Producția de hidrogen

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

Producția de hidrogen este în mod obișnuit implementată de hidrocarburi și combustibili din fosile printr-un proces chimic . L ' hidrogen poate fi, de asemenea, extras din apă prin producție biologică în bioreactoare de alge, sau folosind electricitatea (prin electroliză ) sau căldură (pentru termoliză ); aceste metode sunt mai puțin eficiente pentru producția de volum mare decât procesul chimic rezultat din hidrocarburi. Descoperirea și dezvoltarea unor metode mai ieftine pentru producția pe scară largă de hidrogen ar accelera dezvoltarea unei „ economii a hidrogenului ”.

Din hidrocarburi

Faptul că hidrogenul este cel mai abundent element din univers ar putea sugera că este extrem de ușor să-l producem, de exemplu prin extragerea acestuia din apă. Dacă acest lucru este teoretic adevărat, în practică cel mai ieftin mod de a produce acest element este în prezent folosind petrol sau alți combustibili fosili. De fapt, aproximativ 97% din produsul hidrogen este obținut din combustibili fosili, în timp ce doar 3% este obținut prin „ electroliza apei ”. Acest proces, dacă este realizat folosind combustibili fosili, duce la apariția unor cantități mari de CO 2, care se termină pentru a crește echilibrul termic al pământului și „ efectul de seră ”. Alternativ, sursele alternative de energie pot fi utilizate ca energie de intrare în procesul de electroliză a apei.

Hidrogenul poate fi obținut prin multe metode, cu toate acestea, cele mai ieftine sunt reprezentate de extracție pornind de la hidrocarburi .

Adesea, hidrogenul este produs și consumat în același proces de fabricație, fără a fi necesar să fie separat. În procesul Haber-Bosch pentru sinteza „ amoniacului (al cincilea compus produs în principal în lume), hidrogenul este obținut din gazul natural.

Hidrogenul poate fi generat din gaze naturale cu o eficiență de aproximativ 80% sau din alte hidrocarburi cu grade diferite de eficiență. Metoda de conversie a hidrocarburilor eliberează gaze cu efect de seră în atmosferă . Deoarece producția este concentrată într-o singură funcție, este posibilă separarea gazelor și eliminarea lor într-un mod convenabil, de exemplu prin injectarea lor într-un rezervor de petrol sau gaze, deși acest lucru nu se face în prezent în majoritatea cazurilor. Un proiect prin injectarea de dioxid de carbon a fost demarat de compania norvegiană StatoilHydro în Marea Nordului , către câmpul Sleipner .

Reformarea cu abur

Schema procesului de producere a hidrogenului pentru reformarea gazelor naturale.

Producția de hidrogen pe scară largă are loc de obicei prin intermediul procesului de reformare a gazelor naturale (sau „ reformare cu abur ”) [1] .

Acest procedeu constă în reacția metan (CH 4) și vapori de apă (H2O) la o temperatură de aproximativ 700-1100 ° C , pentru a produce gaz de sinteză (un amestec constând în principal din monoxid de carbon și hidrogen), conform reacției:

CH 4 + H 2 O → H 2 CO 3 + -191,7 kJ / mol

Căldura necesară pentru a activa reacția este în general asigurată prin arderea unei părți din metan.

Reacția este favorizată la presiuni scăzute, cu toate acestea, este făcută să aibă loc la presiuni ridicate (20 atm ) văzut că H 2 astfel obținut este cel mai produs vandabil. Amestecul de produse este cunoscut sub numele de gaz de sinteză, deoarece este adesea utilizat direct pentru producerea de metanol și alți compuși înrudiți. În afară de metan, pot fi utilizate și alte hidrocarburi pentru a obține Syngas cu proporții diferite ale componentelor produse. Una dintre complicațiile care se întâlnesc cu această tehnologie extrem de optimizată este formarea de cocs sau carbon:

CH 4 → C + 2 H 2

Pentru a evita acest lucru, aburul de reformare utilizând în mod tipic un exces de H2 O.

În acest proces, acesta poate fi obținut prin hidrogen suplimentar din monoxid de carbon printr-o reacție de mișcare a apei gazoase a apei gazoase, în special cu un catalizator de oxid de fier. Această reacție este utilizată industrial ca sursă de dioxid de carbon [1] :

CO + H 2 O → CO 2 + H 2

Monoxid de carbon

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Reacția de deplasare a gazului de apă .

Hidrogen suplimentar poate fi recuperat din monoxidul de carbon (CO) prin reacția de deplasare apă-gaz , care se realizează la aproximativ 450 ° C:

CO + H 2 O → CO 2 + H 2 + 40,4 kJ / mol

În esență, atomul de oxigen (O) este rupt din apă (abur) pentru a oxida carbonul (C), eliberând hidrogenul legat anterior de carbon și oxigen.

Gazificarea cărbunelui

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Gazificarea , gazul aerian și gazul urban .
Instalatie pentru productia de hidrogen din gazificarea carbunelui.

O altă modalitate industrială de a produce hidrogen este gazificarea cărbunelui , în care cărbunele este transformat într-un amestec de sinteză și metan , cunoscut și sub numele de gaz de oraș ( gaz de oraș ). Acest proces implică tratarea cărbunelui cu vapori de apă (proces apă-gaz): [2]

C + H 2 O → CO + H 2

Această reacție poate servi ca preludiu la reacția de deplasare în timpul reformării gazelor naturale. [1]

reacția este endotermă, adică necesită căldură pentru a avea loc; căldura este furnizată vaporilor de apă prin amestecarea unei fracțiuni de oxigen, astfel încât să se întâmple chiar contextual reacția exotermă (generând căldură)

C + O 2 → CO 2

L ' monoxidul de carbon produs în prima etapă este tratat ulterior cu mai mulți vapori de apă la 400-500 ° C pe catalizatorul [2] pe bază de oxizi de fier și cobalt :

CO + H 2 O → CO 2 + H 2

Amestecul gazos obținut este apoi purificat prin distilare fracționată.

Oxidarea parțială a hidrocarburilor

Alte metode importante pentru producerea de H2 includ l ' oxidarea parțială a hidrocarburilor:

CH 4 + 0,5 O 2 → CO 2 + H 2

Cracare

Hidrogenul este obținut în cantități semnificative ca produs secundar al majorității proceselor petrochimice de fisurare .

Din apă

Producția ecologică

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Producția biologică de hidrogen .

Biohidrogenul poate fi produs de alge ( bioreactoare ). La sfârșitul anilor nouăzeci s-a descoperit că, dacă algele erau lipsite de sulf, acestea încetau să producă oxigen prin fotosinteză normală pentru a produce hidrogen.

Se pare că această metodă este acum fezabilă din punct de vedere economic prin depășirea barierei de eficiență energetică de 7-10% (conversia luminii solare în hidrogen).

Biohidrogenul poate fi produs în bioreactoare care utilizează alte materiale decât algele, în special materialele reziduale. Procesul implică bacterii care se hrănesc cu hidrocarburi și produc hidrogen și CO 2. CO 2 poate fi capturat cu succes în diferite moduri, lăsând doar hidrogenul gazos. Un prototip bioreactor pentru hidrogen care folosește deșeurile ca substrat este operațional la fabrica de sucuri de struguri Welch din North East, Pennsylvania .

Electroliză

Pictogramă lupă mgx2.svg Același argument în detaliu: electroliza apei și procesul clor-sodă .

Odată cu „ electroliza, nu aveți nevoie de produse fosile, astfel încât să puteți produce hidrogen cu electricitate din orice sursă. În ceea ce se numește „Economia hidrogenului”, producția acestui gaz are loc datorită surselor regenerabile pentru a obține noi energii curate și regenerabile. În trecut, energia electrică consumată avea mai multă valoare decât hidrogenul produs, astfel încât industriile au lăsat deoparte electroliza apei ca metodă de producere a hidrogenului.

În medie, pentru a produce un kg de hidrogen necesară între 50 și 65 kWh de energie, cu metoda clasică. Un electrolizator de apă ideal cu o eficiență de 100% ar consuma 39,4 kWh pe kg de hidrogen. [3]

În 2014, DOE , Departamentul Energiei al SUA, a recomandat o limită pentru 2020 de 43 kWh de consum de energie electrică pe kg de hidrogen produs. [4]

O tehnică dezvoltată dall'Iccom- CNR prevede consumul de 18,5 kWh această tehnică vede producerea de hidrogen dintr-o soluție apoasă de alcooli precum etanol , glicerol sau alți alcooli extrasați din biomasă. Reacția are loc în ceea ce a fost numit un "anod electrolizator" format din nanoparticule de paladiu , depuse pe arhitectura tridimensională a nanotuburilor de titan . [4]

În unele țări, precum în Germania, hidrogenul este utilizat pentru a absorbi vârfurile de producție tipice surselor regenerabile, în special, în cazul Germaniei, producția de hidrogen este activată prin intermediul surplusului de energie produs de parcurile eoliene: proiectul Germanul din Prenzlau este capabil să genereze 120 de metri cubi de hidrogen pe oră. Nu numai Germania, compania canadiană FireWater Fuel a dezvoltat un sistem inovator care, folosind catalizatori ieftini, este capabil să producă hidrogen din surplusul de energie al centralelor eoliene și fotovoltaice, datorită acestui proces, energia produsă în timpul orelor de vârf poate fi redistribuită în rețeaua atunci când crește cererea de energie electrică.

Producția de hidrogen prin electroliza apei , dacă este implementată cu anod de electrolizator, oferă „produsele secundare” interesante pentru a putea fi comercializate în diferite sectoare industriale. Electrolizorul produce hidrogen și compuși utili în diferite sectoare:

- derivații glicerolului și etil glicolului ar putea fi utilizați în industria cosmetică și textilă

- acetat derivat din bioetanol ar putea fi utilizat în industria alimentară

-acidul lactic din propandiol este utilizat pe scară largă pentru producerea materialelor plastice biodegradabile.

Această inovație este testată, prin urmare cea mai răspândită metodă de producere a hidrogenului rămâne în prezent cea de reformare a aburului. [5]

Electroliza apei

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: electroliza apei .
Diagrama funcționării voltametrului Hofmann , utilizată pentru a construi „ electroliza apei ”.

L ' electroliza apei este o metodă simplă de producere a hidrogenului. Un curent de joasă tensiune care trece prin apă formează oxigen gazos către ' anod și hidrogen gazos la catod . În general, la producerea hidrogenului se folosește un catod de platină sau un alt metal inert. Dimpotrivă, dacă hidrogenul este consumat in situ, este necesară prezența oxigenului pentru a produce arderea, iar ambii electrozi (anod și catod) trebuie să fie dintr-un metal inert (utilizarea unui metal non-inert, de exemplu fierul , va produce „ oxidarea metalului în sine și va reduce cantitatea de oxigen care se dezvoltă). Eficiența teoretică maximă (raportul dintre produsul valorii energiei hidrogenului și energia electrică utilizată) este între 80% (50 kWh / kg) și 94% (42 kWh / kg) [6] .

2H 2 O (l) → 2H 2 (g) + O 2 (g)

Electroliza la temperaturi ridicate

Pictogramă lupă mgx2.svg Același argument în detaliu: electroliza la temperaturi ridicate .

Când sursa de energie este sub formă de căldură (solar termic [7] , nuclear sau cogenerare pentru arderea deșeurilor), procesul de obținere a hidrogenului se numește electroliză la temperatură înaltă. Contrar electrolizei la o temperatură scăzută, ultimul mod convertește o cantitate mai mare de „ energie termică inițială în energie chimică , dublând potențial eficiența la aproximativ 50%. Deoarece o parte din energia din electroliza la temperaturi ridicate este furnizată sub formă de căldură, o porțiune mai mică a energiei trebuie convertită de două ori (de la căldură la electricitate și apoi la energie chimică) și, prin urmare, se pierde mai puțină energie. Această metodă a fost aplicată în laborator, dar nu încă la scară comercială.

Procesele de acest tip sunt, de asemenea, luate în considerare în prezent doar în combinație cu o sursă de căldură din energia nucleară, deoarece forma nechimică a căldurii la temperatură ridicată (concentrația razelor solare) nu este suficient de rentabilă pentru a reduce costul echipamentul necesar. Cercetările privind „ electroliza la temperatură ridicată combinată (HTE) la reactorul nuclear VHTR ar putea duce la aprovizionarea economică cu hidrogen a celor produse prin reformarea cu abur a gazelor naturale .

Procesele HTE sunt în general luate în considerare în combinație cu o sursă de căldură de origine nucleară, deoarece celelalte forme de căldură la temperatură ridicată de origine non-chimică (solare termică concentrată) nu sunt suficient de consistente pentru a reduce costurile de capital ale echipamentelor necesare HTE-urilor.

Printre acestea guvernul SUA finanteaza studiul pentru „ electroliză termochimică temperatura ridicată a“ apă (H2 O ). Unele prototipuri de reactoare precum PBMR funcționează la temperaturi cuprinse între 850 și 1000 de grade Celsius , mult mai fierbinți decât sistemele comerciale existente. Electroliza apei la aceste temperaturi convertește mai bine energia chimică inițială a căldurii sub formă de hidrogen, dublând potențial eficiența , la aproximativ 50%. Procesul funcționează în laborator, dar nu a fost niciodată testat la scară comercială.

Economiile potențiale, bazându-se doar pe procese industriale care utilizează hidrogen, par substanțiale. Compania General Atomics prezice că hidrogenul produs în reactoarele HTGR poate costa aproximativ 1,53 dolari SUA / kg . În 2003, gazul natural cu abur reformat a produs hidrogen la 1,40 dolari / kg, deși ca orice produs produs din combustibili fosili la dioxid de carbon și alte gaze cu efect de seră, întrerupând utilizarea hidrogenului ca sens al combustibilului. Pentru prețurile gazelor până în 2005 , hidrogenul a costat 2,70 dolari / kg, apoi ați putea economisi zeci de miliarde de dolari / an cu furnizarea de energie nucleară . Multe dintre aceste costuri ar rămâne în SUA, prin finanțarea cercetării științifice în domeniul energiei și îmbunătățirea balanței comerciale SUA , prin reducerea importurilor de petrol care calmează prețurile.

Un beneficiu secundar al reactoarelor nucleare care produc atât electricitate, cât hidrogenul este că puteți alege rapid să produceți o între cele două. De exemplu, centrala ar putea produce electricitate pe timp de zi și hidrogen pe timp de noapte, compensând astfel variația cererii. Dacă ar fi produs economic, această schemă ar concura cu sistemele curentului de rețea de stocare a energiei . Există o cerere de hidrogen atât de mare în Statele Unite încât întreaga generație „de vârf” poate fi satisfăcută de astfel de plante. [8] Cu toate acestea, reactoarele nucleare din generația IV nu vor fi disponibile până în 2030 și nu este sigur că reactoarele pot concura de atunci pentru securitate și aprovizionare cu conceptul de generație distribuită .

Fotoelectrochimică Împărțirea apei

Utilizarea energiei electrice generate de sistemele fotovoltaice oferă cel mai curat mod de a produce hidrogen. Apa este descompusă în hidrogen și oxigen prin electroliză într-un proces fotoelectrochimic. Cercetarea care vizează dezvoltarea unei tehnologii mai eficiente a celulelor cu joncțiuni multiple este realizată de industria fotovoltaică.

Producția termochimică

Unele procese termochimice, cum ar fi ciclul sulfurii de iod , pot produce hidrogen și oxigen din apă și căldură fără a utiliza electricitate. Deoarece întreaga energie de activare pentru astfel de procese este căldura, ele pot fi mai eficiente decât electroliza la temperaturi ridicate. Acest lucru se datorează faptului că eficiența producției de energie electrică în sine este fundamental limitată. Producția termochimică de hidrogen utilizând energia chimică din cărbune sau gaz natural nu este în general luată în considerare, deoarece procesul chimic direct este mai eficient.

Există sute de procese termochimice adecvate pentru producerea hidrogenului; cele mai promițătoare dintre acestea sunt:

Există, de asemenea, variante hibride, care includ cicluri termochimice cu o etapă electrochimică.

Pentru toate procesele termochimice, reacția generală este cea a descompunerii apei:

Toate celelalte substanțe utilizate sunt reciclate.

Niciunul dintre procesele termochimice de producție a hidrogenului nu a fost aplicat la nivel de producție, deși multe au fost demonstrate în laborator. Nu se știe care pot fi problemele din fabricile masive de producție, costurile și beneficiile sau daunele colaterale. Electroliza nu funcționează la 100% și nu este regenerabilă deoarece, pentru a împărți hidrogenul și oxigenul, se folosește electricitate, iar o parte din hidrogen și apă se pierde, astfel încât câștigul este de aproximativ 90-95%

Producție cu energie solară termică și catalizator

În 2006, japonezii au propus un sistem cu doi catalizatori pentru producerea directă de hidrogen datorită solare-termice. Este o soluție apoasă de EDTA asociată cu o moleculă metal-organică formată dintr-un atom de ruteniu hexavalent și trei molecule amino-aromatice cu câte 2 atomi de azot . Are conversia directă a energiei solare în hidrogen gazos, ușor de recuperat pentru multe utilizări. [9] [10] [11]

Producția în laborator

In laborator, H2 se realizează , de obicei , cu reacția acizilor cu metale, cum ar fi zincul .

Zn + 2 H 3 O + → Zn 2+ + H 2 + 2 H 2 O

În cazul " aluminiu , H 2 este generat atunci când metalul este tratat cu un de acid sau cu o bază :

2 Al + 6 H 2 O → 2 Al (OH) 3 + 3 H 2

De exemplu, puteți face să reacționeze aluminiul cu soda caustică (NaOH) dizolvată în apă. Cu cât suprafața metalului este mai mare expusă soluției , cu atât este mai mare viteza de reacție ; în cazul în care aluminiul este pulverizat, reacția va deveni violentă și aproape explozivă . Procesul are loc conform următoarei ecuații chimice:

2 NaOH + 2 Al + 2H 2 O → 2 NaAlO 2 + 3 H 2

Fiind exoterm , implică o producție considerabilă de căldură, apoi urmează o producție deloc neglijabilă de vapori de apă , care, în majoritatea cazurilor, trebuie eliminată utilizând un element higroscopic ca clorura de calciu sau prin simpla condensare . Pe lângă hidrogen, este produs și un al doilea compus, aluminatul de sodiu .
În practică, aproximativ 80 g de NaOH vor fi combinate cu 54 g de aluminiu pentru a da naștere la 67,2 l în condiții normale .

O altă reacție utilizabilă este următoarea:

NaBH 4 + 2H 2 O → NABO 2 + 4 H 2

Borohidrura de sodiu NaBH4 este o hidrură ireversibilă, care reacționează încet cu apă pentru a elibera 4 moli de hidrogen per mol de compus , la temperatura camerei. În condiții adecvate , acestea sunt eliberate 0,213 g de hidrogen per 1 g de NaBH4, sau 2,37 litri (gaz STP) per mol de compus. La temperaturi obișnuite, odată adusă în contact cu NaBH4 și apă, acesta este eliberat din reacție doar o mică cantitate de hidrogen cantitate teoretic poate fi obținut din reacția. Scăderea ratei inițiale de evoluție a hidrogenului se datorează creșterii pH-ului soluției care este cauzată de formarea anionilor de bază metaborați. La 298 K, modificarea entalpiei (condiții standard) a reacției de hidroliză este egală cu -217 kJ, astfel încât reacția este exotermă. Când se folosește NaBH4 pentru a produce hidrogen este de dorit ca reacția este suficient de rapid pentru a satisface nevoile sistemului în care gazul este utilizat. Hidroliza este apoi accelerată prin utilizarea catalizatorilor.

În 2007 s-a descoperit că aliajul de aluminiu și galiu sub formă de pelete adăugat în apă poate fi utilizat pentru a obține hidrogen [12] . Procesul produce și oxid de aluminiu , cu toate acestea, galiul (care are un preț ridicat) previne formarea unui strat de oxid pe suprafața tamponului, care poate fi apoi refolosit. Această descoperire are implicații importante în „economia hidrogenului, deoarece aceasta din urmă poate fi ușor sintetizată in situ, fără a fi necesară transportarea.

Sinteza biologică

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Producția biologică de hidrogen .
Producția de hidrogen din alge.

O cale alternativă este producția biologică de hidrogen (numită în acest caz „biohidrogen”) care profită de procesele legate de microorganisme precum bacteriile roșii, cianobacteriile și microalga . Aceste microorganisme sunt capabile, în condiții adecvate, să exploateze o cale metabolică anaerobă care duce la producerea de hidrogen din diferite surse, datorită acțiunii de catalizare a enzimelor care conțin fier sau nichel , numite hidrogenază . Aceste enzime catalizează reacția redox H 2 reversibilă, care este clivată în cei doi protoni și doi electroni ai săi. Conversia hidrogenului gazos are loc cu transferul de echivalenți reduși (produși în timpul metabolismului „ acidului piruvic ) în„ oxigen , cu formarea consecventă a apei [13] . Disocierea apei, din care obțineți doi protoni, doi electroni și oxigen, are loc în timpul reacțiilor fazei luminoase a metabolismului organismelor fotosintetice .

Unele dintre aceste organisme - incluzând alga Chlamydomonas reinhardtii și cianobacteriile - au evoluat și au dezvoltat un al doilea pasaj în reacțiile fazei întunecate în care protonii sunt reduși pentru a forma gazul H 2 prin acțiunea hidrogenazelor specializate în cloroplaste [14]. ] .

Microalgele (cum ar fi Chlamydomonas reinhardtii ) produc hidrogen ca substrat principal folosind apă și lumină (într-un proces numit biofotoliză ). Apa este utilizată ca sursă de electroni (e -) și protoni (H +), în timp ce lumina furnizează energia necesară pentru ca procesul să se producă, în funcție de reacție:

2H + + 2e - → H 2 + lumină
Micrografie care prezintă cloroplaste în țesutul plantei. Prezentul hydrogenase în aceste organite sunt capabile să genereze H2 gazos.

În acest fel, energia luminii este colectată sub formă de hidrogen gazos. Deși aceasta este considerată a fi cea mai curată și mai eficientă metodă (numai din punctul de vedere al eficienței transformării energiei în hidrogen), studiul și înțelegerea tuturor proceselor implicate în mod specific în biofotoliză sunt încă la un nivel de cercetare de bază. De exemplu, nu este clar care este adevăratul rol al respirației mitocondriale , dell'idrogenasi ( enzima responsabilă de producerea hidrogenului) de clororespirazione și cel al glucidelor acumulate din microalge. Chiar pe rolul acestuia din urmă a concentrat eforturile lumii științifice din ultimii ani (din 2000, anul publicării unui articol important al cercetătorului grec Anastasios Melis, Universitatea din California, Berkeley , care a adus o viață nouă acestui tip de căutare ) suficient pentru a presupune chiar nu o biofotoliză, ci, în ceea ce privește bacteriile roșii, o adevărată fermentare . Întrebarea este încă deschisă. O altă problemă destul de importantă pentru viitorul acestui proces sunt ratele de producție a hidrogenului, deocamdată foarte scăzute, în special în comparație cu bacteriile roșii: acest lucru ar face ca aplicabilitatea pe scară largă să fie nefavorabilă din punct de vedere economic (utilizarea unui fotobioreactor - în interiorul căruia procesele care utilizează lumina are loc - este un alt punct cheie în economia procesului).

S-au făcut multe eforturi în cercetarea științifică pentru a modifica genetic hidrogenaza bacteriană pentru a sintetiza eficient gazul H 2 chiar și în prezența oxigenului [15] .

Bacteriile roșii fără sulf sunt capabile să producă hidrogen din material organic într-un proces de fermentare. Fermentarea biologică este o etapă inițială a digestiei anaerobe (adică care are loc în absența oxigenului) și poate avea loc în prezența luminii (fotofermentare) sau în absența acesteia (fermentarea în întuneric). Spre deosebire de biofotoliză, sursa de electroni și protoni în acest caz este materia organică. Acest lucru duce inevitabil la eliberarea de CO 2 în procesul de producție. Cu toate acestea, acest CO 2 nu mărește echilibrul termic al pământului, deoarece nu provine din combustibili fosili , ci este regenerabil. Ambele procese (fermentație întunecată și ușoară) au fost studiate pe larg în ultimii 30 de ani.

Fotofermentarea duce la producerea de hidrogen utilizând atât substratul organic, cât și lumina. După cum sa menționat, substratul organic este sursa de protoni și electroni, în timp ce lumina este utilizată în mod substanțial pentru a activa enzima responsabilă de producerea de hidrogen, o azotază . Această enzimă are o energie de activare destul de mare; în consecință, eficiența conversiei energiei (lumină + materie organică / hidrogen) nu este foarte mare. În orice caz, ratele de producție cu bacterii roșii sunt foarte mari, ceea ce face construcția de instalații industriale fezabilă din punct de vedere economic (de asemenea, în acest caz, utilizarea fotobioreactoarelor este obligatorie). Eficiența scăzută a proceselor de fermentare ușoară și costul fotobioreactoarelor a dus la un interes mai mare pentru procesele de fermentare întunecată. Deși din punct de vedere tehnic este mult mai ușor de realizat, acest proces este capabil să utilizeze doar o fracțiune din energia prezentă în materia organică (această limită a fost bine explicată de Thauer în 1977), lăsând compușii organici încă utilizabili în cadrul culturii . În orice caz, utilizarea materiei organice poate fi asociată cu eliminarea unui anumit tip de deșeuri . Această posibilitate a ajuns să înnobileze procesul de fermentație, chiar dacă din punct de vedere al eficienței conversiei este nefavorabil din punct de vedere energetic. O diferență între microalge și cianobacterii, de fapt, producția de hidrogen cu bacterii roșii este deja astăzi o biotehnologie care, atunci când este aplicată corect, poate da rezultate eficiente. Una dintre soluțiile ipotezate este cuplarea celor două procese de fermentare pentru a descompune toți compușii organici din mediul de cultură. Această soluție ar implica o primă fermentare pe întuneric (posibil folosind deșeuri organice, cu un cost relativ scăzut al materiei prime). Alla fine del processo al buio, la coltura batterica verrebbe separata dal mezzo colturale il quale verrebbe riutilizzato nella fotofermentazione per la definitiva scomposizione del materiale organico. In quest'ottica, anche la produzione di biomassa fermentabile quali colture di microrganismi come microalghe è stata suggerita. Gli attuali punti deboli di questa soluzione risiedono nel costo del fotobioreattore, nell'effettiva applicabilità ad ogni tipo di rifiuto organico, nel costo della materia prima, nella presenza di molecole contenenti zolfo o azoto nel biogas prodotto dalla coltura (specialmente utilizzando il rifiuto organico urbano) e nella sfiducia delle aziende coinvolte nello smaltimento dei rifiuti nell'utilizzo e nello sviluppo di una nuova biotecnologia.

Il 3 novembre 2006 , la rivista Science ha pubblicato lo studio di un gruppo di ricerca internazionale guidato dal Lawrence Livermore Lab di Berkeley . Gli scienziati hanno messo a punto una tecnica di spettrografia ai raggi X e cristallografia per "fotografare" la fotolisi dell' acqua , premessa per lo sviluppo di tecnologie che usano la luce solare per la divisione dell'acqua e la produzione di idrogeno (da fonti rinnovabili). La tecnica ha permesso di osservare i passaggi della reazione di ossidazione dell'acqua, legami atomici e molecolari, gli scambi tra catalizzatore e proteina. Il catalizzatore scoperto è stato chiamato "Photosyntesis 2" ed è una molecola di 4 atomi di manganese e uno di calcio.

Inoltre alcune fosfatasi riducono fosfiti ad H 2 .

Altri metodi

  • La ricerca sulla fotosintesi basata sulle nanotecnologie forse porterà ad una produzione più efficiente di idrogeno grazie a sistemi bio-elettrici impieganti la luce solare, oppure la produzione di carburanti sintetici ( idrocarburi neutri, oppure alcool ) a partire dal diossido di carbonio che verrebbe idrogenato ed allungato, (in questo modo si eliminerebbe l'anidride carbonica prodotta).
  • La teoria radicale e la teoria della Terra ad idruri suggeriscono che grandi quantità d'idrogeno possano esistere legati ai metalli del mantello terrestre .

Note

  1. ^ a b c ( EN ) David W. Oxtoby; Norman H. Nachtrieb; H. Pat Gillis; HP Gillis; Norman H. Nachtrie; Hatem H. Helal, Principles of Modern Chemistry , 5ª edizione, Pacific Grove, Brooks/Cole Pub Co, 2002, ISBN 978-0-03-035373-4 .
  2. ^ a b Rolla , p. 282 .
  3. ^ Noris Gallandat1, Krzysztof Romanowicz e Andreas Züttel, An Analytical Model for the Electrolyser Performance Derived from Materials Parameters ( PDF ), in Journal of Power and Energy Engineering , vol. 2017, n. 5.
  4. ^ a b L'idrogeno ecologico ed efficiente , su cnr.it .
  5. ^ Ullmann's , cap. 2 .
  6. ^ Hydrogen. Status og muligheter ( PDF ), su bellona.org . URL consultato il 2 ottobre 2009 (archiviato dall' url originale il 16 febbraio 2008) .
  7. ^ quello studiato da Carlo Rubbia
  8. ^ Decision and Information Sciences | Develop. Apply. Transfer Archiviato il 27 settembre 2007 in Internet Archive .
  9. ^ Journal of the American Chemical Society - A Photo-Hydrogen-Evolving Molecular Device Driving Visible-Light-Induced EDTA-Reduction of Water into Molecular Hydrogen (2006)
  10. ^ JACS: Discovering the Balance of Steric and Electronic Factors Needed To Provide a New Structural Motif for Photocatalytic Hydrogen Production from Water (2011)
  11. ^ Garace Ocean Solar hydrogen generation
  12. ^ ( EN ) New process generates hydrogen from aluminum alloy to run engines, fuel cells , su physorg.com . URL consultato il 2 ottobre 2009 .
  13. ^ ( EN ) Cammack, R.; Frey, M.; Robson, R., Hydrogen as a Fuel: Learning from Nature , London, Taylor & Francis, 2001, ISBN 0-415-24242-8 .
  14. ^ ( EN ) Kruse O.; Rupprecht J.; Bader KP; Thomas-Hall S.; Schenk PM; Finazzi G.; Hankamer B., Improved photobiological H2 production in engineered green algal cells , in J Biol Chem , vol. 280, n. 40, 2005, pp. 34170-7.
  15. ^ ( EN ) DOE Hydrogen Program ( PDF ), su hydrogen.energy.gov . URL consultato il 2 ottobre 2009 .

Bibliografia

  • ( EN ) Hartmut Wendt, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, "Electrochemistry" , 7ª ed., Wiley-VCH, 2004, DOI : 10.1002/14356007.a09_183 .
  • Luigi Rolla, Chimica e mineralogia. Per le Scuole superiori , 29ª ed., Dante Alighieri, 1987.

Voci correlate

Altri progetti

Collegamenti esterni

Estratto da " https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Produzione_di_idrogeno&oldid=120397646 "