硫碘制氢中碘化氢均相及活性炭灰分催化分解机理分析

摘要

氢气来源丰富且在燃烧过程中不产生温室气体，是一种理想的能源载体，因此大规模产氢技术的研发受到多个国家和地区的重视，热化学硫碘循环水制氢就是其中之一。热化学硫碘制氢技术包括3个反应:Bunsen反应: xI2+SO2+2H2O=2HIx+H2SO4HI分解过程:2HI=H2+I2H2SO4分解过程:2H2SO4=2SO2+2H2O+O2
　　 其中HI的分解反应是整个循环中唯一的产氢步骤，其分解率直接影响到系统的热效率和产氢速率。目前对HI分解的研究主要侧重于稳定性催化剂的研制，但在不加催化剂时的均相反应却研究较少。本文建立了有水有碘存在下的HI均相分解模型，利用热力学模拟软件Fact Sage验证了该机理在模拟热力学平衡分解率的正确性，通过控制实验中氢碘酸流量来控制反应时间来验证该机理预测动力学分解率时的正确性。综合热力学结果和动力学结果，此机理能够准确预测有水有碘存在时的HI分解率。
　　 含水HI分解结果显示:氢碘酸中的水分在低温段抑制HI的分解，在高温段促进HI的分解。停留时间对HI分解率的影响受反应温度的制约，即在较低温度下，停留时间延长能够直接促进HI的分解，但随着温度的上升，停留时间的重要性弱化，HI能够在较短的时间内达到平衡分解率。敏感性分析显示，反应HI+HI=H2+I2是H2生成的主要途径。
　　 含碘HI分解结果显示:氢碘酸中的碘在整个温度范围内都会抑制HI的分解。停留时间0.2s，在HI/I2之比相同时，HI/I2气体的分解率在600-850℃内高于HI/H2O/I2的分解率，但在850-1000℃内低于HI/H2O/I2的分解率。停留时间的重要性同样受反应温度的制约，随温度的升高而弱化在HI分解中的作用。环境压力的增加尽管不能提高热力学平衡分解率，但却能促进HI的动力学分解率。敏感性分析显示，反应HI+H=H2+I在高温段成为主要的产氢途径。
　　 活性炭灰分催化活性显示，灰分催化效果较弱，活性炭中起主要催化作用的是碳骨架或某种官能团，灰分中的活性成分可能为正长石晶相、钠长石晶相、霞石晶相、霓石晶相、尖晶石晶相中的某一种。另外，催化过程中水量和碘量的增加均能够抑制HI的分解，同时水分的增加会导致催化曲线波动不稳。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论及文献综述

1．1 氢能

1．2 制氢方法简介

1．2．1 电解制氢技术

1．2．2 化石燃料制氢技术

1．2．3 生物质制氢技术

1．2．4 热化学制氢技术

1．3 热化学硫碘循环制氢

1．3．1 热化学硫碘循环水分解制氢简介

1．3．2 热化学硫碘循环制氢研究进展

1．4 本文主要研究内容

2 实验系统及实验方法

2．1 实验器材

2．1．1 化学试剂及仪器

2．1．2 主要仪器介绍

2．2 溶液配制方法

2．2．1 H+离子浓度滴定

2．2．2 I-离子浓度滴定

2．2．3 I2浓度滴定

2．2．4 基准氢碘酸溶液HI∶H2O之比的计算

2．2．4 不同含水量氢碘酸的配制

2．2．5 不同含碘量氢碘酸的配制

2．4 催化剂分析手段

2．4．1 工业分析及元素分析

2．4．2 X-射线衍射(XRD)分析

3 有水存在下HI均相分解动力学模拟及实验研究

3．1 引言

3．2 有水存在下HI均相分解动力学模拟

3．2．1 有水存在下HI均相分解动力学模型

3．2．2 有水存在下HI均相分解动力学机理

3．2．3 动力学机理的验证

3．3 动力学模拟结果

3．3．1 利用HI和H2计算HI分解率的区别

3．3．2 水量对HI水溶液均相分解的影响

3．3．3 停留时间对HI水溶液均相分解的影响

3．3．4 敏感性分析

3．4 反应机理路径

3．5 本章小结

4 有碘存在下HI水溶液均相分解动力学模拟及实验研究

4．1 引言

4．2 碘对HI均相分解的热力学影响

4．3 碘对HI溶液均相分解动力学模拟

4．3．1 动力学模型的验证

4．4 动力学模拟结果

4．4．1 碘量对HI均相分解的影响

4．4．2 反应时间对HI水溶液均相分解的影响

4．4．3 总压对HI／H2O／I2溶液均相分解的影响

4．4．4 敏感性分析

4．5 本章小结

5 活性炭灰分对HI溶液的催化分析

5．1 引言

5．2 实验活性炭分析

5．3 活性炭及灰分的活性评价

5．4 灰分成分分析

5．5 水量对HI催化分解的影响

5．6 碘量对HI催化分解的影响

5．7 本章小结

6 全文总结及工作展望

6．1 全文总结

6．2 本文的创新之处

6．3 对未来工作的展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文