Выделяют несколько промышленных методов получения водорода.
1. Пароводяная конверсия природного газа (метана)
1стадия: CH4 + H2O = CO + H2 при 9000C , Kat – Ni.
2 стадия: CO + H2O = CO2 + H2 при 4500 C Kat- Fe2O3
Углекислый газ отделяют от водорода поглощением водой под давлением или теплым раствором карбоната калия.
2. Конверсия CO: CO + H2O = CO2 + H2 при 4500 С Kat- Fe2O3.
3.Действием водяного пара на кокс при 1200- 1400 0С: C + H2 = CO + H2. Добавляя избыток водяного пара, полученный « водяной газ» ( смесь СО и водорода) переводят в смесь СО2 и водорода.
4. Коксовый газ- газ полученный при коксовании каменного угля – содержит 50 -60% (по объему) водорода. Водород отделяют от других компонентов коксового газа путем вымораживания примесей.
5. Водород образуется в качестве побочного продукта в процессах крекинга нефти. Разложение нефти при высокой температуре без доступа воздуха приводит к образованию водорода и коксообразного остатка, состоящего в основном из углерода («пиролиз нефти») СхНу = хС + у/2 H2.
6. Термическое разложение метана : СН4 = С +2 Н2 реакция протекает при температуре выше 20000С и ведется в основном для получения сажи.
7. Электролиз водного раствора хлорида натрия:
2 NaCl + 2H2O = 2NaOH + H2 + Cl2
8. Перспективными промышленными методами получения водорода является:
а) термическая диссоциация воды при высоких температурах :
2Н2О = 2Н2 + О2 при 2500-30000С.
б) Разложение воды с помощью нитрата натрия и йода, процесс протекает в 3 стадии:
1) LiNO2 + I2 + H2O = LiNO3 + 2KI.
2) 2HI = H2 + I2 при4300С.
3) 2LiNO3 = 2 LiNO2 +O2 при 5000С.
Технология электрохимического производства на примере получения каустической соды, хлора и водорода. Работа ванн с железным и ртутным электродами. Физико-химические основы процессов.
Каустическая сода - самая распространённая щёлочь, объемы производства и потребления которой в год составляют до 57 миллионов. Чистый гидроксид натрия NаОН представляет собой белую непрозрачную массу, жадно поглощающую из воздуха водяные пары и углекислый газ. Существуют две модификации безводного едкого натра –α-NаОН с ромбической формой кристаллов и β-NаОН с кристаллами кубической формы. С водой NаОН образует ряд кристаллогидратов: NaOH*H2O, где n = 1, 2, 2,5, 3,5, 4, 5,25 и 7.
На сегодняшний день каустическую соду получают либо путем электролиза раствора хлорида натрия (NaCl) с образованием гидроксида натрия и хлора, либо, реже, с помощью более старого способа, основанного на взаимодействии раствора кальцинированной соды с гашеной известью. Большое количество производимой в мире кальцинированной соды используется для получения каустической соды. Взаимодействие раствора кальцинированной соды с гашеной известью. Каустическую соду получают из кальцинированной на установке периодического или непрерывного действия. Процесс обычно проводят при умеренных температурах в реакторах, оборудованных мешалками. Реакция образования каустической соды представляет собой реакцию обмена между карбонатом натрия и гидроксидом кальция:
Na2CO3 + Ca(OH)2 = CaCO3 + 2NaOH.
Карбонат кальция выпадает в осадок, а раствор гидроксида натрия отводится в коллектор. Электролизные методы.
В промышленном масштабе гидроксид натрия получают электролизом растворов галита (каменная соль NaCl) с одновременным получением водорода и хлора: 2NaCl + 2H2O = H2 + Cl2 + 2NaOH.
Когда концентрированный раствор хлорида натрия подвергается электролизу, образуются хлор и гидроксид натрия, но они реагируют друг с другом с образованием гипохлорита натрия – отбеливающего вещества. Этот продукт, в свою очередь, особенно в кислых растворах при повышенных температурах, окисляется в электролизной камере до перхлората натрия. Чтобы избежать этих нежелательных реакций, электролизный хлор должен быть пространственно отделен от гидроксида натрия. В большинстве промышленных установок, используемых для получения электролизной каустической соды, это осуществляется с помощью диафрагмы (диафрагменный метод), помещенной вблизи анода, на котором образуется хлор. Существуют установки двух типов: с погруженной или непогруженной диафрагмой. Камера установки с погруженной диафрагмой целиком заполняется электролитом. Соляной раствор втекает в анодное отделение, где из него выделяется хлор, а раствор каустической соды заполняет катодное отделение.
Мембранный метод — аналогичен диафрагменному, но анодное и катодное пространства разделены катионообменной мембраной. Мембранный электролиз обеспечивает получение наиболее чистого каустика. Непрерывное разделение хлора и каустика можно также осуществить в установке с ртутным катодом (ртутный электролиз). Металлический натрий образует с ртутью амальгаму, которая отводится во вторую камеру, где натрий выделяется и реагирует с водой, образуя каустик и водород. Каустическую соду получают из кальцинированной на установке периодического или непрерывного действия. Процесс обычно проводят при умеренных температурах в реакторах, оборудованных мешалками. Реакция образования каустической соды представляет собой реакцию обмена между карбонатом натрия и гидроксидом кальция: Na2CO3 + Ca(OH)2 = CaCO3 + 2NaOH. Карбонат кальция выпадает в осадок, а раствор гидроксида натрия отводится в коллектор.
Электролизные методы.
В промышленном масштабе гидроксид натрия получают электролизом растворов галита (каменная соль NaCl) с одновременным получением водорода и хлора: 2NaCl + 2H2O = H2 + Cl2 + 2NaOH. Когда концентрированный раствор хлорида натрия подвергается электролизу, образуются хлор и гидроксид натрия, но они реагируют друг с другом с образованием гипохлорита натрия – отбеливающего вещества. Этот продукт, в свою очередь, особенно в кислых растворах при повышенных температурах, окисляется в электролизной камере до перхлората натрия. Чтобы избежать этих нежелательных реакций, электролизный хлор должен быть пространственно отделен от гидроксида натрия.
Сегодня хлор в промышленных масштабах получают вместе с гидроксидом натрия и водородом путём электролиза раствора поваренной соли, основные процессы которого можно представить суммарной формулой: 2NaCl + 2H2О ±2е- → H2↑ + Cl2↑ + 2NaOH.
Наибольшее распространение в промышленности имеет электролиз водных растворов хлоридов натрия и калия. Наряду с ионами натрия (калия) и хлора в растворе присутствуют ионы водорода и гидроксильные ионы. Поведение этих ионов при электролизе определяется значением соответствующих разрядных потенциалов и материалом электродов.
при электролизе водных растворов указанных солей на катоде будет выделяться в первую очередь водород, а не щелочные металлы. Выделение водорода нарушает равновесие диссоциации воды, и у катода будут скапливаться гидроксильные ионы. Поскольку наряду с ионами водорода к катоду идут ионы калия или натрия, в катодном пространстве в конечном счете накапливается щелочь. Продукты электролиза — щелочь и хлор — могут между собой вступать в реакцию: NaOH+Cl2=NaClO+NaCl+H2O
электролиз также увеличивается. При проведении электролиза с ртутным катодом абсолютное значение потенциалов разряда ионов натрия и калия сильно уменьшается, а ионов водорода — увеличивается. Это объясняется способностью щелочных металлов растворяться в ртути с образованием амальгамы и большим перенапряжением водорода на ртутном катоде. Поэтому при электролизе с ртутным катодом выделяется не водород, а натрий или калий, дающий амальгаму. На аноде, как видно из нормальных потенциалов разложения, должны были бы разряжаться гидроксильные ионы. В действительности же при электролизе выделяется не кислород, а хлор. Объясняется это большим повышением потенциала разряда кислорода за счет перенапряжения (особенно на угольных анодах) и за счет незначительной концентрации гидроксильных ионов. Электролиз растворов хлористого натрия или калия проводится в электролитических ваннах, называемых также электролизерами, которые различаются по способам разделения анодных и катодных продуктов.
Ванны с ртутным катодом позволяют получать щелочь более высокой концентрации и высокой чистоты. К числу недостатков этого метода относится повышенный расход электроэнергии, вызываемый перенапряжением.