مقالات متفرقه شیمی
سوخت هیدروژنی
امروزه گاز هیدروژن برای استفاده در موتورهای احتراقی و وسایل نقلیه الكتریكی باتری‌دار مورد بررسی قرار گرفته است. هیدروژن در دما و فشار طبیعی، یك گاز است و به این علت، انتقال و ذخیره آن از سوخت های مایع دیگر، دشوارتر است. سامانه هایی كه برای ذخیره هیدروژن توسعه یافته‌اند، عبارتند از: هیدروژن فشرده، هیدروژن مایع و پیوند شیمیایی میان هیدروژن و یك ماده ذخیره (برای مثال، هیدرید فلزات). با این كه تاكنون هیچ سامانه حمل و نقل و توزیع مناسبی برای هیدروژن وجود نداشته، اما توانایی تولید این سوخت از مجموعه متنوعی از منابع و خصوصیت پاك سوز بودن آن، هیدروژن را به سوخت جانشین مناسبی تبدیل كرده است. هیدروژن یکی از ساده‌ترین و سبك‌ترین سوخت های گازی است که در فشار اتمسفری و دمای جوی حالت گاز دارد. سوخت هیدروژن همان گاز خالص هیدروژن نیست
لكه مقدار كمی اكسیژن و دیگر مواد را نیز با خود دارد. منابع تولید سوخت هیدروژن شامل گاز طبیعی ، زغال سنگ ، بنزین و الكل متیلیك هستند. فرآیند فتوسنتز در باكتری ها یا جلبك ها و یا شكافتن آب به دو عنصر هیدروژن و اكسیژن به كمك جریان الكتریسیته یا نور مستقیم خورشید از آب، روش های دیگری برای تولید هیدروژن هستند. امروزه گاز هیدروژن برای استفاده در موتورهای احتراقی و وسایل نقلیه الكتریكی باتری‌دار مورد بررسی قرار گرفته است. هیدروژن در دما و فشار طبیعی، یك گاز است و به این علت، انتقال و ذخیره آن از سوخت های مایع دیگر، دشوارتر است. سامانه هایی كه برای ذخیره هیدروژن توسعه یافته‌اند، عبارتند از: هیدروژن فشرده، هیدروژن مایع و پیوند شیمیایی میان هیدروژن و یك ماده ذخیره (برای مثال، هیدرید فلزات). با این كه تاكنون هیچ سامانه حمل و نقل و توزیع مناسبی برای هیدروژن وجود نداشته، اما توانایی تولید این سوخت از مجموعه متنوعی از منابع و خصوصیت پاك سوز بودن آن، هیدروژن را به سوخت جانشین مناسبی تبدیل كرده است. هیدروژن یکی از ساده‌ترین و سبك‌ترین سوخت های گازی است که در فشار اتمسفری و دمای جوی حالت گاز دارد. سوخت هیدروژن همان گاز خالص هیدروژن نیست، بلكه مقدار كمی اكسیژن و دیگر مواد را نیز با خود دارد. منابع تولید سوخت هیدروژن شامل گاز طبیعی ، زغال سنگ ، بنزین و الكل متیلیك هستند. فرآیند فتوسنتز در باكتری ها یا جلبك ها و یا شكافتن آب به دو عنصر هیدروژن و اكسیژن به كمك جریان الكتریسیته یا نور مستقیم خورشید از آب، روش های دیگری برای تولید هیدروژن هستند.
●در صنعت و آزمایشگاه های شیمی، تولید هیدروژن به طور معمول با استفاده از دو روش شدنی است: ۱- الكترولیز ۲- تولید گاز مصنوعی
از بازسازی بخار یا اكسیداسیون ناقص در روش الكترولیز با استفاده از انرژی الكتریكی، مولكول‌های آب به هیدروژن و اكسیژن تجزیه می‌شوند. انرژی الكتریكی را می‌توان از هر منبع تولید الكتریسیته كه شامل سوخت های تجدید پذیر نیز می‌شوند، به دست آورد. وزارت نیروی آمریكا به این نتیجه رسیده است كه استفاده از روش الكترولیز برای تولید مقادیر زیاد هیدروژن در آینده مناسب نخواهد بود. روش دیگر برای تولید گاز مصنوعی، بازسازی بخار گاز طبیعی است. در این روش، می‌توان از هیدروكربن‌های دیگر نیز به عنوان ذخایر تامین مواد استفاده كرد. برای نمونه، می‌توان زغال سنگ و دیگر مواد آلی (بیوماس) را به حالت گازی درآورد و آن را در فرآیند بازسازی بخار برای تولید هیدروژن به كار برد. از طرفی چون هیدروکربن های فسیلی محدود و رو به اتمام هستند، پس بهتر است دید خود را به سمت استفاده از منابع تجدید شونده معطوف کنیم. گاز هیدروژن می تواند هم از منابع اولیه تجدید پذیر و هم از منابع تجدید ناپذیر تولید شود. امروزه تولید گاز هیدروژن از منابع تجدید پذیر به سرعت مراحل توسعه و رشد خود را می پیماید. این در حالی است که تولید گاز هیدروژن از منابع تجدید ناپذیر به ویژه منابع فسیلی به علت محدود بودن این منابع روز به روز کاهش می یابد. گاز هیدروژن در اثر واکنش های تخمیری میکروارگانیسم های زنده، به ویژه باکتری ها و مخمرها روی بیوماس، تولید می‌شود. بیوماس از منابع اولیه تجدید پذیر است که از موادی مانند علوفه، ضایعات گیاهان و فضولات حیوانات به دست می آید. در روند تولید گاز هیدروژن، باکتری های بی هوازی با استفاده از پدیده تخمیر، مواد آلی و آب را به گاز هیدروژن تبدیل می کنند. برای تولید هیدروژن به وسیله باکتری ها دو نوع تخمیر وجود دارد: یک نوع تخمیر نوری است که در آن به منبع نور نیاز است و نوع دیگر، تخمیر در تاریکی است که نیازی به نور ندارد. در این واکنش ها منابع کربنی زیادی استفاده می شود که همگی از بیوماس تامین می شوند. در طبیعت میکروارگانیسم های بی هوازی در غیاب اکسیژن و با استفاده از پدیده تخمیر، گاز هیدروژن تولید می کنند، ولی مقدار این گاز از نظر کمی پایین است و از نظر اقتصادی برای مصارف صنعتی و خانگی و … قابل توجیه نیست؛ از این رو باید با استفاده از روش هایی، بازده تولید گاز هیدروژن را افزایش داد. یکی از روش هایی که می توان بازده تولید گاز هیدروژن را بالا برد، تغییرات ژنتیک در ژنوم این باکتری ها با استفاده از روش های مهندسی ژنتیک و بیوتکنولوژی است. روش دیگر، استفاده از ترکیبی از باکتری های هوازی و بی هوازی در کنار هم است. در این روش چون باکتری های بی هوازی در فرآیند تخمیر تولید اسید های آلی می کنند، رفته رفته محیط واکنش اسیدی می شود و PH پایین می آید؛ از این رو تولید هیدروژن کاهش می یابد. ولی هنگامی که باکتری های هوازی در محیط باشند، از اسید های آلی استفاده و آنها از محیط خارج می کنند؛ در نتیجه راندمان تولید گاز هیدروژن بالا می رود.
●تحقیق و توسعه وزارت نیروی آمریكا برای توسعه استفاده از هیدروژن دو برنامه اصلی را دنبال می‌كند که یکی برنامه هیدروژن وزارت نیرو و دیگری شبكه اطلاعاتی تكنولوژی‌های هیدروژن است. هیدروژن، سومین انرژی فراوان بر روی سطح زمین است. همان طور كه به صورت ابتدایی در آب و تركیبات آلی یافت می شود. هیدروژن از هیدروكربن ها یا آب به دست می آید و هنگامی كه به عنوان سوخت مصرف می شود، یا برای تولید الكتریسیته از آن استفاده می شود و یا با تركیب مجدد با اكسیژن تولید آب می كند. از این رو و با توجه به قابلیت بالای تولید انرژی در این سوخت اخیراً تلاش های زیادی برای جانشین کردن این سوخت صورت می گیرد.
●مسائل ایمنی هیدروژن از دیدگاه ایمنی نیز مطمئن و مطلوب است و برای حمل ونقل ، نگهداری و استفاده، خطرناك تر از سوخت های رایج دیگر نیست. به هر صورت مسائل ایمنی همچنان به عنوان یكی از اساسی‌ترین مقوله ها در استفاده از انرژی هیدروژن باقی می ماند.استانداردهای متداول دنیا امنیت استفاده از آن را با سختگیری در طراحی و انجام آزمایش های متعدد فراهم می آورد. همچنین در حوزهٔ نگهداری و حمل آن، استانداردهای بسیاری برای تمام تجهیزات مرتبط تدوین شده است.
●اقتصاد هیدروژن برای هیدروژن به عنوان یك سوخت، سیستم توزیعی مناسبی وجود ندارد. با این كه معمولاً انتقال از طریق خط لوله با صرفه‌ترین راه انتقال سوخت‌های گازی است، اما در حال حاضر سیستم خط لوله مناسبی موجود نیست. انتقال هیدروژن به طور خاص از طریق مخزن و تانكرهای گاز صورت می‌گیرد. استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت به یك زیر ساختار برای حمل ونقل و نگهداری و با توجه به مسائل ایمنی و اقتصادی نیاز دارد. دیدگاه ایجاد یك زیر ساختار كه هیدروژن را به عنوان منبع انرژی مورد استفاده قرار می‌دهد، مفهوم اقتصادی بودن این طرح را پدید آورده كه بهترین راه جهت ایجاد تقاضای بیشتر برای تولید و مصرف این انرژی است، زیرا منابع تولید هیدروژن بسیار ارزان و دردسترس هستند. هیدروژن قابلیت بالایی برای تولید انرژی دارد و میزان آلودگی ناشی از مصرف این سوخت در محیط زیست بسیار کم است. این سوخت به عنوان منبعی تجدیدپذیر، پاک و فراوان تر از سوخت فسیلی می تواند کاربرد زیادی برای نیروگاه ها و بخش حمل و نقل داشته باشد.
●در صنعت و آزمایشگاه های شیمی، تولید هیدروژن به طور معمول با استفاده از دو روش شدنی است: ۱- الكترولیز ۲- تولید گاز مصنوعی
از بازسازی بخار یا اكسیداسیون ناقص در روش الكترولیز با استفاده از انرژی الكتریكی، مولكول‌های آب به هیدروژن و اكسیژن تجزیه می‌شوند. انرژی الكتریكی را می‌توان از هر منبع تولید الكتریسیته كه شامل سوخت های تجدید پذیر نیز می‌شوند، به دست آورد. وزارت نیروی آمریكا به این نتیجه رسیده است كه استفاده از روش الكترولیز برای تولید مقادیر زیاد هیدروژن در آینده مناسب نخواهد بود. روش دیگر برای تولید گاز مصنوعی، بازسازی بخار گاز طبیعی است. در این روش، می‌توان از هیدروكربن‌های دیگر نیز به عنوان ذخایر تامین مواد استفاده كرد. برای نمونه، می‌توان زغال سنگ و دیگر مواد آلی (بیوماس) را به حالت گازی درآورد و آن را در فرآیند بازسازی بخار برای تولید هیدروژن به كار برد. از طرفی چون هیدروکربن های فسیلی محدود و رو به اتمام هستند، پس بهتر است دید خود را به سمت استفاده از منابع تجدید شونده معطوف کنیم. گاز هیدروژن می تواند هم از منابع اولیه تجدید پذیر و هم از منابع تجدید ناپذیر تولید شود. امروزه تولید گاز هیدروژن از منابع تجدید پذیر به سرعت مراحل توسعه و رشد خود را می پیماید. این در حالی است که تولید گاز هیدروژن از منابع تجدید ناپذیر به ویژه منابع فسیلی به علت محدود بودن این منابع روز به روز کاهش می یابد. گاز هیدروژن در اثر واکنش های تخمیری میکروارگانیسم های زنده، به ویژه باکتری ها و مخمرها روی بیوماس، تولید می‌شود. بیوماس از منابع اولیه تجدید پذیر است که از موادی مانند علوفه، ضایعات گیاهان و فضولات حیوانات به دست می آید. در روند تولید گاز هیدروژن، باکتری های بی هوازی با استفاده از پدیده تخمیر، مواد آلی و آب را به گاز هیدروژن تبدیل می کنند. برای تولید هیدروژن به وسیله باکتری ها دو نوع تخمیر وجود دارد: یک نوع تخمیر نوری است که در آن به منبع نور نیاز است و نوع دیگر، تخمیر در تاریکی است که نیازی به نور ندارد. در این واکنش ها منابع کربنی زیادی استفاده می شود که همگی از بیوماس تامین می شوند. در طبیعت میکروارگانیسم های بی هوازی در غیاب اکسیژن و با استفاده از پدیده تخمیر، گاز هیدروژن تولید می کنند، ولی مقدار این گاز از نظر کمی پایین است و از نظر اقتصادی برای مصارف صنعتی و خانگی و … قابل توجیه نیست؛ از این رو باید با استفاده از روش هایی، بازده تولید گاز هیدروژن را افزایش داد. یکی از روش هایی که می توان بازده تولید گاز هیدروژن را بالا برد، تغییرات ژنتیک در ژنوم این باکتری ها با استفاده از روش های مهندسی ژنتیک و بیوتکنولوژی است. روش دیگر، استفاده از ترکیبی از باکتری های هوازی و بی هوازی در کنار هم است. در این روش چون باکتری های بی هوازی در فرآیند تخمیر تولید اسید های آلی می کنند، رفته رفته محیط واکنش اسیدی می شود و PH پایین می آید؛ از این رو تولید هیدروژن کاهش می یابد. ولی هنگامی که باکتری های هوازی در محیط باشند، از اسید های آلی استفاده و آنها از محیط خارج می کنند؛ در نتیجه راندمان تولید گاز هیدروژن بالا می رود.
●تحقیق و توسعه وزارت نیروی آمریكا برای توسعه استفاده از هیدروژن دو برنامه اصلی را دنبال می‌كند که یکی برنامه هیدروژن وزارت نیرو و دیگری شبكه اطلاعاتی تكنولوژی‌های هیدروژن است. هیدروژن، سومین انرژی فراوان بر روی سطح زمین است. همان طور كه به صورت ابتدایی در آب و تركیبات آلی یافت می شود. هیدروژن از هیدروكربن ها یا آب به دست می آید و هنگامی كه به عنوان سوخت مصرف می شود، یا برای تولید الكتریسیته از آن استفاده می شود و یا با تركیب مجدد با اكسیژن تولید آب می كند. از این رو و با توجه به قابلیت بالای تولید انرژی در این سوخت اخیراً تلاش های زیادی برای جانشین کردن این سوخت صورت می گیرد.
●مسائل ایمنی هیدروژن از دیدگاه ایمنی نیز مطمئن و مطلوب است و برای حمل ونقل ، نگهداری و استفاده، خطرناك تر از سوخت های رایج دیگر نیست. به هر صورت مسائل ایمنی همچنان به عنوان یكی از اساسی‌ترین مقوله ها در استفاده از انرژی هیدروژن باقی می ماند.استانداردهای متداول دنیا امنیت استفاده از آن را با سختگیری در طراحی و انجام آزمایش های متعدد فراهم می آورد. همچنین در حوزهٔ نگهداری و حمل آن، استانداردهای بسیاری برای تمام تجهیزات مرتبط تدوین شده است.
●اقتصاد هیدروژن برای هیدروژن به عنوان یك سوخت، سیستم توزیعی مناسبی وجود ندارد. با این كه معمولاً انتقال از طریق خط لوله با صرفه‌ترین راه انتقال سوخت‌های گازی است، اما در حال حاضر سیستم خط لوله مناسبی موجود نیست. انتقال هیدروژن به طور خاص از طریق مخزن و تانكرهای گاز صورت می‌گیرد. استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت به یك زیر ساختار برای حمل ونقل و نگهداری و با توجه به مسائل ایمنی و اقتصادی نیاز دارد. دیدگاه ایجاد یك زیر ساختار كه هیدروژن را به عنوان منبع انرژی مورد استفاده قرار می‌دهد، مفهوم اقتصادی بودن این طرح را پدید آورده كه بهترین راه جهت ایجاد تقاضای بیشتر برای تولید و مصرف این انرژی است، زیرا منابع تولید هیدروژن بسیار ارزان و دردسترس هستند. هیدروژن قابلیت بالایی برای تولید انرژی دارد و میزان آلودگی ناشی از مصرف این سوخت در محیط زیست بسیار کم است. این سوخت به عنوان منبعی تجدیدپذیر، پاک و فراوان تر از سوخت فسیلی می تواند کاربرد زیادی برای نیروگاه ها و بخش حمل و نقل داشته باشد.
لینک کوتاه مطلب
برای کپی کلیک کنید
