Hidrogeno

); el hidrogeno se identifica por la formación en el agua q se condensa en pequeñas gotas en las paredes del tubo de ensayo.Se emplea un tubo de ensayo pequeño, el cual se coloca en posición vertical sosteniéndolo con unas pinzas. Se introduce en el tubo de ensayo un trocito cúbico de sodio metálico limpio. La porción inferior del tubo se calienta hasta que se funde el sodio y sus vapores empiezan a elevarse dentro del tubo.Se añade una pequeña cantidad de la muestra a identificar y de nuevo se calienta el tubo. La adición y el calentamiento se repiten por segunda vez y entonces se calienta el fondo del tubo al rojo vivo.Se deja enfriar el tubo y se le añade 1 ml de etanol para disolver el sodio que no haya reaccionado. El tubo se calienta de nuevo y, aun caliente, se le deja caer dentro de un vaso de precipitado que contenga 10 ml de agua destilada. Se rompe el tubo con una varilla de vidrio y la solución se calienta hasta ebullición y se filtra. El filtrado, que deberá ser incoloro, se usa para las pruebas especificas elementales.

) Producción y Reconocimiento de Hidrógeno

La producción de hidrógeno es un procedimiento muy simple y corresponde a una reacción característica: se sumerge un trozo de zinc en una solución de ácido clorhídrico no muy diluida. La reacción que se produce es:

Zn (s) +2 HCl (ac) --> ZnCl2 (ac) + H2 (g)

(es posible realizar la reacción análoga con magnesio, Mg)

El test característico para reconocer hidrógeno corresponde a acercar al tubo donde se está produciendo este gas un fósforo encendido; al tomar contacto con el hidrógeno ocurre una explosión muy pequeña que apaga la llama del fósforo.

c) Producción y reconocimiento de dióxido de carbono

Electrolisis: El proceso de la electrólisis consiste en la descomposición del agua utilizando la electricidad. Es un proceso que está disponible comercialmente con una tecnología comprobada. Es un proceso industrial conocido desde hace tiempo y por ello perfectamente entendido; tiene la ventaja de que es modular y puede adaptarse fácilmente para pequeñas o grandes cantidades de gas; el hidrógeno que se obtiene mediante este procedimiento tiene una gran pureza. Otra ventaja de la electrólisis es su posible combinación con las energías renovables para producir H2 a partir de fuentes renovables, compensando la naturaleza intermitente de algunas de estas fuentes. Plantea una competencia directa con el uso directo de la electricidad renovable: la energía generada se vierte a la red o se emplea en la electrólisis.

Reformado (aplicaciones estacionarias y en vehículos): Consiste en la reacción de hidrocarburos con calor y vapor de agua. También es un proceso generalizado a gran escala y permite obtener un hidrógeno de bajo coste a partir de gas natural. Plantea oportunidades para combinarse con la fijación de CO2 a gran escala (“almacenamiento del carbono”). Como contrapartida las unidades a pequeña escala no son comerciales y el hidrógeno contiene algunas impurezas (en algunas aplicaciones puede resultar necesaria una limpieza del gas o reacciones secundarias para la eliminación del CO). Las emisiones de CO2 junto al proceso de fijación del CO2, que genera costes adicionales, son los inconvenientes que se le pueden encontrar a este proceso.

Gasificación: Partiendo de hidrocarburos pesados y biomasa se forma hidrógeno y gases para reformado mediante la reacción con vapor de agua y oxígeno. Perfectamente adecuado para hidrocarburos pesados a gran escala, puede utilizarse para combustibles sólidos, como el carbón, y líquidos. Presenta algunas similitudes con combustibles sintéticos derivados de la biomasa –la gasificación de biomasa en fase de demostración-. Las unidades pequeñas son muy escasas, ya que el hidrógeno suele exigir una limpieza sustancial antes de su uso. La gasificación de biomasa aún es objeto de investigación y tiene implicaciones debido a la utilización de grandes extensiones de tierra. El hidrógeno que se obtendría mediante este proceso entra en competencia con los combustibles sintéticos derivados de la biomasa.

Ciclos termoquímicos que utilizan el calor barato de alta temperatura procedente de la energía nuclear o solar concentrada. Este proceso sería potencialmente atractivo para su aplicación a gran escala, con bajo coste, y sin emisión de gases de invernadero, para la industria pesada o el transporte. Para ello existen diferentes proyectos de colaboración internacional (Estados Unidos, Europa y Japón) sobre investigación, desarrollo y puesta en operación de plantas que operen con este proceso. Actualmente hace falta una mayor investigación y desarrollos no comerciales sobre el proceso que pueden alargarse durante los próximos diez años: los temas que se estudia desarrollar son materiales, tecnología química, y la implantación del reactor nuclear de alta temperatura (HTR).

Producción biológica: Las algas y las bacterias producen directamente hidrógeno en determinadas condiciones. Durante los últimos años se estudia este recurso de gran envergadura potencial aunque con un ritmo de producción de hidrógeno bastante lento. Se necesitan grandes superficies y la mayor parte de los organismos apropiados no se han encontrado todavía. Hoy día está siendo objeto de estudio en distintos centros investigación.

Los investigadores han usado una bacteria en una pila electrolítica con ácido acético. El ácido acético, además de estar presente en el vinagre, es también predominante en la fermentación de la glucosa o la celulosa. El ánodo de la pila electrolítica era grafito granulado y el cátodo era carbono, mientras que el catalizador era de platino.

Con estos componentes, la bacteria consume el ácido acético y libera electrones y protones creando electricidad (0,3 voltios). Para que el proceso de generación de hidrógeno se complete, es necesario introducir, además, una pequeña corriente eléctrica (0,2 voltios) desde el exterior del sistema. Cuando esto sucede, surgen directamente burbujas de hidrógeno desde el líquido. “Este proceso produce 288 % más energía en el hidrógeno que la energía eléctrica usada en todo el proceso”, comenta Logan.

Esto es importante, ya que la hidrólisis con agua, que es el método más común para extraer hidrógeno, es sólo entre un 50% y un 70% eficiente. Es decir, muy alejado de ese 288%. Incluso si descontamos esa pequeña carga de electricidad necesaria para que se complete el proceso, la eficiencia seguiría siendo muy alta: del 144%.

Reformado de hidrocarburos y metanol

El reformado de metano (CH4) con vapor es un proceso utilizado a lo largo de varias décadas para producir H2. Por tratarse de la tecnología más económica, este proceso es el que se utiliza en la actualidad en la producción industrial del hidrógeno. La reacción es:

CH4 + H2O → CO + 3H2

El gas natural reacciona con vapor de agua sobre un catalizador de níquel colocado en el reformador primario a temperaturas de 1.200 ºK y presión total de 20-30 bar. Puesto que el gas natural contiene impurezas de azufre, se requiere una etapa previa de eliminación de este contaminante para evitar el deterioro de la actividad catalítica. La corriente limpia de metano se hace reaccionar después en un reactor al que se incorpora un catalizador de níquel. El gas de salida es rico en hidrógeno pero contiene una cierta proporción de monóxido de carbono, que a su vez se transforma en otro reactor, o incluso en dos, en hidrogeno adicional mediante reacción con vapor de agua

. El gas resultante tiene un contenido elevado de hidrógeno, junto a dióxido de carbono y cantidades mucho más bajas de metano no convertido y monóxido de carbono remanente, usualmente 1% en volumen. En las plantas modernas de producción de H2 se incorporan unidades de purificación mediante compresión/adsorción/desorción que permiten alcanzar un hidrógeno muy puro (99,999% volumen).

Como el gas natural contiene una pequeña proporción de otros hidrocarburos tales como etano, propano y butano, que se descomponen con facilidad y generan residuos carbonosos en las condiciones de reformado del metano, componente mayoritario, se requiere una etapa previa de reformado (pre-reformado) para transformar una parte de los hidrocarburos presentes en el gas natural en una mezcla de CO/H2. Este proceso se incorpora antes de la unidad de reformado y permite operar con una variedad de alimentaciones asegurando que la alimentación es constante en todas las unidades de reformado. El pre-reformado tiene un fuerte efecto sobre la composición gaseosa que alimenta la unidad de reformado con vapor. Así, los hidrocarburos de cadena más larga se eliminan completamente al mismo tiempo que se convierte una fracción del metano. Dado que estos hidrocarburos de cadena larga tienen tendencia a formar carbono, este proceso de pre-reformado minimiza la formación de residuos de carbón durante el propio proceso de reformado del metano, lo que redunda en un tiempo de vida largo de los sistemas catalíticos utilizados.

El vapor de agua, utilizado en la reacción de reformado con vapor, puede reemplazarse por dióxido de carbono, por oxígeno o por una mezcla de ambos. Estos conceptos avanzados de la tecnología de reformado son similares a la clásica de reformado con vapor pero solamente se utilizan en casos muy concretos. Específicamente, se aplican cuando se requiere utilizar la mezcla CO/H2 para fabricar hidrocarburos o metanol en vez de producir exclusivamente hidrógeno.

En lugar de metano, se puede utilizar igualmente metanol para la producción industrial de hidrógeno. En este proceso, el metanol se hace reaccionar con vapor de agua sobre un catalizador para producir H2. Esta es una reacción endotérmica en la que el calor requerido se obtiene de la combustión del gas de cola junto a otra pequeña fracción de metanol. La corriente de hidrógeno se purifica en una unidad de adsorción/deserción, tal como se hace en el reformado de metano. Esta reacción es simple ya que no tiene en cuenta la formación de compuestos oxigenados intermedios, si bien por razones económicas solo se utiliza allí donde hay un exceso de metanol.

La disponibilidad y buena red de distribución de gases licuados de petróleo (LPG) y de destilados medios hacen de estas fracciones candidatos idóneos para producción de H2. Sin embargo, se ha dedicado muy poca atención al desarrollo de un proceso basado en estos combustibles. La razón principal del escaso cuerpo de trabajo existente es que se deposita carbón en la superficie catalítica con relativa facilidad. El proceso implica básicamente oxidación parcial de estos hidrocarburos. El reactor está rodeado de un horno eléctrico con el que se calienta la mezcla de hidrocarburo-aire. A la salida del reactor se elimina como H2S y a continuación se inyecta vapor de agua antes de incorporar el reactor de desplazamiento del gas de agua. Para las celdas de combustible de membrana polimérica los niveles de CO se mantienen por debajo de 10 ppm lo que se consigue pasando la corriente sobre catalizadores altamente activos y selectivos, capaces de oxidar las impurezas de CO a CO2 a temperatura ambiente. El reformador opera satisfactoriamente con varios tipos de combustible; sin embargo, los problemas derivados de la presencia de compuestos de azufre así como el depósito de coque sobre los catalizadores no están totalmente resueltos. Teniendo en cuenta el impacto de esta tecnología en el medio ambiente, los fabricantes de automóviles la consideran como una de las opciones posibles de generar el H2 a bordo para alimentar la celda de combustible que genera la electricidad requerida por el motor eléctrico.

Cuando los volúmenes de hidrógeno requeridos en una determinada aplicación no son elevados, el hidrógeno se obtiene mediante electrolisis de agua. La reacción electrolítica se realiza en medio alcalino debido a que en este medio se incrementa la conductividad eléctrica. El hidrógeno producido en el cátodo se debe purificar ya que contiene impurezas de oxígeno y un cierto nivel de humedad. La corriente de hidrógeno se seca mediante un adsorbente y las impurezas de oxígeno se eliminan con un convertidor DeOxo. Además, en el ánodo del electrolizador se produce oxígeno, cuyo volumen es la mitad del volumen de hidrógeno, tal como corresponde a la composición de la molécula de agua. La mayor parte de los electrolizadores son de tipo tanque con los electrodos dispuestos en paralelo. El calor liberado en el proceso se elimina recirculando agua alrededor de las celdas.

Conviene señalar el hecho de que el hidrógeno producido por electrolisis es del orden de 4.9-5.6 kWh por cada m3 de hidrógeno producido, lo que resulta al menos dos veces mas caro que el hidrógeno obtenido por reformado del gas natural.

Puesto que los electrolizadores convencionales proporcionan H2 con un coste elevado, se han desarrollado otros procesos electrolíticos. Uno de ellos es la electrolisis en fase de vapor. El potencial reversible de la celda decrece al aumentar la temperatura. Puesto que el coste de electricidad requerida en la electrolisis para producir H2 a partir de H2O es proporcional a la fuerza electromotriz de la celda, el coste disminuye con la temperatura. La celda se enfría debido a que el proceso es endotérmico y se mantiene a temperatura constante aportando calor desde el exterior. Esto significa que el calor se convierte por vía electroquímica en H2 sin pasar por un ciclo de Carnot. Así, a 1.500 ºK la cantidad de energía térmica que se utiliza en la descomposición termo-electroquímica es del 50% del total. Bajo estas condiciones, el coste de producción es 50% más bajo que en el proceso convencional. Otra alternativa económica de producción de H2 la proporcionan nuevos tipos de electro-catalizadores que son capaces de disminuir el sobrevoltaje, lo que supone una reducción del coste.

Biomasa celulósica

El hidrógeno puede obtenerse a partir de una fuente renovable como es la biomasa celulósica. La celulosa puede convertirse en H2 mediante varios procesos termoquímicos tales como combustión, licuefacción, pirólisis y gasificación. El material lignocelulósico se oxida parcialmente a temperaturas superiores a 1.000 ºK, se produce una fracción gaseosa junto a un residuo carbonoso que se reduce posteriormente para formar posteriormente H2, CO, CO2 y CH4. La gasificación de la biomasa en presencia de O2 genera una corriente gaseosa rica en hidrógeno que se reforma con vapor de agua a la salida del gasificador con el objetivo de producir hidrógeno adicional. El inconveniente principal de la gasificación de biomasa es la formación de alquitrán. Los residuos pesados polimerizan y forman estructuras más complejas que no resultan apropiadas para producción de hidrógeno mediante reformado con vapor. La formación de alquitrán puede minimizarse mediante diseño apropiado del gasificador, incorporación de aditivos catalíticos y también mediante el control de las variables de operación. Los catalizadores reducen el contenido de alquitrán pero son particularmente efectivos para mejorar la calidad y conversión de la fracción gaseosa producida. Otro problema inherente de la gasificación de biomasa es la formación de ceniza, que puede producir acumulación de sólido, taponamiento y desactivación. Estos problemas se han reducido mediante extracción y fraccionamiento.

Procesos térmicos

Otros procesos renovables utilizan la energía térmica para producir hidrógeno. Estos procesos no son catalíticos e incluyen la disociación termoquímica del agua usando el calor de una fuente energética a elevada temperatura, como por ejemplo reactores nucleares y hornos solares. El calor puede utilizarse para llevar a cabo reacciones químicas en serie con la producción neta de H2 y O2 a temperaturas por encima de 950 K. Uno de estos procesos se basa en la descomposición de un sulfato metálico. En este proceso, la primera etapa consiste en la descomposición térmica del sulfato a temperaturas próximas a 1.100 ºK, generando el óxido metálico y gases (SO2 y O2). En una segunda etapa el óxido metálico se oxida con vapor de agua y SO2, generando de nuevo el propio sulfato y liberando hidrógeno. Este proceso tiene un gran atractivo, ya que no se producen emisiones de CO2 y su eficiencia es elevada (85%); no obstante, todavía no está implantado a escala industrial.

Procesos fotoquímicos

Otro proceso extraordinariamente atractivo de producción de hidrógeno es la disociación del agua sobre semiconductores utilizando luz solar. La eficiencia de este proceso viene determinada principalmente por las propiedades foto-físicas y la morfología del material semiconductor empleado. Conforme al estado del arte de esta tecnología, la aplicación comercial de la producción de hidrógeno mediante energía fotónica del espectro visible requiere desarrollos importantes en la ciencia e ingeniería hasta conseguir fotocatalizadores activos y estables en la reacción de disociación. Cuestiones como la transferencia de carga entre el semiconductor y el co-catalizador y su dependencia de factores estructurales y electrónicos de la interfase permanecen abiertas. Estas áreas representan oportunidades excelentes de mejora de los fotocalizadores utilizados en disociación fotoquímica del agua. El control de la morfología del catalizador en la escala nanométrica mediante procesos de fabricación innovadores es otra de las direcciones que permitirá modular la morfología y la reactividad de los fotocatalizadores.

Reformado de etanol y azúcares

Una forma simple de transporte del hidrógeno es mediante precursores renovables, tales como etanol (C2H5OH) y azúcares (C6H12O6) en fase líquida. Estos precursores se transforman en hidrógeno mediante procesos de reformado con vapor de agua o bajo presión en fase líquida en el mismo lugar donde se consume el hidrógeno. El proceso de liberar H2 partir de C2H5OH o C6H12O6 se realiza en presencia de catalizadores específicos en sistemas de reacción diseñados para operar bien en fase gaseosa o en fase líquida. La ventaja que tienen ambos procesos es que la materia prima (C2H5OH y C6H12O6) puede considerarse neutra respecto a las emisiones de CO2. La dificultad principal que tienen estas reacciones es que no son selectivas debido a que, bajo las condiciones de reacción, se ven favorecidas otras reacciones laterales que dan lugar a subproductos no deseados (monóxido de carbono, metano, acetaldehído) y, por ello, a una disminución de la selectividad a H2. Además, los catalizadores utilizados sufren procesos de desactivación por depósitos de carbón, lo que dificulta la puesta en práctica de esta tecnología. El reto reside en el desarrollo de sistemas catalíticos que operen a temperaturas más bajas con el objetivo de minimizar los procesos de desactivación.

Biofotolisis de agua

El hidrógeno puede producirse también mediante sistemas biológicos. Algunos microorganismos fotosintéticos son capaces de realizar la ruptura de la molécula de agua en sus componentes (H2 y O2). Algunas algas, como el alga verde Scenedesmus, producen H2 cuando se iluminan con luz visible o cuando se mantienen en condiciones anaerobias y en ausencia de luz. Las algas verdes se aplican igualmente en otro método de producción de H2. La especie Scenedesmus produce hidrógeno no solamente bajo irradiación con luz sino también por vía fermentativa en condiciones anaerobias, utilizando almidón como fuente reductora. Aunque la velocidad de producción de H2 por unidad de peso conforme a la vía fermentativa es menor que la obtenida mediante irradiación con luz, la producción se mantiene estable debido a la ausencia de oxígeno. Las cianobacterias producen también hidrógeno mediante fermentación, en ausencia de luz y en condiciones anaerobias. Entre las distintas cianobacterias ensayadas, la especie Spirulina es la que presenta actividad más elevada.

La producción de hidrógeno mediante sistemas biológicos representa uno de los retos más importantes de la biotecnología en relación con los problemas ambientales. La eficiencia de la conversión de la energía solar en energía química mediante sistemas biológicos es actualmente bastante baja, si bien puede compensarse teniendo en cuenta los costes reducidos de inversión para la puesta en práctica de esta metodología. Además, la experimentación realizada a escala de laboratorio ha mostrado que puede alcanzarse una eficiencia en la conversión de energía solar hasta 7% mediante sistemas foto-heterotróficos.

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