی مانند خوردگی قطعات، هزینهی بالای غشاهای تبادل پروتون، مدیریت گرمای تولید شده در سلولها، و کنترل دقیق pH و دما در راکتور، از جمله موانع توسعهی فراگیر این فناوری هستند. با این حال، پیشرفتهای چشمگیر در کاهش هزینه الکترولایزرها و افزایش عمر مفید آنها باعث شده تا بسیاری از کشورها، الکترولیز را بهعنوان مسیر اصلی تولید هیدروژن پاک در دهههای آینده برگزینند.
در نهایت، موفقیت این روش به میزان دسترسی پایدار و ارزان به انرژی تجدیدپذیر بستگی دارد؛ فاکتوری که بهویژه در مناطق آفتابی، بادخیز یا دارای ظرفیت آبی بالا، آن را به گزینهای استراتژیک برای توسعهی زیرساخت هیدروژنی بدل میکند.
تولید بیولوژیکی گاز هیدروژن، نقطه تلاقی علم میکروبیولوژی، مهندسی زیستمحیطی و فناوری انرژیهای نو است. برخلاف فرآیندهای حرارتی یا الکتروشیمیایی، این روش از پتانسیل ذاتی برخی موجودات زنده، از جمله باکتریها، جلبکها و سیانوباکترها برای تولید گاز هیدروژن در شرایط کنترلشده استفاده میکند.
در اصل، برخی از این میکروارگانیسمها هنگام متابولیسم مواد آلی (مانند قندها یا ضایعات زیستی) یا در طی فتوسنتز بیهوازی، گاز هیدروژن تولید میکنند. این فرآیندها بر پایه آنزیمهایی همچون هیدروژناز (Hydrogenase) و نیتروژناز (Nitrogenase) صورت میگیرند که توانایی شکستن پیوندهای هیدروژنی یا تولید مستقیم مولکول H₂ را دارند.
مسیرهای اصلی تولید بیوهیدروژن عبارتند از:
- تولید تاریک (Dark Fermentation): در این فرآیند، باکتریهای تخمیرکننده مانند Clostridium بدون نیاز به نور و در محیط بیهوازی، قندها و کربوهیدراتها را به گاز هیدروژن، دیاکسید کربن و اسیدهای آلی تبدیل میکنند. این روش به دلیل سادگی عملیاتی و نرخ تولید بالای هیدروژن، از جذابترین مسیرهای تحقیقاتی محسوب میشود.
- فتوتخمیر (Photofermentation): در حضور نور و باکتریهای فوتوتروف (مانند Rhodobacter)، اسیدهای آلی تولیدشده از تخمیر تاریک میتوانند به هیدروژن و CO₂ تجزیه شوند. این فرآیند بازدهی بالاتری نسبت به تولید تاریک دارد ولی کنترل شرایط نوری، دما و pH در آن دشوارتر است.
- فتوسنتز زیستی (Biophotolysis): برخی جلبکهای سبز و سیانوباکترها قادرند با استفاده از انرژی نور خورشید و آنزیم هیدروژناز، مستقیماً آب را به اکسیژن و هیدروژن تجزیه کنند. این روش از نظر تئوریک نزدیکترین مدل به الکترولیز خورشیدی آب است، اما در عمل با محدودیتهای بیولوژیکی جدی روبهروست.
فرایندهای زیستی تولید گاز هیدروژن نیاز به سیستمهای پیچیدهای برای کنترل زیستمحیطی دارند. عواملی مانند غلظت بستر، نوع منبع کربنی، شرایط نوری، حضور فلزات سنگین، دمای محیط، اکسیژن محلول و pH محیط کشت، همگی بهطور مستقیم بر نرخ تولید و پایداری عملکرد میکروارگانیسمها تأثیر میگذارند. طراحی بیوراکتورهای خاص برای حفظ عملکرد پایدار این موجودات، یکی از چالشهای کلیدی در تجاریسازی این فناوری است.
همچنین یکی از جذابترین جنبههای این روش، امکان استفاده از پسماندهای کشاورزی، فاضلاب شهری، ضایعات غذایی و منابع آلی تجدیدپذیر برای تولید هیدروژن است. این ویژگی نهتنها باعث کاهش هزینهی مواد اولیه میشود، بلکه میتواند بهعنوان بخشی از راهکارهای مدیریت پسماندهای زیستی نیز مطرح شود.
در نگاه کلان، تولید بیولوژیکی گاز هیدروژن هنوز در مراحل آزمایشگاهی و پایلوت قرار دارد و فاصلهی زیادی تا مقیاس صنعتی دارد. با این حال، روند افزایشی سرمایهگذاری پژوهشی در این حوزه، نشان از آن دارد که جوامع علمی و صنعتی به ظرفیتهای بالقوه آن برای ایفای نقشی کلیدی در آیندهی اقتصاد انرژی اعتقاد دارند.
یکی از نوآوریهای امیدوارکننده در زمینه تولید هیدروژن، استفاده از نور خورشید برای تجزیه آب به هیدروژن و اکسیژن است. این روش که به نام تریتینک (Photoelectrochemical Water Splitting) شناخته میشود، هنوز در مراحل تحقیقاتی قرار دارد، اما به دلیل پتانسیل بالای آن برای تبدیل انرژی خورشیدی به سوختهای پاک و پایدار، توجه زیادی را جلب کرده است.
فرآیند تریتینک
در فرآیند تریتینک، از نور خورشید به عنوان منبع انرژی برای شکستن مولکولهای آب به هیدروژن و اکسیژن استفاده میشود. این فرآیند بهطور مستقیم از انرژی خورشیدی برای تولید هیدروژن بهره میبرد، که این خود باعث میشود هیدروژن تولید شده بهطور بالقوه کاملاً سبز و بدون آلایندگی باشد. در این فرآیند، نور خورشید بهوسیله مواد نیمهرسانا خاصی که به نام فوتوکاتالیزورها شناخته میشوند، جذب میشود. این فوتوکاتالیزورها انرژی نوری را به انرژی شیمیایی تبدیل کرده و باعث تجزیه مولکولهای آب میشوند.
در این روش، معمولاً از مواد خاصی به نام الکترودهای فوتوکاتالیستی استفاده میشود که نور خورشید را جذب کرده و فرآیند تجزیه آب را به هیدروژن و اکسیژن انجام میدهند. این مواد به گونهای طراحی شدهاند که میتوانند فرآیند تجزیه آب را بهصورت مؤثری تحت تأثیر نور خورشید انجام دهند.
چگونه نور خورشید مولکولهای آب را تجزیه میکند؟
فرآیند تجزیه آب به هیدروژن و اکسیژن از طریق نور خورشید در سیستم تریتینک بهطور مشابه به فتوسنتز در گیاهان عمل میکند. در این سیستم، نور خورشید به فوتونها تبدیل شده و این فوتونها در نهایت انرژی خود را به مولکولهای آب منتقل میکنند. فوتونهای نور خورشید از طریق الکترودهای نیمهرسانا به سیستم وارد شده و الکترونها را از مولکولهای آب جدا میکنند.
این فرآیند باعث تولید اکسیژن در قطب مثبت (آند) و هیدروژن در قطب منفی (کاتد) میشود. در نتیجه، مولکولهای آب به دو گاز جداگانه تجزیه میشوند که بهطور مستقل میتوانند جمعآوری و ذخیره شوند.
مزایای روش تریتینک
استفاده از منابع انرژی پاک: این روش به طور مستقیم از نور خورشید برای تولید هیدروژن استفاده میکند، که آن را به یکی از پاکترین روشها برای تولید هیدروژن تبدیل میکند.
بدون تولید آلودگی: برخلاف روشهای تولید هیدروژن از سوختهای فسیلی یا حتی از برخی روشهای تجدیدپذیر دیگر، در این روش هیچگونه گاز گلخانهای یا آلایندهای تولید نمیشود.
پتانسیل بالا برای مقیاسبندی: استفاده از نور خورشید به عنوان منبع انرژی میتواند بهطور بالقوه در مقیاسهای بزرگ و در سراسر دنیا قابل اجرا باشد.
چالشها و موانع موجود
با وجود مزایای قابل توجه، فرآیند تریتینک هنوز در مراحل تحقیقاتی است و چالشهای زیادی برای تجاریسازی آن وجود دارد. برخی از این چالشها عبارتند از:
- عملکرد پایین مواد فوتوکاتالیزور: یکی از بزرگترین چالشها، بهبود عملکرد مواد فوتوکاتالیزور است. این مواد باید قادر باشند انرژی نور خورشید را با کارایی بالا جذب کرده و آن را به انرژی شیمیایی تبدیل کنند. در حال حاضر، بسیاری از مواد فوتوکاتالیزور دارای کارایی پایینی هستند.
- هزینه بالا: تولید فوتوکاتالیزورهای مناسب و پایدار هنوز هزینه بالایی دارد، که این موضوع میتواند مانعی برای تجاریسازی این فناوری در مقیاس صنعتی باشد.
- نیاز به فناوریهای پیشرفته: تریتینک به فناوریهای پیشرفته و مواد خاص نیاز دارد که در حال حاضر در مقیاسهای کوچک و آزمایشگاهی قابل دسترسی هستند، اما برای مقیاسهای بزرگتر، هنوز نیاز به توسعههای بیشتری در زمینه فناوریها و زیرساختها وجود دارد.
چشمانداز آینده
در حالی که تریتینک هنوز به طور کامل تجاریسازی نشده است، این روش پتانسیل زیادی برای تولید هیدروژن پاک و پایدار دارد. با پیشرفتهای بیشتر در زمینه مواد فوتوکاتالیزور و فناوریهای مرتبط، میتوان انتظار داشت که این روش در آینده به یک گزینه مهم برای تولید هیدروژن از منابع تجدیدپذیر تبدیل شود. اگر این فناوری به بلوغ برسد، میتواند بهعنوان یکی از راهحلهای اساسی برای مقابله با چالشهای تغییرات اقلیمی و تولید انرژی پاک شناخته شود.
مطمئناً! در ادامه به توضیح روش **"واکنشهای نیتروژن-هیدروژن (Ammonia Cracking)"** که عنوان شماره ۷ است، میپردازیم:
واکنشهای نیتروژن-هیدروژن (Ammonia Cracking)
واکنشهای نیتروژن-هیدروژن یا همان شکستن آمونیاک، یکی از فرآیندهای نوین در تولید هیدروژن است که در آن آمونیاک (NH₃) تحت دمای بالا تجزیه میشود تا هیدروژن آزاد کند. این روش بهویژه در زمینه ذخیرهسازی و حمل هیدروژن در مقیاسهای بزرگ، کاربرد زیادی دارد. تولید هیدروژن از آمونیاک به دلیل ویژگیهای خاص آمونیاک در زمینه ذخیرهسازی و حمل، یک گزینه جذاب برای تولید و انتقال هیدروژن محسوب میشود.
فرآیند شکستن آمونیاک (Ammonia Cracking)
در این فرآیند، آمونیاک که بهعنوان یک ترکیب شیمیایی حاوی نیتروژن و هیدروژن شناخته میشود، به دمای بالای ۸۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد رسانده میشود. در این دما، آمونیاک به گازهای نیتروژن (N₂) و هیدروژن (H₂) تجزیه میشود. واکنش شیمیایی مربوطه به این صورت است:
$۲ NH₃ → N₂ + ۳ H₂$
این واکنش باعث میشود که هیدروژن آزاد شده و قابل استفاده در فرآیندهای صنعتی یا بهعنوان سوخت باشد. فرآیند تجزیه آمونیاک به هیدروژن در بسیاری از صنایع مانند تولید کود، تولید انرژی و حملونقل هیدروژن کاربرد دارد.
ذخیرهسازی و حمل هیدروژن
یکی از بزرگترین چالشها در استفاده از هیدروژن بهعنوان یک منبع انرژی، ذخیرهسازی و حمل آن است. هیدروژن بهدلیل ویژگیهای خاصی که دارد، بسیار سبک است و ذخیرهسازی آن در حالت گازی نیاز به فشار بالا دارد. از طرفی، ذخیرهسازی هیدروژن بهصورت مایع نیز به دمای بسیار پایین نیاز دارد که فرآیند پرهزینهای است.
آمونیاک بهعنوان یک ترکیب حاوی هیدروژن، میتواند بهعنوان یک حامل هیدروژن در نظر گرفته شود. آمونیاک بهراحتی در دما و فشار معمولی ذخیره میشود و میتوان آن را بهطور ایمن حمل کرد. بنابراین، فرآیند شکستن آمونیاک به هیدروژن بهعنوان یک راهحل عملی برای ذخیرهسازی و حمل هیدروژن بهشمار میآید.
کاربردهای آمونیاک در صنعت
- تولید هیدروژن: آمونیاک بهعنوان منبعی غنی از هیدروژن مورد استفاده قرار میگیرد. در فرآیند شکستن آمونیاک، هیدروژن تولید شده میتواند بهطور مستقیم در صنایع مختلف مانند تولید انرژی، سوخت خودروها یا صنایع شیمیایی مورد استفاده قرار گیرد.
- حمل و ذخیرهسازی هیدروژن: همانطور که اشاره شد، آمونیاک به دلیل ویژگیهای خاص خود برای حمل و ذخیرهسازی هیدروژن بسیار مناسب است. این ویژگی بهویژه در زمینه انتقال هیدروژن در مقیاسهای جهانی کاربرد دارد، زیرا آمونیاک بهراحتی میتواند در تانکرها و لولهها حمل شود.
- صنایع شیمیایی و کودسازی:
آمونیاک بهعنوان یک ماده اولیه در تولید کودهای شیمیایی (بهویژه کودهای ازتدار) استفاده میشود. با توجه به نقش این ترکیب در کشاورزی، شکستن آمونیاک و استفاده از هیدروژن آن در صنایع مختلف میتواند علاوه بر تأمین انرژی، بهعنوان یک مواد اولیه حیاتی در تولیدات شیمیایی و کشاورزی نیز مورد استفاده قرار گیرد.
انواع گاز هیدروژن
| Purity grade | % Purity | Typical impurities (ppm) | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| O₂ | H₂O | N₂ | CnHm | CO + CO₂ | ||
| Grade 5 | ۹۹.۹۹۹% | ۱ | ۲.۵ | ۲.۵ | ۰.۵ | N.D |
| Grade 5.5 | ۹۹.۹۹۹۵% | ۰.۵ | ۱ | ۱ | ۰.۲ | ۰.۲ |
| Grade 6 | ۹۹.۹۹۹۹% | ۰.۳ | ۰.۵ | ۰.۲ | N.D | ۰.۱ |
کاربرد گاز هیدروژن در صنایع مختلف چیست؟
هیدروژن، عنصری ساده با رفتاری پیچیده، امروز نقشی فراتر از یک سوخت ساده ایفا میکند. این گاز سبک و بیرنگ، بهدلیل ویژگیهای شیمیایی خاص خود، در صنایع گوناگون نهتنها بهکار گرفته میشود، بلکه در حال تغییر چهره بسیاری از فرآیندهای تولیدی و فناورانه است.
گرید صنعتی هیدروژن در تولیدات مقیاس بزرگ و صنایع گوناگون کاربرد دارد. این گرید بهعنوان ماده اولیه در فرآیندهای شیمیایی، متالورژی، تولید انرژی و صنایع فضایی استفاده میشود.
- سنتز شیمیایی: هیدروژن با CO ترکیب شده و گاز سنتز تولید میشود که بهعنوان پیشماده در تولید متانول، آمونیاک و هیدروکربنها کاربرد دارد. همچنین در فرآیند فیشر-تروپش، CO و H₂ به هیدروکربنهای مایع تبدیل میشوند که جایگزین نفت خام هستند.
- متالورژی: در صنعت فولادسازی، هیدروژن بهعنوان عامل کاهنده برای احیای سنگ آهن به آهن مذاب استفاده میشود. همچنین، در فرآیند تصفیه نیکل، هیدروژن با تشکیل کربونیل نیکل به جداسازی و تصفیه نیکل کمک میکند.
- تولید سوخت و انرژی: هیدروژن در واکنش گاز-آب، CO را با بخار آب واکنش داده و H₂ و CO₂ تولید میکند. این گاز همچنین در موتورهای احتراق مستقیم و پیلهای سوختی برای تأمین انرژی مورد استفاده قرار میگیرد.
- کاربرد در موشکها: هیدروژن مایع یکی از اجزای اصلی سوخت راکتها است که در مأموریتهای فضایی برای تأمین نیروی پیشران مورد استفاده قرار میگیرد.
- نیروگاههای برق: هیدروژن بهعنوان یک گاز خنککننده در توربینهای نیروگاهی برای بهینهسازی عملکرد و کاهش تلفات انرژی بهکار میرود. هر کیلوگرم گاز هیدروژن دارای محتوای انرژی حدود ۳۳ کیلوواتساعت است. با این حال، میزان برق تولید شده از این مقدار هیدروژن به بازدهی سیستم تبدیل انرژی بستگی دارد. برای مثال، در یک سلول سوختی با بازدهی ۵۰٪، از هر کیلوگرم هیدروژن حدود ۱۶.۵ کیلوواتساعت برق تولید میشود.
این گرید از هیدروژن در صنایع حساستر و برای کاربردهایی که نیاز به خلوص بالا دارند، استفاده میشود.
- صنایع غذایی: در بستهبندی با اتمسفر اصلاحشده، هیدروژن به حفظ رنگ و تازگی محصولات غذایی کمک میکند. همچنین در برخی فرآیندهای تولید روغنهای خوراکی بهعنوان هیدروژنهکننده کاربرد دارد.
- پیلهای سوختی: از هیدروژن در پیلهای سوختی برای تولید برق از طریق واکنش الکتروشیمیایی استفاده میشود. این فناوری در خودروهای هیدروژنی و نیروگاههای تولید برق کاربرد دارد. در ایستگاههای سوختگیری، قیمت هر لیتر گاز هیدروژن معمولاً بر اساس کیلوگرم محاسبه میشود و نه لیتر. بهطور متوسط، قیمت هر کیلوگرم هیدروژن در ایستگاهها بین ۱۰ تا ۲۰ یورو است. با توجه به اینکه هر کیلوگرم هیدروژن میتواند مسافتی حدود ۱۰۰ کیلومتر را برای یک خودروی سوخت سلولی پوشش دهد، هزینه سوخت برای هر کیلومتر بین ۰.۱۰ تا ۰.۲۰ یورو خواهد بود.
- تولید متانول و آمونیاک: هیدروژن یکی از اجزای کلیدی در تولید متانول و آمونیاک است که هر دو در صنایع پتروشیمی و کشاورزی اهمیت بالایی دارند.
- صنایع مخابراتی و فیبر نوری: هیدروژن در ساخت فیبرهای نوری برای حذف ناخالصیها و بهبود کیفیت انتقال دادهها بهکار میرود.
- الکترولیز آب برای تولید هیدروژن: تولید هیدروژن از طریق الکترولیز آب با دو روش آلکالاین و PEM صورت میگیرد که در تولید انرژی پاک نقش مهمی دارد.
گرید فوق خالص هیدروژن برای کاربردهای بسیار حساس و دقیق مانند صنعت الکترونیک و تحقیقاتی استفاده میشود.
- صنایع الکترونیک: هیدروژن در فرآیندهای اچینگ پلاسما برای کنترل لایههای نیمههادیها و ساخت تجهیزات میکروالکترونیک استفاده میشود.
- تحقیقات علمی و سیاستهای جهانی: هیدروژن بهعنوان منبع انرژی پایدار در سیاستهای انرژی جهانی نقش مهمی ایفا میکند و بسیاری از کشورها در حال سرمایهگذاری برای توسعه فناوریهای مبتنی بر هیدروژن هستند.
- مشکلات تردی هیدروژنی: هیدروژن در برخی فلزات نفوذ کرده و باعث شکنندگی آنها میشود که در مهندسی مواد و طراحی تجهیزات صنعتی یک چالش محسوب میشود.
- تفاوت هیدروژن با هلیوم در بادکنکها : یکی از مواردی که در گذشته استفاده میشد، پر کردن بادکنکها با گاز هیدروژن بود. اما به دلیل خاصیت اشتعالپذیری بالای هیدروژن، امروزه از هلیوم که یک گاز بیاثر است، بهعنوان جایگزین استفاده میشود.
هیدروژن به دلیل تنوع کاربردهای صنعتی، انرژی و محیطزیستی، بهعنوان یکی از مهمترین عناصر در آینده انرژی پاک و توسعه فناوریهای نوین شناخته میشود.
انواع سیلندر گاز هیدروژن
برای جا به جایی و ذخیره کربن گاز هیدروژن برای مصارف کم از سیلندرها استفاده میشود. که این سیلندر ها ویژگی های به خصوصی دارند و طبق استاندارد ۷۰۲ باید رنگ شوند.
|
نوع گاز |
رنگ سیلندر (INSO 712) |
جنس شیر (ISO 11114) |
جنس سیلندر (ISO 11114) |
|---|---|---|---|
|
گرید صنعتی |
قرمز |
فولاد های آلیاژی که تحت عملیات اب دهی ( کوئنچ ) و برگشت دهی ( تمپربنگ ) قرار گرفته و برای تولید سیلندر های فولاد بدون درز استفاده میشود (QTS) |
فولاد های آلیاژی که تحت عملیات اب دهی ( کوئنچ ) و برگشت دهی ( تمپربنگ ) قرار گرفته و برای تولید سیلندر های فولاد بدون درز استفاده میشود (QTS) |
|
گرید طبی |
قابل کاربرد نیست |
||
|
گرید آزمایشگاهی |
قرمز در صورت اجرا |
|
جنس سیلندر |
ظرفیت سیلندر(لیتر) |
ارتفاع سیلندر(سانتی متر) |
قطر سیلندر(سانتی متر) |
وزن سیلندر(کیلوگرم) |
ضخامت سیلندر(میلی متر) |
|---|---|---|---|---|---|
|
آلومینیوم |
۲ ۵ ۱۰ ۴۰ |
۴۴ ۵۸.۵ ۸۲.۵ ۱۵۶ |
۱۱ ۱۴ ۱۶ ۲۵ |
۲.۱۸ ۴.۸۶ ۹.۰۴ ۴۵.۰۶ |
۶.۵ ۷.۱ ۸.۱ ۱۵.۳ |
|
فولادی |
۵ ۱۰ ۴۰ ۵۰ |
۵۵ ۹۳ ۱۴۲ ۱۵۶ |
۱۴ ۱۵ ۲۴ ۲۵ |
۸.۷ ۱۴ ۴۸.۹ ۶۰.۸ |
۳.۶ ۳.۶ ۵.۷ ۵.۸ |
قیمت گاز هیدروژن
قیمت گاز هیدروژن بر اساس خلوص و حجم کپسول متفاوت خواهد بود. جهت ثبت سفارش و آگاهی از قیمت گاز هیدروژن از طریق شماره های موجود در سایت شرکت گاز اردستان با ما تماس بگیرید.
|
قیمت گاز هیدروژن |
میزان خلوص گاز هیدروژن |
|---|---|
|
تماس بگیرید |
۹۹.۹۹۹% |
|
۹۹.۹۹۹۵% |
|
|
۹۹.۹۹۹۹% |
استعلام قیمت گاز هیدروژن
قیمت لحظهای گاز هیدروژن را استعلام کنید و بهترین پیشنهاد خرید را دریافت نمایید!
