硫化氢直接分解制取氢气和硫磺研究进展

龚占明 鄂佳欣

摘要：在油气、煤炭、矿产的资源生产加工过程中如果能够实现硫化氢直接分解制氢气和硫磺，不仅能够达到良好的环保生产效果，而且也能让生产加工过程中产生的硫化氢得到高效处理，与此同时能够产生氢气这种清洁型能源。本文对硫化氢直接分解制取氢气和硫磺技术进行了探讨，对国内外目前在硫化氢直接分解制取氢气和硫磺研究方面的进展进行分析。

关键词：硫化氢;分解;氢气;硫磺

硫化氢本身是一种剧毒性物质，而且会发出强烈刺激性气味，对金属材料能产生严重腐蚀作用，而且硫化氢会导致化工生产过程中是使用的催化剂失效;此外，硫化氢会对人体健康产生严重威胁，对生态环境造成严重污染。在当前的石油、煤炭、矿产的资源生产加工过程中要针对硫化氢进行无害处理，硫化氢直接分解制取氢气和硫磺技术受到了社会广泛关注。

1 热分解法

1.1直接高温热分解

硫化氢受热后会直接产生氢气和单质硫，但是由于硫化氢受热分解反应会受到热力学的限制，使得其本身转化率非常低，因此很多研究人员开始尝试利用化学平衡移动方法来提升硫化氢的转化率。FARAJI等在针对硫化氢热分解反应进行研究的时候提出了降低分压来提升转化率的方法。通过研究发现，当反应温度为1200℃，硫化氢流速为50ml/min，分压为1atm，气体停留时间为48秒的反应条件下，通过热分解反应硫化氢仅仅能够达到35.6%的转化率，而如果将反应的增压降到0.05atm在条件下，硫化氢的转化率能够达到65.8%[1]。另外还有研究人员提出通过应用移除产物引起化学平衡移动的方法来提升硫化氢转化率。FUKUDA等研究人员通过应用耐热玻璃形成封闭的循环系统，并充分利用磁力泵达到硫化氢气体的循环，并利用冷阱将硫化氢分解出来的硫磺进行去除，这样使得原本热化学分解过程中的平衡被打破，硫化氢气体的转化率得到提升。

1.2催化热分解法

该方法主要是充分利用催化剂来进行热分解反应，虽然原有反应的热力学平衡在催化剂作用下并不能够被打破，但是通过催化剂能够将热分解反应过程中的活化能有效降低，使得整个反应过程的速率进一步提升，氢气的收率也能得到明显提升。

硫化氢的热分解过程属于氧化还原反应，因此在硫化氢热分解过程中通常情况下会使用Fe、Al本作为催化剂。张谊华等研究人员在针对硫化氢分解制氢进行研究的过程中，采取多种措施制备出了FeS催化剂，在研究过程中发现，硫化氢热分解过程中充分利用超细粒子α-Fe2O3和γ-Al2O3机械混合后形成混合物作为催化剂，将反应温度设置为300℃，能够让氢气的收率提升到10%以上。

1.3超绝热分解法

该方法在分解反应过程中没有额外增加热源和催化剂，充分利用多孔介质作为硫化氢气体的超绝热燃烧载体，来进行硫化氢热分解反应，整个分解过程中所需要的热量都来自于氧化反应释放的热量，通过该方法能够让硫化氢热分解过程中的能耗得到有效控制。在超绝热分解法使用过程中，硫化氢反应过程主要是利用多孔介质来提供富燃条件，反应能量主要来自于硫化氢氧化反应过程释放能量，在整个过程中不需要再利用外部热源进行加热，使得硫化氢热分解过程中的能耗能够控制在最低程度、另外，利用该方法进行硫化氢热分解，整个反应过程中一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物的排放量非常小。但是，该方法在应用过程中必须要求多孔介质能够在1400～1600℃的高温条件下进行良好反应，因此，该方法利用的关键就是要找到蓄热能力强，具有良好的透气性，成本相对较低的多孔材料。

2 电化学分解法

电化学分解法主要是充分利用电解槽反应中产生的电能对整个反应体系做功，在此基础上将硫化氢进行直接分解后形成氢气和硫磺。该方法目前主要有直接电解和间接电解等两种方法[2]。硫化氢本身在水中的溶解度相对比较低，因此在电化学分解法应用过程中，都会利用硫化氢弱碱性溶液来进行分解反应。ANANI等研究人员再将摩尔浓度相同的NaOH、NaHS碱性溶液进行混合后，在80℃的反应条件下来进行硫化氢电解，通过实验可以知道，在该反应条件下硫化氢分解产物的收率超过了95%。但是通过直接电解法分解硫化氢的方法会导致在电解阳极的表面沉淀大量硫磺，使得电极出现严重钝化现象，因此在今后的研究过程中应该重点针对间接电解法进行研究。

间接电解法在具体反应过程中氧化剂作为中间循环池，利用电解反应和氧化还原反应完全相结合的双反应工艺过程来实现硫化氢的分解。KALINA等研究人员充分利用电流密度和电流效率较高的反应条件，并以碘酸钾作为整个反应过程的中间循环剂，通过电化学反应能够通过氧化反应形成I3–和H2;由于反应过程中的溶液环境为强碱性环境，因此溶液中的I–与H2O发生反应后会生成IO3–，IO3–又会进一步与硫化氢发生化学反应最终形成了硫磺;但是在整个反应过程中产生氢气的同时，由于会形成溶解性比较强的I3–，而这种离子在与硫化氢发生反应的过程中对硫磺纯度产生巨大影响[3]。

通过间接电解法对硫化氢气体进行处理，能够有效提升硫磺的回收率，而且整个反应过程中通过电解硫化氢制取氢气所消耗的电能相对比较低。但是目前该方法在实际应用过程中由于所使用的传质效率相对较低，电极材料本身的使用寿命也比较短。因此在今后的研究过程中，应该将重点放在寿命较长、性能高、成本低的电解材料以及反应装置的研发方面，与此同时还要针对整个工艺过程中的中间循环氧化剂进行进一步开发。

3 结束语

在我国社会经济快速发展的形势下，硫化氢废气在工业生产过程中的产生量在不断增加，从环境治理角度以及清洁能源开发的角度，都需要进一步提升硫化氢直接分解制取氢气和硫磺技术的深入研究，目前所应用的各种技术手段都存在其优缺点，因此在今后的研究过程中，应该重点针对硫化氢直接分解制取氢气和硫磺研发出具备温和反应条件、转化率更高、能耗更低的工艺制造方法。

参考文献：

[1]宋增红，刘剑利，刘爱华，许金山，达建文. 硫化氢制氢气和硫磺间接电解技术研究进展[J]. 齐鲁石油化工，2015，43（03）：232-239.

[2]彭仁杰，周继承，罗羽裳，胡晓宁. 硫化氢分解制取氢和单质硫研究进展[J]. 天然气化工（C1化学与化工），2015，40（01）：89-94.

[3]張宏，李望，赵和平，王捷，陈经义，亢田礼. 以废气中的硫化氢开发含硫化学品的研究进展[J]. 化工进展，2017，36（10）：3832-3849.

（作者单位：宝泰隆新材料股份有限公司）