Способы получения водорода в промышленности и лаборатории

Способы получения водорода в промышленности и лаборатории

Получение водорода в промышленности

В промышленности водород получают главным образом из природных и попутных газов, коксового газа и продуктов газификации топлива (водяного и паровоздушного газов), путем неполного окисления углеводородов.

Основным источником водорода в промышленности является конверсия (от лат. «превращение») углеводородов, главным образом природного газа, парами воды (пароводяная конверсия):

CH4 + H2O → CO + 3H2, 800-900 °C, ΔH2980 = 206,2 кДж/моль

С последующим каталитическим взаимодействием оксида углерода (II) с парами воды:

CO + H2O → CO2 + H2, 550-600 °C, ΔH2980 = -41,2 кДж/моль

Катализатором этой реакции служит Fe2O3 с активирующими добавками (Cr2O3, Al2O3, K2O и др.).

Эндотермичность процесса конверсии метана можно частично восполнить энергией, выделяющейся при неполном его окислении.

2CH4 + O2 → 2CO + 4H2, ΔH2980 = -71 кДж/моль

Этот процесс называется кислородной конверсией метана. Поэтому в промышленности часто комбинируют все эти три процесса в один. Для этого природный газ смешивается с водяным паром и кислородом:

3CH4 + O2 + H2O → 3CO + 7H2, 850-900 °C, Ni

или

2CH4 + O2 + 2H2O → 2CO2 + 6H2, 850-900 °C, Ni

Диоксид углерода удаляют промывкой газовой смеси водой под давлением и окончательно – поглощением растворами щелочей.

Все описанные выше процессы используются как по отдельности, так и в сочетании друг с другом.

Помимо природного газа для получения водорода путем конверсии используют генераторный (CO + N2), водяной (CO + H2) – пароводяная конверсия, попутные газы – пароводяная и (или) кислородная конверсия.

В связи с уменьшением запасов углеводородного сырья большой интерес приобретает метод получения водорода восстановлением водяного пара раскаленным углем:

C + H2O → CO + H2, 1000 °C, ΔH2980 = 131 кДж/моль

При этом образуется генераторный газ. Затраты энергии на его получение можно компенсировать за счет реакции неполного окисления угля:

C + 1/2O2 → CO, ΔH2980 = -110,5 кДж/моль

При комбинировании этих процессов получается водяной газ, состоящий в основном из смеси водорода и угарного газа:

3C + H2O + O2 → 3CO + H2

Важным следствием является то, что получаемые генераторный и водяной газы можно использовать для дальнейшего получения водорода методом пароводяной конверсии.

Из газовых смесей с большим содержанием водорода (коксовый газ, газы нефтепереработки) его получают путем глубокого охлаждения смеси, при котором практически все газы кроме водорода сжижаются.

Водород высокой чистоты получают электролизом водных растворов щелочей (NaOH или KOH). Раньше для этого использовалась серная кислота. Однако это нерационально из-за быстрого коррозионного разрушения стальной аппаратуры. Хотя образующаяся в процессе электролиза пероксодисерная кислота H2S2O8 может использоваться для получения пергидроля:

2SO42- — 2ê = S2O82-

2H+ + 2ê = H20

H2S2O8 + H2O = H2SO5 + H2SO4

H2SO5 + H2O = H2SO4 + H2O2

В случае щелочей концентрация этих растворов выбирается такой, которая отвечает их максимальной электрической проводимости (25% для NaOH и 34% для KOH). Электроды обычно изготавливают из листового никеля. Этот металл не подвергается коррозии в растворах щелочей, даже будучи анодом. В случае надобности получающийся водород очищают от паров воды и следов кислорода. Этим способом целесообразно получать водород в районах с дешевой электроэнергией.

Водород образуется также как побочный продукт в процессе получения хлора и щелочей электролизом водных растворов хлоридов щелочных металлов.

Потенциальные способы получения водорода в промышленности

1. Термолиз воды:

2H2O → 2H2 + O2, 2000 °C, электрическая дуга.

Недостаток – большие расходы энергии.

2. Фотолиз воды:

2H2O → 2H2 + O2, hμ

3. Биохимическое разложение воды под действием бактерий.

4. Химическое разложение воды, восстановление водорода:

H2O + X = H2 + XO

2XO → 2X + O2, t°

Получение водорода в лаборатории

Восстановление металлами и неметаллами различных водородсодержащих соединений: воды, кислот, щелочей. Чаще используется взаимодействие разбавленных кислот (соляной, серной) с цинком, реже с железом. Реакции обычно проводят в аппарате Кипа.

Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2

Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2

Fe + 2HCl = FeCl2 + H2

Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2

Цинк обычно содержит примеси мышьяка, сурьмы и др. элементов, поэтому выходящий из аппарата водород немного загрязнен AsH3 и др. газами. Очень чистый водород в лаборатории можно получить электролизом водных растворов щелочей.

Для получения водорода в лаборатории также можно использовать гидрид кальция:

CaH2 + 2H2O = Ca(OH)2 + 2H2

Пропускание паров воды через раскаленную железную трубку:

3Fe + 4H2O → Fe3O4 + 4H20↑, t°

2Al + 2NaOH + 10H2O = 2Na[Al(OH)4·2H2O] + 3H20

Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2H20

2Na + 2H2O = 2NaOH + H20

2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H20

И проч.