1. Giới thiệu Hydrogen
Sulfide ở Biển Đen được phát hiện vào cuối thế kỷ 19. Và kể từ đó, đã có nhiều cuộc thảo luận về khả năng sử dụng của nó. Một mặt, hydro sunfua là một nguồn năng lượng và lưu huỳnh có tiềm năng tái tạo. Nhưng mặt khác, có một vấn đề môi trường với sự gia tăng của hydro sunfua trong các lớp bề mặt biển. Đới hydro sunfua bắt đầu ở độ sâu 150-200 mét với nồng độ tăng dần đến 13-14 ml/l. Nhưng nồng độ tương đối của hydro sunfua là nhỏ, điều này gây ra các vấn đề về lợi nhuận khi sản xuất nó từ một lượng nước lớn với quá trình lọc đồng thời khỏi tạp chất. Nồng độ của hydro sunfua là một phần trăm so với dung dịch bão hòa của nó. Do đó, sự phát triển và biện minh cho các công nghệ hiệu quả về chi phí cho việc sử dụng hydro sunfua hiện đang phù hợp.
2. Công nghệ làm sạch nước biển từ hydro sunfua dựa trên aerolift
Vào những thời điểm khác nhau, một số phương pháp sử dụng airlift đã được xem xét. Vào đầu những năm 90, Ilya Varshavsky đã xem xét một công nghệ được cho là tạo ra lực nâng không khí từ các bong bóng hydro được tạo ra bởi phản ứng hóa học của nhôm hoạt tính với nước biển. Khí hydro dâng lên qua đường ống, mang theo nước cùng với hydro sunfua hòa tan trong đó. Từ huyền phù di chuyển lên mặt nước, do áp suất giảm, hydro sunfua hòa tan bắt đầu được giải phóng, giúp tăng cường hiệu quả của lực nâng. Công nghệ này sử dụng nhôm hoạt tính dựa trên hợp kim nhôm với indi và gali. Một hợp kim như vậy giải phóng thành công hydro từ nước, trong khi indi và gali được tiêu thụ không thể cứu vãn, điều này không có lợi về mặt kinh tế vì các thành phần này có giá gần bằng vàng. Để thay thế, thay vì indi và gali, người ta đề xuất sử dụng hợp kim nhôm với một vài phần trăm đồng, ví dụ: 5-8% hoặc sử dụng hợp kim D16 (duralumin), cũng chứa đồng. Các hợp kim này được thiết lập tốt làm vật liệu cực âm trong quá trình điện phân nước để tạo ra hydro. Theo phương pháp được đề xuất, sẽ rẻ hơn nếu tổ chức vận chuyển bằng đường hàng không bằng cách sử dụng quá trình phân hủy nước bằng điện phân. Công trình và thí nghiệm này được thực hiện tại Viện Nghiên cứu Kỹ thuật Cơ khí thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Nga. Hình 1 cho thấy sơ đồ của một thiết bị thực hiện công nghệ được đề xuất. Ống được làm bằng hợp kim nhôm nhẹ AMG-6, hầu như không bị ăn mòn trong nước biển. Đường ống trong trường hợp này là cực dương và cực âm là một hình trụ tròn đặc làm bằng hợp kim nhôm nằm ở trung tâm. Đầu dưới của ống được đóng lại và nước có hydro sunfua hòa tan đi vào qua các cửa hút nước bên cạnh, liên quan đến việc di chuyển đường ống với sự trợ giúp của bình, tức là quá trình lọc nước từ hydro sunfua diễn ra ở vùng nước tốt. Phần dưới kín của đường ống liên quan đến việc thu thập các sản phẩm phản ứng điện hóa nặng hơn nước và không hòa tan trong nước. Ưu điểm của phương pháp này là quá trình này sẽ được điều chỉnh bằng cách thay đổi công suất điện được cung cấp từ nguồn dòng điện không đổi sang mạch cực dương-cực âm. Không giống như giải pháp kỹ thuật, sẽ không cần sử dụng máy bơm để tổ chức chuyển động ban đầu của nước có hydro sunfua hòa tan trong đó lên bề mặt hồ chứa. Điều này được thực hiện bằng cách cung cấp một lượng điện năng lớn cho tế bào điện phân ngay từ đầu.
Hình 1 cho thấy sơ đồ của một thiết bị thực hiện công nghệ được đề xuất. Ống được làm bằng hợp kim nhôm nhẹ AMG-6, hầu như không bị ăn mòn trong nước biển.
Đường ống trong trường hợp này là cực dương và cực âm là một hình trụ tròn đặc làm bằng hợp kim nhôm nằm ở trung tâm. Đầu dưới của ống được đóng lại và nước có hydro sunfua hòa tan đi vào qua các cửa hút nước bên cạnh, liên quan đến việc di chuyển đường ống với sự trợ giúp của bình, tức là quá trình lọc nước từ hydro sunfua diễn ra ở vùng nước tốt. Phần dưới kín của đường ống liên quan đến việc thu thập các sản phẩm phản ứng điện hóa nặng hơn nước và không hòa tan trong nước.
Ưu điểm của phương pháp này là quá trình này sẽ được điều chỉnh bằng cách thay đổi công suất điện được cung cấp từ nguồn dòng điện không đổi sang mạch cực dương-cực âm. Không giống như giải pháp kỹ thuật, sẽ không cần sử dụng máy bơm để tổ chức chuyển động ban đầu của nước có hydro sunfua hòa tan trong đó lên bề mặt hồ chứa. Điều này được thực hiện bằng cách cung cấp một lượng điện năng lớn cho tế bào điện phân ngay từ đầu.
1-ống-cực dương, 2-cửa hút nước, 3-máy thu, 4-máy nén,
5-bình điện phân, 6-kết tủa không tan, 7-cực âm.
Hình 1. Sơ đồ lắp đặt hệ thống lọc nước biển từ hydro sunfua.
3. Điện phân nước biển
Cần lưu ý rằng quá trình điện phân nước biển với hydro sunfua hòa tan trong đó hơi khác so với quá trình điện phân nước thông thường. Nước biển chứa chủ yếu là natri clorua, tức là các cation natri và anion clo, và các phân tử nước. Do đó, cùng với hydro, natri sẽ được giải phóng ở cực âm. Natri với các phân tử nước tạo thành NaOH H2, một mặt làm mềm nước (có ích với lượng nhỏ), mặt khác làm tăng quá trình điện phân, giúp tiết kiệm điện. Hydro bổ sung từ phản ứng hóa học này sẽ tăng cường hơn nữa việc vận chuyển không khí.
Ở cực dương, cùng với oxi, clo thoát ra, clo tan tốt trong nước tạo thành HCl 2Cl H2O 2HCl 0,5O2 (1)
và kết hợp với NaOH tạo ra phản ứng trung hòa
NaOH HCl = NaCl H2O (2)
Oxy, hơi hòa tan trong nước, tham gia vào việc tăng quá trình vận chuyển không khí và cũng có sự sục khí của hydro sunfua và quá trình oxy hóa hóa học của nó với oxy, có thể xảy ra trong máy thu.
Dưới đây là các phản ứng hóa học khác nhau của hydro sunfua thu được: ví dụ như khi thiếu oxy trong máy thu:
2H2S O2 =2S 2H2O (3)
Một phương pháp công nghiệp để sản xuất lưu huỳnh dựa trên phản ứng này. Trong trường hợp này, chỉ có lưu huỳnh được tổng hợp và hydro không được sử dụng làm nhiên liệu. Để sản xuất cả lưu huỳnh và hydro, giải pháp được đưa ra dưới đây.
Nếu hydro sunfua chỉ được đốt cháy làm nhiên liệu để tạo ra nhiệt, thì trong không khí có chứa oxy, hydro sunfua cháy với ngọn lửa nhuốm màu xanh lam.
2H2S 3O2 =2H2O 2SO2 (4) Hiđro sunfua phản ứng với kiềm:
H2S 2 NaOH = Nа2S 2 H2O (5) Hiđro sunfua phản ứng với kiềm:
H2S NaOH = NaHS H2O (6)
Hydro sunfua cũng phản ứng với nhiều tác nhân oxy hóa khác và khi nó bị oxy hóa trong dung dịch, lưu huỳnh tự do hoặc ion SO42- được hình thành, ví dụ:
3H2S 4HCIO3 = 3H2SO4 4HCI (7)
2H2S O2 = 2H2O 2S (8)
Ở bình thu, hiđro sunfua được tách ra khỏi nước. Nước chảy vào bể chứa và máy nén hydro sunfua được đưa vào máy điện phân, nơi nó được hóa lỏng trước tiên, sau đó được phân hủy thành hydro và lưu huỳnh. Hydro thu được một phần được sử dụng để tạo ra năng lượng cần thiết để nén và phân hủy hydro sunfua, và một phần làm nhiên liệu thân thiện với môi trường.
Lưu huỳnh được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau của nền kinh tế quốc dân. Lưu huỳnh được sử dụng trong công nghệ điện tử, sản xuất thiết bị quang học, phốt pho và sản xuất dược phẩm và mỹ phẩm – nước thơm, thuốc mỡ và thuốc chữa bệnh ngoài da. Một nửa lượng lưu huỳnh sản xuất được sử dụng trong sản xuất axit sunfuric.
Lưu huỳnh được sử dụng để lưu hóa cao su, làm thuốc diệt nấm trong nông nghiệp và làm thuốc lưu huỳnh dạng keo. Ngoài ra, lưu huỳnh trong thành phần của các chế phẩm stronti được sử dụng để sản xuất nhựa đường lưu huỳnh và thay thế cho xi măng Portland – để sản xuất bê tông lưu huỳnh. Lưu huỳnh được sử dụng để sản xuất các chế phẩm pháo hoa, trước đây được sử dụng để sản xuất thuốc súng và được sử dụng để sản xuất diêm.
Mức tiêu thụ hydro toàn cầu hàng năm vượt quá 1 triệu tấn. Việc sử dụng hydro rất đa dạng:
• Trong công nghiệp hóa chất, nó được dùng làm nguyên liệu để sản xuất nhiều sản phẩm rất quan trọng (amoniac,…). Nó cũng được sử dụng trong sản xuất một chất hóa học có công suất lớn như anilin. Hydrogen được sử dụng trong quá trình tổng hợp amoniac và để sản xuất axit clohydric.
• Trong công nghiệp thực phẩm – để sản xuất chất béo rắn từ dầu thực vật, v.v. Nhiệt độ cao (lên đến 2600°C) thu được của hydro trong oxy được sử dụng để nấu chảy kim loại chịu lửa, thạch anh, v.v.
• Trong khoa học tên lửa, hydro lỏng là một trong những loại nhiên liệu phản lực hiệu quả nhất.
• Trong hóa dầu, nó được sử dụng để hydro hóa hydrocarbon từ lưu huỳnh liên kết hóa học.
• Hydrocracking (bẻ khóa trong môi trường hydro) hydrocacbon tự nhiên tạo ra chỉ số octan cao
xăng. Là một chất khử, hydro được sử dụng trong sản xuất một số kim loại đặc biệt tinh khiết và chất xúc tác.
• Trong hóa học phân tích, hydro sunfua và nước hydro sunfua được sử dụng làm thuốc thử để kết tủa các kim loại nặng mà các sunfua của chúng rất ít tan.
• Trong y học – trong thành phần của bồn tắm hydro sunfua tự nhiên và nhân tạo, cũng như trong thành phần của một số loại nước khoáng.
• Hydro sunfua được sử dụng để sản xuất axit sunfuric, lưu huỳnh nguyên tố và sunfua. • Dùng trong tổng hợp hữu cơ để sản xuất thiophene và mercaptans.
4. Tính toán ước lượng
Được biết, diện tích Biển Đen là S=420,3 nghìn km2. Độ sâu tối đa là 2210 m. Độ sâu tính từ bề mặt biển không có hydro sunfua trung bình là 160 m. Giả sử rằng hình dạng của bồn tắm Biển Đen sẽ là hình trung bình giữa hình nón và hình trụ, chúng tôi cho rằng thể tích nước V có hydro sunfua bằng:
V=2/3S(H-a) = 2/3×420,3x2050x106=575×109 m3 (9)
Được biết, lớp hydro sunfua của nước Biển Đen chứa trung bình 13 g/m3 hydro sunfua, khi đó khối lượng của hydro sunfua Msv sẽ là
Msv = 0,013х575х109 = 7,5х109 kg (10)
Hydro chiếm 1/17 phần hydro sunfua, do đó, từ hydro sunfua này, bạn có thể thu được hydro 4,4x108kg và lưu huỳnh tương ứng là 70,4x108kg.
Khi đốt cháy 4,4x108kg hydro, bạn có thể nhận được 16,86×109 kWh năng lượng. Nếu chúng ta tính đến hiệu suất của pin nhiên liệu là 0,5, thì khi chuyển đổi thành điện năng, chúng ta sẽ nhận được 8,43×109 kWh — con số này gấp 1,5 lần so với mức tiêu thụ điện hàng năm của Mátxcơva.
Về mặt lý thuyết, quá trình phân hủy hydro sunfua thành hydro và lưu huỳnh tiêu thụ năng lượng ít hơn 12 lần so với quá trình đốt cháy hydro. Ngoài ra, bạn có thể sử dụng lò phản ứng công nghệ màng plasma của Viện Năng lượng Hydro và Công nghệ Plasma của Trung tâm Kurchatov, tiêu thụ 1 kW giờ điện để sản xuất 1 mét khối hydro và 1,4 kg lưu huỳnh.
5. Kết luận
Bài báo đề xuất công nghệ làm sạch hồ chứa tự nhiên khỏi hydro sunfua nhằm cải thiện môi trường. Công nghệ này dựa trên việc tổ chức tạo ra một lực lượng không vận do quá trình điện phân nước biển. Nó cho thấy rằng điện phân có thể được sử dụng để làm sạch nước biển khỏi hydro sunfua. Kết quả của quá trình điện phân, hydro được giải phóng ở cực âm và oxy được giải phóng ở cực dương. Cả hai loại khí đều tạo ra hiệu ứng nâng khí quyển, do đó hydro sunfua nổi lên bề mặt của bể chứa, nơi nó được giữ lại để phân tách thêm.
