वॉटर गॅसपासून हायड्रोजन उत्पादन

सिन्गॅस तयार करण्याच्या कोणत्याही औद्योगिक प्रक्रियेमध्ये, CO चे हायड्रोजनमध्ये रूपांतर करण्यासाठी वॉटर गॅस शिफ्ट रिॲक्शनच्या प्रगतीचा वापर करणे हा एक आवश्यक दुवा आहे.
ही अभिक्रिया एक प्रतिवर्ती उष्णतादायी अभिक्रिया आहे. तापमान जितके जास्त, तितके संबंधित समतोल रूपांतरण कमी असते. त्याच वेळी, ही अभिक्रिया एक वैशिष्ट्यपूर्ण उत्प्रेरकीय अभिक्रिया आहे. जेव्हा उत्प्रेरक नसतो, तेव्हा ७००°C तापमानावर अभिक्रिया होणे कठीण असते. उत्प्रेरकाच्या उपस्थितीत, अभिक्रियेचे तापमान मोठ्या प्रमाणात कमी होते. उच्च तापमान शिफ्ट उत्प्रेरक वापरताना, अभिक्रियेचे तापमान ३०० ~ ५००°C असते; जेव्हा कमी तापमान शिफ्ट उत्प्रेरक वापरला जातो, तेव्हा अभिक्रियेचे तापमान २००-४००°C असते (तक्ता २२). ही अभिक्रिया एक समआण्विक अभिक्रिया असल्यामुळे, दाबाचा अभिक्रियेच्या समतोलावर कोणताही परिणाम होत नाही, परंतु दाबाचा वापर करून प्रक्रिया केल्यास उत्पादन तीव्रता आणि अभिक्रियेचा दर सुधारता येतो.
अभिक्रियेच्या सुरुवातीच्या टप्प्यात, प्रक्रिया समतोल मर्यादेपासून खूप दूर असते आणि ती गतिकशास्त्राद्वारे (kinetics) नियंत्रित असते. तापमान वाढवल्याने अभिक्रियेचा वेग आणि प्रक्रियेची कार्यक्षमता मोठ्या प्रमाणात वाढू शकते. अभिक्रियेच्या नंतरच्या टप्प्यात, प्रक्रियेचे रूपांतरण औष्णिक समतोलाद्वारे (thermodynamic equilibrium) मर्यादित होते. उच्च तापमानावर औष्णिक समतोल रूपांतरण तुलनेने कमी असते. म्हणून, अभिक्रियेच्या नंतरच्या टप्प्यात, CO चे रूपांतरण सुधारण्यासाठी कमी तापमानाचा अवलंब केला पाहिजे. प्रक्रियेची औष्णिक आणि गतिक वैशिष्ट्ये हे ठरवतात की CO रूपांतरण प्रक्रियेसाठी बदलत्या तापमानाचा अवलंब केला पाहिजे.
अभिक्रियेच्या सुरुवातीच्या टप्प्यात, प्रक्रिया समतोल मर्यादेपासून खूप दूर असते आणि ती गतिकशास्त्राद्वारे (kinetics) नियंत्रित असते. तापमान वाढवल्याने अभिक्रियेचा वेग आणि प्रक्रियेची कार्यक्षमता मोठ्या प्रमाणात वाढू शकते. अभिक्रियेच्या नंतरच्या टप्प्यात, प्रक्रियेचे रूपांतरण औष्णिक समतोलाद्वारे (thermodynamic equilibrium) मर्यादित होते. उच्च तापमानावर औष्णिक समतोल रूपांतरण तुलनेने कमी असते. म्हणून, अभिक्रियेच्या नंतरच्या टप्प्यात, CO चे रूपांतरण सुधारण्यासाठी कमी तापमानाचा अवलंब केला पाहिजे. प्रक्रियेची औष्णिक आणि गतिक वैशिष्ट्ये हे ठरवतात की CO रूपांतरण प्रक्रियेसाठी बदलत्या तापमानाचा अवलंब केला पाहिजे.
अभिक्रिया संतुलनाच्या मर्यादेमुळे, कमी-तापमानाच्या वॉटर गॅस रूपांतरणानंतर CO चे सखोल रूपांतरण होत असले तरी, त्याचे प्रमाण अजूनही सुमारे 1% असते, जे अनेक पुढील प्रक्रियांच्या वापराच्या आवश्यकता पूर्ण करू शकत नाही. उद्योगात, ते सहसा काही रासायनिक अभिक्रियांनी काढून टाकले जाते. मोठ्या प्रमाणात हायड्रोजनच्या उपस्थितीत CO आणि O2 च्या निवडक ऑक्सिडेशनमुळे CO2 तयार होतो, आणि हायड्रोजन आणि O2 देखील सहजपणे अभिक्रिया करतात. म्हणून, ही प्रक्रिया अभिक्रिया तापमान आणि उत्प्रेरकाच्या प्रकारावर काटेकोरपणे अवलंबून असते [29301].
मिथेन तयार करण्यासाठी, मोठ्या प्रमाणात उपलब्ध असलेल्या हायड्रोजनचा वापर करून थेट निकेल-आधारित उत्प्रेरकावर CO चे हायड्रोजनीकरण करणे, ही आणखी एक औद्योगिक प्रक्रिया आहे.
वॉटर गॅस रूपांतरण आणि CO काढून टाकल्यानंतर, वायूचे मुख्य घटक H2 आणि CO2 बनतात. कृत्रिम अमोनिया उद्योगात, CO2 ला प्रथम वेगळे करणे आवश्यक असते. या CO2 ची, पुढील टप्प्यात हायड्रोजनद्वारे निर्माण झालेल्या अमोनियासोबत अभिक्रिया होऊन अमोनियम बायकार्बोनेट, अमोनियम कार्बोनेट किंवा युरिया आणि इतर रासायनिक खते तयार होतात, ज्यामुळे CO2 चा जास्तीत जास्त वापर साध्य होतो. या प्रक्रियेत, CO2 आणि H2 वेगळे करण्याचे तंत्रज्ञान मुख्यत्वे CO2 चा पुनर्वापर सुनिश्चित करण्यासाठी असते.
प्रोटॉन मेम्ब्रेन फ्युएल सेलसारख्या हायड्रोजन अनुप्रयोगांमध्ये, CO2 ऐवजी केवळ हायड्रोजनचा वापर केला जातो. CO2 हे निरुपयोगी उत्सर्जन बनते, ज्याला इतर खनिजीकरण प्रक्रियांसोबत (जसे की खाद्य-दर्जाच्या कॅल्शियम कार्बोनेटचे उत्पादन) एकत्रित करण्याची आवश्यकता असू शकते.
तथापि, CO2 विलगिकरणाच्या सर्व प्रक्रियांमध्ये, CO2 शोषून घेण्यासाठी सेंद्रिय अमाइन किंवा मिथेनॉल वापरणे हा एक उत्तम मार्ग आहे. विशेषतः कमी तापमानात मिथेनॉलद्वारे CO2 शोषण्याच्या प्रक्रियेत, अनेक वायूंची विद्राव्यता कमी तापमानात वाढते. फक्त हायड्रोजनची विद्राव्यता तापमानाने मर्यादित नसते, आणि तापमान जितके कमी, तितकी विद्राव्यता कमी असते. हे H2 विलगिकरणासाठी चांगली निवडक्षमता दर्शवते.
CO2 पुनर्प्राप्त करण्याच्या प्रक्रियेत, हायड्रोजन उत्पादनाला हानी पोहोचू नये या अटीवर, CO शी तीव्रतेने संयोग करू शकणारे महागडे अभिकर्मक (जसे की कॉस्टिक सोडा) वापरणे टाळावे, जेणेकरून प्रक्रियेची किफायतशीरता सुनिश्चित होईल.