Waterstof-skuifreaksie

Die waterstof-skuifreaksie beskryf die omkeerbare reaksie van koolstofmonoksied en water om koolstofdioksied en waterstof te vorm:

\mathrm {CO} _{(\mathrm {g} )}+\mathrm {H} _{2}\mathrm {O} _{(\mathrm {g} )}

{\ce {<=>}}

\mathrm {CO} _{2(\mathrm {g} )}+\mathrm {H} _{2(\mathrm {g} )}+\mathrm {Energie}

Die waterstof-skuifreaksie is in 1780 deur die Italiaanse fisikus Felice Fontana ontdek.^[1] Die industriële waarde van hierdie reaksie is eers baie later besef. Voor die vroeë 20ste eeu is waterstof verkry deur stoom onder hoë druk met yster te laat reageer om yster, ysteroksied en waterstof te produseer. Met die ontwikkeling van industriële prosesse wat waterstof benodig, soos die Haber-Bosch-ammoniaksintese, was 'n goedkoper en doeltreffender metode van waterstofproduksie nodig. As oplossing vir hierdie probleem is die waterstof-skuifreaksie gekombineer met die vergassing van steenkool om 'n suiwer waterstofproduk te produseer.

Toepassings

Die waterstof-skuifreaksie is 'n belangrike industriële reaksie wat gebruik word vir die vervaardiging van ammoniak, koolwaterstowwe, metanol en waterstof. Dit word ook dikwels gebruik saam met stoomhervorming van metaan en ander koolwaterstowwe. In die Fischer–Tropsch-proses is die waterstof-skuifreaksie een van die belangrikste reaksies wat gebruik word om die H₂/CO-verhouding te balanseer. Dit bied 'n bron van waterstof ten koste van koolstofmonoksied, wat belangrik is vir die produksie van waterstof met 'n hoë suiwerheid vir gebruik in ammoniaksintese.

Die waterstof-skuifreaksie kan 'n ongewenste newe-reaksie wees in prosesse waarby water en koolstofmonoksied betrokke is, bv. die rodiumgebaseerde Monsanto-proses vir die vervaardiging van asynsuur uit metanol. Die iridium-gebaseerde Cativa-proses gebruik minder water, wat hierdie reaksie onderdruk.

Die waterstof-skuifreaksie kan help met die doeltreffendheid van brandstofselle deur waterstofproduksie te verhoog. Dit word beskou as 'n kritieke komponent in die vermindering van koolstofmonoksiedkonsentrasies in selle wat vatbaar is vir koolstofmonoksiedvergiftiging.^[2]

Temperatuurafhanklikheid

Die waterstof-skuifreaksie is 'n matig eksotermiese omkeerbare reaksie. Daarom verhoog die reaksietempo met toenemende temperatuur, maar die koolstofdioksiedproduksie word minder gunstig.^[3] As gevolg van sy eksotermiese aard, word hoë koolstofmonoksiedpersentasie teen lae temperature termodinamies bevoordeel. Ten spyte van die termodinamiese gunstigheid teen lae temperature, is die reaksie vinniger teen hoë temperature. Die waterstof-skuifreaksie is sensitief vir temperatuur, met die neiging om na koolstofmonoksied te skuif namate die temperatuur styg as gevolg van Le Chatelier se beginsel. Wanneer die temperatuur hoër as 600-2000 K bereik het die ewewigskonstante vir die waterstof-skuifreaksie die volgende verband:^[4] $K_{\mathrm {eq} }=10^{-2.4198+0.0003855T+{\frac {2180.6}{T}}}$

Industriële proses

Ten einde voordeel te trek uit die termodinamika en die kinetika van die reaksie, word die waterstof-skuifreaksie op industriële skaal in verskeie adiabatiese stadiums uitgevoer, bestaande uit 'n hoë temperatuurverskuiwing, gevolg deur 'n lae temperatuurverskuiwing. Die aanvanklike hoë temperatuurverskuiwing maak gebruik van die hoë reaksiesnelhede, maar is termodinamies beperk, wat lei tot onvolledige omskakeling van koolstofmonoksied en 2-4% koolstofmonoksied in die uitgangssamestelling. Om die ewewig na waterstofproduksie te verskuif, word 'n daaropvolgende lae temperatuur skuifreaktor gebruik om die koolstofmonoksied in die uitgangssamestelling na minder as 1% te verander. Die oorgang van die hoë temperatuur na die lae temperatuur reaktore noodsaak verkoeling tussen stelsels. As gevolg van die verskillende reaksietoestande, moet verskillende katalisators in elke stadium gebruik word om optimale aktiwiteit te verseker.^[5]

'n Tipiese samestelling van 'n kommersiële laë temperatuur-katalisators is 32-33% CuO, 34-53% ZnO, 15-33% Al₂O₃ wat teen 'n temperature van tussen 200 °C tot 250 °C kan werk.^[4] Die tipiese samestelling van kommersiële hoë temperatuur-katalisators is 74% Fe₂O₃, 10% Cr₂O₃, 0,2% MgO en hulle werk teen temperature van tussen 310 °C tot 450 °C.^[6] Die katalisators is gewoonlik dun films op 'n keramiekdrager wat verskillende kombinasies van ondermeer aluminiumoksied, sinkoksied, platinum en seldsame aardelemente bevat.^[7]^[8]

Verwysings

↑ "Felice Fontana". Whonamedit? (in Engels). Besoek op 26 April 2021.
↑ Vielstich, Wolf; Lamm, Arnold; Gasteiger, Hubert A., reds. (2003). Handbook of fuel cells: fundamentals, technology, applications (in Engels). New York: Wiley. ISBN 978-0-471-49926-8.
↑ Ratnasamy, Chandra; Wagner, Jon P. (September 2009). "Water Gas Shift Catalysis". Catalysis Reviews (in Engels). 51 (3): 325–440. doi:10.1080/01614940903048661. S2CID 98530242.
↑ ^4,0 ^4,1 Callaghan, Caitlin (2006). "Kinetics and catalysis of the water-gas-shift reaction: A Microkinetic and Graph Theoretic Approach" (PDF) (in Engels). Worcester Polytechnic Institute. Geargiveer vanaf die oorspronklike (PhD thesis) op 23 September 2021. Besoek op 26 April 2021.
↑ Smith, Byron; Muruganandam, Loganthan; Murthy, Shekhar Shantha (2010). "A Review of the Water Gas Shift Reaction". International Journal of Chemical Reactor Engineering (in Engels). 8: 1–32. doi:10.2202/1542-6580.2238. S2CID 96769998.}
↑ Newsome, David S. (1980). "The Water-Gas Shift Reaction". Catalysis Reviews: Science and Engineering (in Engels). 21 (2): 275–318. doi:10.1080/03602458008067535.
↑ Jain, Rishabh; Maric, Radenka (April 2014). "Synthesis of nano-Pt onto ceria support as catalyst for water–gas shift reaction by Reactive Spray Deposition Technology". Applied Catalysis A: General (in Engels). 475: 461–468. doi:10.1016/j.apcata.2014.01.053.
↑ Rodriguez, J.A.; Liu, P.; Wang, X.; Wen, W.; Hanson, J.; Hrbek, J.; Pérez, M.; Evans, J. (15 Mei 2009). "Water-gas shift activity of Cu surfaces and Cu nanoparticles supported on metal oxides". Catalysis Today (in Engels). 143 (1–2): 45–50. doi:10.1016/j.cattod.2008.08.022.

[Who-1] "Felice Fontana". Whonamedit? (in Engels). Besoek op 26 April 2021.

[Lamm_Catalysts-2] Vielstich, Wolf; Lamm, Arnold; Gasteiger, Hubert A., reds. (2003). Handbook of fuel cells: fundamentals, technology, applications (in Engels). New York: Wiley. ISBN 978-0-471-49926-8.

[Ratnasamy2009-3] Ratnasamy, Chandra; Wagner, Jon P. (September 2009). "Water Gas Shift Catalysis". Catalysis Reviews (in Engels). 51 (3): 325–440. doi:10.1080/01614940903048661. S2CID 98530242.

[Callaghan2006-4] 4,0 ^4,1 Callaghan, Caitlin (2006). "Kinetics and catalysis of the water-gas-shift reaction: A Microkinetic and Graph Theoretic Approach" (PDF) (in Engels). Worcester Polytechnic Institute. Geargiveer vanaf die oorspronklike (PhD thesis) op 23 September 2021. Besoek op 26 April 2021.

[Smith2010-5] Smith, Byron; Muruganandam, Loganthan; Murthy, Shekhar Shantha (2010). "A Review of the Water Gas Shift Reaction". International Journal of Chemical Reactor Engineering (in Engels). 8: 1–32. doi:10.2202/1542-6580.2238. S2CID 96769998.}

[Newsome1980-6] Newsome, David S. (1980). "The Water-Gas Shift Reaction". Catalysis Reviews: Science and Engineering (in Engels). 21 (2): 275–318. doi:10.1080/03602458008067535.

[Jain2014-7] Jain, Rishabh; Maric, Radenka (April 2014). "Synthesis of nano-Pt onto ceria support as catalyst for water–gas shift reaction by Reactive Spray Deposition Technology". Applied Catalysis A: General (in Engels). 475: 461–468. doi:10.1016/j.apcata.2014.01.053.

[Rodriguez2009-8] Rodriguez, J.A.; Liu, P.; Wang, X.; Wen, W.; Hanson, J.; Hrbek, J.; Pérez, M.; Evans, J. (15 Mei 2009). "Water-gas shift activity of Cu surfaces and Cu nanoparticles supported on metal oxides". Catalysis Today (in Engels). 143 (1–2): 45–50. doi:10.1016/j.cattod.2008.08.022.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]