Sistema di purificazione dell'idrogeno

L’idrogeno è un promettente vettore energetico pulito che può essere utilizzato per varie applicazioni, come le celle a combustibile, la produzione di energia e i trasporti. Tuttavia, la produzione di idrogeno spesso comporta impurità che possono influenzarne la qualità e le prestazioni. Pertanto, la purificazione dell’idrogeno è un passo essenziale per garantire l’efficienza e la sicurezza dell’utilizzo dell’idrogeno.

Assorbimento dell'oscillazione della pressione
L'adsorbimento con oscillazione di pressione (PSA) è un metodo ampiamente utilizzato per la purificazione dell'idrogeno che si basa sull'adsorbimento selettivo di impurità su materiali porosi, come carbone attivo o zeoliti, ad alta pressione. Le impurità adsorbite vengono quindi rilasciate riducendo la pressione e lavando l'adsorbente con un gas di spurgo. Il PSA può raggiungere elevata purezza e recupero dell'idrogeno, ma richiede anche un elevato consumo di energia, apparecchiature di grandi dimensioni e rigenerazione periodica dell'adsorbente.

Separazione della membrana
La separazione a membrana è un altro metodo comune per la purificazione dell'idrogeno che utilizza materiali sottili e permeabili, come polimeri, metalli o ceramiche, per separare l'idrogeno da altri gas in base alla loro dimensione, forma o affinità molecolare. La separazione a membrana può funzionare a pressione e temperatura basse o ambientali, il che riduce i costi energetici e di capitale. Tuttavia, la separazione della membrana deve affrontare anche sfide quali incrostazione, degradazione e selettività della membrana.

Distillazione criogenica
La distillazione criogenica è un metodo per la purificazione dell'idrogeno che sfrutta i diversi punti di ebollizione dell'idrogeno e di altri gas. Raffreddando la miscela di gas a temperature estremamente basse, l'idrogeno può essere separato come vapore mentre le impurità vengono condensate come liquidi. La distillazione criogenica può raggiungere una purezza e un recupero dell'idrogeno molto elevati, in particolare per la rimozione di gas inerti come azoto ed elio. Tuttavia, la distillazione criogenica comporta anche un elevato consumo di energia, attrezzature complesse e rischi per la sicurezza.

Diffusione del palladio
La diffusione del palladio è un metodo per la purificazione dell'idrogeno che sfrutta la proprietà unica del palladio metallico, che può assorbire e diffondere atomi di idrogeno attraverso la sua struttura reticolare. Applicando un gradiente di pressione o temperatura attraverso una sottile membrana di palladio, l'idrogeno può essere trasportato selettivamente da un lato all'altro, lasciando dietro di sé le impurità. La diffusione del palladio può raggiungere una purezza ultraelevata e il recupero dell'idrogeno, ma soffre anche di costi elevati dei materiali, disponibilità limitata e suscettibilità all'avvelenamento e all'infragilimento.

Metodi biologici
I metodi biologici sono metodi emergenti per la purificazione dell’idrogeno che impiegano microrganismi, come batteri, alghe o funghi, per convertire o rimuovere le impurità dal gas idrogeno. Ad esempio, alcuni batteri possono utilizzare il monossido di carbonio, un’impurità comune nella produzione di idrogeno, come substrato per la crescita e produrre anidride carbonica e acqua come sottoprodotti. I metodi biologici possono offrire un basso consumo energetico, benefici ambientali e potenziali prodotti a valore aggiunto. Tuttavia, i metodi biologici devono affrontare anche sfide quali bassa efficienza, scalabilità e stabilità.

Per la prima volta, i ricercatori hanno recuperato il 98,8% dell’idrogeno dal flusso di uscita di un convenzionale reattore a spostamento di gas ad acqua raffreddato ad acqua, che rappresenta il valore più alto mai registrato.

Nei metodi tradizionali di separazione dell'idrogeno viene utilizzato un reattore di spostamento del gas d'acqua, che richiede un passaggio aggiuntivo. Nel reattore di spostamento del gas d'acqua, il monossido di carbonio viene prima convertito in anidride carbonica, quindi l'idrogeno e l'anidride carbonica vengono separati mediante un processo di assorbimento. Un compressore viene utilizzato per pressurizzare l'idrogeno purificato per l'uso o lo stoccaggio immediato.

L’uso di membrane elettrolitiche polimeriche protone-selettive ad alta temperatura, o PEM, è necessario per separare rapidamente ed economicamente l’idrogeno da altre molecole di gas come l’anidride carbonica e il monossido di carbonio. Può anche funzionare a temperature più elevate rispetto ad altre pompe elettrochimiche di tipo PEM ad alta temperatura, migliorando la sua capacità di separare l'idrogeno da altri gas.

Processo di purificazione dell'idrogeno
Per ottenere la separazione, il team ha utilizzato un “sandwich” di elettrodi, in cui gli elettrodi con cariche opposte fungono da “pane” e una membrana funge da “salumi”. I materiali leganti ionomerici degli elettrodi sono progettati per tenere insieme gli elettrodi, in modo simile a come il glutine tiene insieme il pane.

La fetta di pane, o elettrodo caricato positivamente, nella pompa rilascia protoni ed elettroni dall'idrogeno. Mentre i protoni viaggiano attraverso la membrana, gli elettroni viaggiano attraverso la pompa tramite un filo che tocca un elettrodo carico positivamente. Dopo aver attraversato la membrana e raggiunto l'elettrodo carico negativamente, i protoni e gli elettroni si combinano per formare nuovamente idrogeno.
Poiché il PEM consente solo il passaggio dei protoni, il monossido di carbonio, l'anidride carbonica, il metano e il gas di azoto non possono passare. Il team ha creato un legante ionomerico adesivo dell’acido fosfonico per tenere insieme le particelle degli elettrodi nella pompa dell’idrogeno in modo che possano funzionare correttamente.

I ricercatori utilizzeranno il loro approccio e i loro strumenti per studiare la purificazione dell'idrogeno nei gasdotti. Sebbene questo metodo di trasporto e stoccaggio dell’idrogeno debba ancora essere messo in pratica, è molto promettente. L’idrogeno potrebbe essere utilizzato per supportare i sistemi di energia solare ed eolica, nonché una varietà di altre applicazioni rispettose dell’ambiente, utilizzando una cella a combustibile o un generatore a turbina.

Il gas industriale contiene un gran numero di gas di scarico con vari idrogeni. La separazione e la purificazione dell'idrogeno è anche uno dei primi campi industrializzati della tecnologia PSA.

Il principio della separazione PSA della miscela di gas è che la capacità di assorbimento dell'adsorbente per i diversi componenti del gas cambia con il cambiamento della pressione. I componenti delle impurità nel gas in ingresso vengono rimossi mediante adsorbimento ad alta pressione e queste impurità vengono desorbite mediante riduzione della pressione e aumento della temperatura. Lo scopo di rimuovere le impurità ed estrarre componenti puri viene raggiunto attraverso variazioni di pressione e temperatura.

La produzione di idrogeno PSA utilizza l'adsorbente a setaccio molecolare JZ-512H per separare l'idrogeno ricco per produrre idrogeno, che viene completato attraverso la variazione di pressione del letto di adsorbimento. Poiché l'idrogeno è molto difficile da adsorbire, altri gas (che possono essere chiamati impurità) sono facili o facili da adsorbire, quindi verrà prodotto gas ricco di idrogeno quando è vicino alla pressione di ingresso del gas trattato. Le impurità vengono rilasciate durante il desorbimento (rigenerazione) e la pressione diminuisce gradualmente fino alla pressione di desorbimento
La torre di adsorbimento esegue alternativamente il processo di adsorbimento, pressione. equalizzazione e desorbimento per ottenere una produzione continua di idrogeno. L'idrogeno ricco entra nel sistema sotto una certa pressione. L'idrogeno ricco passa attraverso la torre di adsorbimento riempita con uno speciale adsorbente dal basso verso l'alto. Co/CH4/N2 viene trattenuto sulla superficie dell'adsorbente come forte componente di adsorbimento e l'H2 penetra nel letto come componente di adsorbimento. L'idrogeno prodotto raccolto dalla sommità della torre di adsorbimento viene emesso all'esterno del confine. Quando l'adsorbente nel letto è saturo di CO/CH4/N2, l'idrogeno ricco viene trasferito ad altre torri di adsorbimento. Nel processo di desorbimento, nella torre adsorbita rimane ancora una certa pressione di idrogeno prodotto.

Questa parte di idrogeno puro viene utilizzata per equalizzare e lavare le altre torri di equalizzazione della pressione appena desorbite. Ciò non solo utilizza l'idrogeno rimanente nella torre di adsorbimento, ma rallenta anche la velocità di aumento della pressione nella torre di adsorbimento, rallenta il grado di fatica nella torre di adsorbimento e raggiunge efficacemente lo scopo della separazione dell'idrogeno.

Il gas idrogeno viene prodotto da una varietà di processi diversi e viene generalmente prodotto in forma impura. I processi tipici includono la sintesi chimica mediante reforming con vapore di metano, la degassificazione da impianti di stirene o etilene in cui viene prodotto idrogeno gassoso come sottoprodotto e applicazioni petrolchimiche come l'idrocracking o la desolforazione. Per utilizzare l'idrogeno, è necessario un processo di purificazione per creare gas idrogeno purificato. L'adsorbimento con oscillazione di pressione dell'idrogeno (H2PSA) è un processo che sfrutta la volatilità dell'idrogeno e la sua generale mancanza di polarità e affinità per le zeoliti per purificare i flussi di gas contaminati.

La generazione di idrogeno comporta tipicamente la produzione di contaminanti o prodotti collaterali che devono essere rimossi. Comprende composti come monossido di carbonio, anidride carbonica, azoto, acqua e idrocarburi non reagiti. Il PSA idrogeno sfrutta l'adsorbimento preferenziale di questi componenti, eliminandoli dal flusso di idrogeno per produrre idrogeno purificato.

Tradizionalmente, il PSA all'idrogeno si avvale di più letti crivellanti ed è composto da quattro fasi: una fase di adsorbimento, una fase di depressurizzazione, una fase di rigenerazione e una fase di ripressurizzazione. Nel processo, il flusso impuro di idrogeno viene fatto passare nel letto del setaccio dove le impurità vengono adsorbite selettivamente sul setaccio molecolare sotto pressione. Una volta completata la fase di adsorbimento, la rigenerazione viene effettuata depressurizzando il letto che diminuisce l'affinità delle impurità consentendone lo scarto.

Un'ulteriore purificazione del letto si ottiene mediante spurgo con idrogeno puro per rimuovere eventuali contaminanti rimanenti. Il letto viene nuovamente pressurizzato per ripetere il processo di adsorbimento. I letti funzionano in sincronia per consentire la generazione continua di idrogeno.

I prodotti vengono venduti in tutte le regioni della Cina ed esportati in paesi di tutto il mondo. Sono stati venduti in più di 20 paesi e regioni tra cui Stati Uniti, Germania, Marocco, Kenya, Arabia Saudita, Vietnam, Algeria, India, Tanzania e Taiwan. Hanno fornito con successo aziende rinomate come China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group e altre aziende rinomate. Ci sono molte stazioni di idrogenazione dell'idrogeno verde come Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming, ecc. che forniscono progetti verdi e per la produzione di idrogeno.