A kén-jód ciklus (S–I ciklus) egy háromlépéses, hidrogénképződéssel járó termokémiai ciklus.
A kén-jód ciklus három kémiai reakcióból áll, a folyamat nettó reakciója a víz felbontása alkotóelemeire: oxigénre és hidrogénre. A többi reakciótermék a cikluson belül visszajáratott, melléktermék nincs. A kén-jód ciklushoz hatékony hőforrásra van szükség.
A folyamat leírása A kén-jód ciklus H2O ½ O2 ↓ ↑ I2 → Reakció 1 ← SO2+H2O ← Elválasztás ↑ ↓ ↑ 2 HI + H2SO4 2 SO2 + 2 H2O + O2 ↓ ↑ 2 HIReakció 3 ← Elválasztás → H2SO4 → Reakció 2 ↓ H2
A három reakció során a hidrogén termelési folyamata: I2 + SO2 + 2 H2O → 2 HI + H2SO4 (120 °C); Bunsen-reakció A HI elválasztása desztillációval vagy folyadék–folyadék gravitációs elválasztással történik. 2 H2SO4 → 2 SO2 + 2 H2O + O2 (830 °C) A vizet, a SO2-ot és a maradék kénsavat le lehet és kell választani az oxigén termék cseppfolyósításakor. 2 HI → I2 + H2 (450 °C) A jód és a víz vagy SO2 maradvány szintén hűtés után kondenzál és leválasztható a maradék termékgáz hidrogén gáz halmazállapotban. Nettó reakcióegyenlet: 2 H2O → 2 H2 + O2
A kén-jód ciklusban ezek az elemek visszanyerhetőek és újrahasználhatóak az eljárásban, ezért ez a folyamat körfolyamatnak is tekinthető. A kén-jód ciklus egy kémiai hőerőgép. Hőenergiát fektetünk be a nagynyomású endoterm (2) és (3) reakciók vezetése során, majd a hő kilép a ciklusból az alacsony hőmérsékletű exoterm (1) reakcióból a hűtéssel. A hőenergia minőségromlásából fakadó entrópianövekedés adja a hidrogén-előállítás hajtóerejét.
Előnyök és hátrányok A kén-jód körfolyamat jellemzői a következőkben részletezve: A reaktánsok folyadékok, amik jól kezelhetőek a folyamatos üzemben; Magas energiakihasználtság (50% körüli hatásfok), bár magas hőmérsékletigény (850 °C körül); Zárt rendszerben megvalósítható melléktermék és oldószer nélkül; Korrozív köztitermékek (jód, kén-dioxid, kénsav, hidrogén-jodid), melyek kezeléséhez magas minőségű szerkezeti anyagokból készült készülékek alkalmasak. Felhasználható nap, nukleáris és hibrid (például nap - fosszilis) hőforrással dolgozó alkalmazásokban. A leginkább kutatott-fejlesztett termokémiai vízbontó eljárás, bár további fejlesztésre van szükség ipari méretű alkalmazásban.
Kutatás A kén-jód ciklus kifejlesztése a General Atomics vállalat keretein belül történt 1970-ben.Besenbruch, G. 1982. General Atomic sulfur iodine thermochemical water-splitting process. Proceedings of the American Chemical Society, Div. Pet. Chem., 27(1):48-53. A Japán Atomenergia Ügynökség (JAEA) által vezetett sikeres kísérletsorozatban a kén-jód ciklus egy héliumhűtésű, nagyhőmérsékletű tesztreaktorhoz kapcsolódóan került alkalmazásra. A HTTRhttps://smr.inl.gov/Document.ashx?path=DOCS%2FGCR-Int%2FNHDDELDER.pdf . Progress in Nuclear Energy Nuclear heat for hydrogen production: Coupling a very high/high temperature reactor to a hydrogen production plant. 2009Status report 101 - Gas Turbine High Temperature Reactor (GTHTR300C) kísérleti reaktor először 1998-ban lett beüzemelve (vált kritikus állapotúvá). A JAEA erre alapozva a jövőbeni negyedik generációs atomreaktorokkal gyártaná ipari méretben a hidrogént. (Japánban a folyamatot IS-ciklusnak nevezik.) Tervek készültek nagy méretű automatizált rendszerekben történő ipari hidrogén előállításra. A kutatások folynak több helyszínen, Amerikában és Európában.
Anyagtudományi kihívás A kén-jód ciklus során a műveletek magas hőmérsékletű, korrozív vegyszerekkel történnek akár 1000 °C körüli hőmérsékleten. A szerkezeti anyagok kiválasztása során kulcsfontosságú szempont a korrózióállóság, ami a gazdaságos megvalósíthatóság kulcsa is. A szerkezeti anyagok a következő csoportokból jöhetnek szóba: különleges fémek, szuperötvözetek, kerámiák, polimerek és bevonatok. Néhány anyag például, ami szóba jöhet: tantálötvözetek, nióbiumötvözetek, nemesfémek, különleges szilícium acélok, néhány nikkel alapú szuperötvözet, szilícium-karbid, üveg, szilícium-nitrid és egyebek. Kutatott téma a prototípus méretben hasznát tantál felületi technológia méretnövelése nagyipari megvalósításhoz.
Hidrogén alapú gazdaság A kén-jód ciklus egy lehetséges út a hidrogén alapú gazdaság ellátására. Ehhez nincs szükség szénhidrogénekre, mint a gőzzel történő reformálásnál, csak hő szükséges, ami származhat égésből, nukleáris forrásból vagy napenergiából.
Jegyzetek
Fordítás
További információk Hydrogen: Our Future made with Nuclear (in MPR Profile issue 9) Use of the modular helium reactor for hydrogen production (World Nuclear Association Symposium 2003)
Kapcsolódó szócikkek Cérium(IV)-cérium(III) ciklus Réz-klór ciklus Hibrid kénciklus Vas-oxid-ciklus
Kategória:Kémiai reakciók