氢气
化学式:H2
氢气技术指标
组分/杂质 | 氢气/4.0N | 氢气/5.0N | 氢气/6.0N |
氢气含量 | 0.9999 | 0.99999 | 0.999999 |
氧O2 | ≤5ppm | ≤1ppm | ≤0.2ppm |
氮N2 | ≤60ppm | ≤5ppm | ≤0.4ppm |
一氧化碳 | ≤5ppm | ≤1ppm | ≤0.1ppm |
二氧化碳 | ≤5ppm | ≤1ppm | ≤0.1ppm |
甲烷 | ≤10ppm | ≤1ppm | ≤0.2ppm |
水H2O | ≤10ppm | ≤3ppm | ≤0.5ppm |
氢气包装种类
钢瓶种类 | 气体压力 | 气体体积 | 气体净重 |
50L钢瓶 | 19.5±0.5MPa | 10000L | 0.8kg |
40L钢瓶 | 13.5MPa | 5400L | 0.45kg |
一、基本物性
颜色和气味:氢气在通常情况下是无色、无味的气体。
密度:氢气的密度非常小,是自然界分子量最小的气体。在标准状况下(0℃和101.325千帕),1升氢气的质量约为0.089克,约为空气密度的1/14。
溶解性:氢气难溶于水,这使得它可以用排水集气法进行收集。在20℃时,100mL水中最多只能溶解1.82 mL的氢气。
液化和固化:在-252.8℃时,氢气可以变成无色的液体,而在-259.2℃时,可以变成雪花状的固体。
渗透性:由于氢气分子量小,氢气的渗透性很强,常温下能够透过橡皮和乳胶管,而在高温下可以透过钯、镍、钢等金属薄膜。
这些物理性质使得氢气在许多应用中具有独特的优势,例如作为高能燃料、氢氧焰焊接和切割金属等。
二、氢气来源
1、天然来源
地幔脱气:地球内部的地幔或地核中存在丰富的氢,这些氢可以通过地质运动逐渐释放到地表。
蛇纹石化作用:当水与富含铁的超基性岩石发生反应时,会产生氢气。这种反应在板块边界附近很常见,如大洋中脊、转换断层和俯冲带。
水的裂解:地壳中含有的放射性元素(如铀、钍和钾)在放射性衰变时释放的能量可以将水分子分解为氧气和氢气。
生物生成:通过有机物的厌氧分解、发酵和固氮细菌生成氢气。尽管氢气是强还原性气体,容易被氧化,但某些微生物代谢过程可以产生氢气。
断层摩擦:断层活动时,摩擦产生的能量可能促使周围岩石中的化学键断裂,进而形成氢气。
矿物晶格结构中的羟基分解:某些矿物晶格中的羟基在一定条件下可以分解产生氢气。
有机质分解:地下的有机物质在特定条件下分解也可能产生氢气。
2、人工制备方法
电解水制氢:通过电解水制氢是最常见的制备方法之一。电解水制氢多采用铁为阴极面,镍为阳极面的串联电解槽,来电解苛性钾或苛性钠的水溶液。该方法成本较高,但产品纯度较高,可直接生产99.7%以上纯度的氢气。
矿物燃料制氢:以煤、石油及天然气为原料制取氢气。尽管这种方法对环境有一定影响,但由于其技术成熟,仍将在未来发挥重要作用。
工业副产物制氢:如通过合成氨厂的副产物制氢,成本较低且产量大。
生物质制氢:利用生物质材料通过化学反应制取氢气。
太阳能制氢:利用太阳能通过光电化学或光催化方法制取氢气,是一种环保的制氢方式。
三、主要用途
氢气作为一种重要的工业原料,其主要用途有:
1、合成氨:氢气是合成氨的主要原料,氨在农业上作为肥料,在工业上用于制造硝酸、纯碱等。
2、石油精炼:氢气在石油精炼过程中用于加氢裂化、加氢处理等步骤,以提高汽油等燃料的产量和质量。
3、精细化工:氢气在化工行业中用于生产甲醇、甲醛、聚乙烯等化学品。
4、燃料:氢气作为一种清洁能源,可用于燃料电池车、火箭发动机等。
5、冶金工业:氢气用于金属的精炼和焊接过程,可以去除金属中的氧化物,提高金属的纯度。
6、电子工业:氢气在半导体生产中用作载气和保护气,以防止半导体器件受到氧化。
7、照明:氢气充入灯泡中可以产生非常高的温度和亮度,用于专业照明。
8、能源储存:氢气作为一种能源载体,可以通过电解水等方式生产,并在需要时通过燃料电池转换为电能。
9、冷却:液态氢在超导磁体、粒子加速器等领域用作冷却剂。
10、磁浮列车:氢气可以用于磁浮列车的推进系统。
氢气在气象气球中有着重要的应用。由于氢气的密度低于其他常见气体,它被气象学家选择用于高空气象气球。这种轻质特性使得气球能够更轻松地升至高空,从而进行气象观测和测量。此外,氢气的这一特性也减少了气球在上升过程中受到的阻力,提高了观测的准确性和效率。