硫化氫直接分解制取氫氣和硫磺研究進展

龔占明 鄂佳欣

摘要：在油氣、煤炭、礦產的資源生產加工過程中如果能夠實現硫化氫直接分解制氫氣和硫磺，不僅能夠達到良好的環(huán)保生產效果，而且也能讓生產加工過程中產生的硫化氫得到高效處理，與此同時能夠產生氫氣這種清潔型能源。本文對硫化氫直接分解制取氫氣和硫磺技術進行了探討，對國內外目前在硫化氫直接分解制取氫氣和硫磺研究方面的進展進行分析。

關鍵詞：硫化氫;分解;氫氣;硫磺

硫化氫本身是一種劇毒性物質，而且會發(fā)出強烈刺激性氣味，對金屬材料能產生嚴重腐蝕作用，而且硫化氫會導致化工生產過程中是使用的催化劑失效;此外，硫化氫會對人體健康產生嚴重威脅，對生態(tài)環(huán)境造成嚴重污染。在當前的石油、煤炭、礦產的資源生產加工過程中要針對硫化氫進行無害處理，硫化氫直接分解制取氫氣和硫磺技術受到了社會廣泛關注。

1 熱分解法

1.1直接高溫熱分解

硫化氫受熱后會直接產生氫氣和單質硫，但是由于硫化氫受熱分解反應會受到熱力學的限制，使得其本身轉化率非常低，因此很多研究人員開始嘗試利用化學平衡移動方法來提升硫化氫的轉化率。FARAJI等在針對硫化氫熱分解反應進行研究的時候提出了降低分壓來提升轉化率的方法。通過研究發(fā)現，當反應溫度為1200℃，硫化氫流速為50ml/min，分壓為1atm，氣體停留時間為48秒的反應條件下，通過熱分解反應硫化氫僅僅能夠達到35.6%的轉化率，而如果將反應的增壓降到0.05atm在條件下，硫化氫的轉化率能夠達到65.8%[1]。另外還有研究人員提出通過應用移除產物引起化學平衡移動的方法來提升硫化氫轉化率。FUKUDA等研究人員通過應用耐熱玻璃形成封閉的循環(huán)系統(tǒng)，并充分利用磁力泵達到硫化氫氣體的循環(huán)，并利用冷阱將硫化氫分解出來的硫磺進行去除，這樣使得原本熱化學分解過程中的平衡被打破，硫化氫氣體的轉化率得到提升。

1.2催化熱分解法

該方法主要是充分利用催化劑來進行熱分解反應，雖然原有反應的熱力學平衡在催化劑作用下并不能夠被打破，但是通過催化劑能夠將熱分解反應過程中的活化能有效降低，使得整個反應過程的速率進一步提升，氫氣的收率也能得到明顯提升。

硫化氫的熱分解過程屬于氧化還原反應，因此在硫化氫熱分解過程中通常情況下會使用Fe、Al本作為催化劑。張誼華等研究人員在針對硫化氫分解制氫進行研究的過程中，采取多種措施制備出了FeS催化劑，在研究過程中發(fā)現，硫化氫熱分解過程中充分利用超細粒子α-Fe2O3和γ-Al2O3機械混合后形成混合物作為催化劑，將反應溫度設置為300℃，能夠讓氫氣的收率提升到10%以上。

1.3超絕熱分解法

該方法在分解反應過程中沒有額外增加熱源和催化劑，充分利用多孔介質作為硫化氫氣體的超絕熱燃燒載體，來進行硫化氫熱分解反應，整個分解過程中所需要的熱量都來自于氧化反應釋放的熱量，通過該方法能夠讓硫化氫熱分解過程中的能耗得到有效控制。在超絕熱分解法使用過程中，硫化氫反應過程主要是利用多孔介質來提供富燃條件，反應能量主要來自于硫化氫氧化反應過程釋放能量，在整個過程中不需要再利用外部熱源進行加熱，使得硫化氫熱分解過程中的能耗能夠控制在最低程度、另外，利用該方法進行硫化氫熱分解，整個反應過程中一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物的排放量非常小。但是，該方法在應用過程中必須要求多孔介質能夠在1400～1600℃的高溫條件下進行良好反應，因此，該方法利用的關鍵就是要找到蓄熱能力強，具有良好的透氣性，成本相對較低的多孔材料。

2 電化學分解法

電化學分解法主要是充分利用電解槽反應中產生的電能對整個反應體系做功，在此基礎上將硫化氫進行直接分解后形成氫氣和硫磺。該方法目前主要有直接電解和間接電解等兩種方法[2]。硫化氫本身在水中的溶解度相對比較低，因此在電化學分解法應用過程中，都會利用硫化氫弱堿性溶液來進行分解反應。ANANI等研究人員再將摩爾濃度相同的NaOH、NaHS堿性溶液進行混合后，在80℃的反應條件下來進行硫化氫電解，通過實驗可以知道，在該反應條件下硫化氫分解產物的收率超過了95%。但是通過直接電解法分解硫化氫的方法會導致在電解陽極的表面沉淀大量硫磺，使得電極出現嚴重鈍化現象，因此在今后的研究過程中應該重點針對間接電解法進行研究。

間接電解法在具體反應過程中氧化劑作為中間循環(huán)池，利用電解反應和氧化還原反應完全相結合的雙反應工藝過程來實現硫化氫的分解。KALINA等研究人員充分利用電流密度和電流效率較高的反應條件，并以碘酸鉀作為整個反應過程的中間循環(huán)劑，通過電化學反應能夠通過氧化反應形成I3–和H2;由于反應過程中的溶液環(huán)境為強堿性環(huán)境，因此溶液中的I–與H2O發(fā)生反應后會生成IO3–，IO3–又會進一步與硫化氫發(fā)生化學反應最終形成了硫磺;但是在整個反應過程中產生氫氣的同時，由于會形成溶解性比較強的I3–，而這種離子在與硫化氫發(fā)生反應的過程中對硫磺純度產生巨大影響[3]。

通過間接電解法對硫化氫氣體進行處理，能夠有效提升硫磺的回收率，而且整個反應過程中通過電解硫化氫制取氫氣所消耗的電能相對比較低。但是目前該方法在實際應用過程中由于所使用的傳質效率相對較低，電極材料本身的使用壽命也比較短。因此在今后的研究過程中，應該將重點放在壽命較長、性能高、成本低的電解材料以及反應裝置的研發(fā)方面，與此同時還要針對整個工藝過程中的中間循環(huán)氧化劑進行進一步開發(fā)。

3 結束語

在我國社會經濟快速發(fā)展的形勢下，硫化氫廢氣在工業(yè)生產過程中的產生量在不斷增加，從環(huán)境治理角度以及清潔能源開發(fā)的角度，都需要進一步提升硫化氫直接分解制取氫氣和硫磺技術的深入研究，目前所應用的各種技術手段都存在其優(yōu)缺點，因此在今后的研究過程中，應該重點針對硫化氫直接分解制取氫氣和硫磺研發(fā)出具備溫和反應條件、轉化率更高、能耗更低的工藝制造方法。

參考文獻：

[1]宋增紅，劉劍利，劉愛華，許金山，達建文. 硫化氫制氫氣和硫磺間接電解技術研究進展[J]. 齊魯石油化工，2015，43（03）：232-239.

[2]彭仁杰，周繼承，羅羽裳，胡曉寧. 硫化氫分解制取氫和單質硫研究進展[J]. 天然氣化工（C1化學與化工），2015，40（01）：89-94.

[3]張宏，李望，趙和平，王捷，陳經義，亢田禮. 以廢氣中的硫化氫開發(fā)含硫化學品的研究進展[J]. 化工進展，2017，36（10）：3832-3849.

（作者單位：寶泰隆新材料股份有限公司）