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Para las reacciones químicas , el ciclo del óxido de hierro (Fe₃O₄ / FeO ) es el ciclo termoquímico original de dos etapas propuesto para la producción de hidrógeno . [ 1 ] Se basa en la reducción y posterior oxidación de iones de hierro , en particular la reducción y oxidación entre Fe³⁺ y Fe²⁺ . Las ferritas , u óxido de hierro, comienzan en forma de espinela y, según las condiciones de reacción, los metales dopantes y el material de soporte forman wüstitas o diferentes espinelas.
Descripción del proceso
El proceso termoquímico de división del agua en dos etapas utiliza dos etapas redox . Las etapas de la producción de hidrógeno solar mediante un ciclo de dos etapas basado en hierro son:
![{\displaystyle {\begin{casos}{\mathrm {M} {\vphantom {A}}^{\mathrm {II} }\mathrm {Fe} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{\vphantom {A}}^{\mathrm {III} }\mathrm {O} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{4}}{}\mathrm {\longrightarrow } {}\mathrm {M} {\vphantom {A}}^{\mathrm {II} }\mathrm {O} {}+{}2\,\mathrm {Fe} {\vphantom {A}}^{\mathrm {II} }\mathrm {O} {}+{}{\mathchoice {\textstyle {\frac {1}{2}}}{\frac {1}{2}}{\frac {1}{2}}{\frac {1}{2}}}\,\mathrm {O} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}}&{(\mathrm {Reducción} )}\\{\mathrm {M} {\vphantom {A}}^{\mathrm {II} }\mathrm {O} {}+{}2\,\mathrm {Fe} {\vphantom {A}}^{\mathrm {II} }\mathrm {O} {}+{}\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {O} {}\mathrel {\longrightarrow } {}\mathrm {M} {\vphantom {A}}^{\mathrm {II} }\mathrm {Fe} {\vfantasma {A}}_{\smash[{t}]{2}}{\vphantom {A}}^{\mathrm {III} }\mathrm {O} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{4}}{}+{}\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}}&{(\mathrm {Oxidación} )}\end{casos}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7d927c7365bbb278aa52dfb39d82ceb6ef71580d)
Donde M puede ser cualquier número de metales, a menudo Fe mismo, Co , Ni , Mn , Zn o mezclas de los mismos.
La etapa de reducción endotérmica (1) se lleva a cabo a temperaturas elevadas superiores a1400 °C , aunque el " ciclo de Hercinita " es capaz de alcanzar temperaturas tan bajas como1200 °C . La etapa de división oxidativa del agua (2) ocurre a una temperatura más baja.Temperatura de 1000 °C que produce el material de ferrita original además de gas hidrógeno. El nivel de temperatura se logra utilizando calor geotérmico del magma [ 2 ] o una torre de energía solar y un conjunto de heliostatos para recolectar la energía térmica solar .
Ciclo de Hercinita
Al igual que el ciclo tradicional del óxido de hierro, la hercinita se basa en la oxidación y reducción de átomos de hierro. Sin embargo, a diferencia del ciclo tradicional, el material ferrítico reacciona con un segundo óxido metálico, el óxido de aluminio , en lugar de simplemente descomponerse. Las reacciones tienen lugar mediante las dos reacciones siguientes:
![{\displaystyle {\begin{casos}{\mathrm {M} {\vphantom {A}}^{\mathrm {II} }\mathrm {Fe} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{\vphantom {A}}^{\mathrm {III} }\mathrm {O} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{4}}{}+{}3\,\mathrm {Al} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {O} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{3}}{}\mathrel {\longrightarrow } {}\mathrm {M} {\vphantom {A}}^{\mathrm {II} }\mathrm {Al} {\vfantasma {A}}_{\smash[{t}]{2}}{\vphantom {A}}^{\mathrm {III} }\mathrm {O} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{4}}{}+{}2\,\mathrm {Fe} {\vphantom {A}}^{\mathrm {II} }\mathrm {Al} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{\vphantom {A}}^{\mathrm {III} }\mathrm {O} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{4}}{}+{}{\mathchoice {\textstyle {\frac {1}{2}}}{\frac {1}{2}}{\frac {1}{2}}{\frac {1}{2}}}\,\mathrm {O} {\vfantasma {A}}_{\smash[{t}]{2}}}&{(\mathrm {Reducción} )}\\{\mathrm {M} {\vphantom {A}}^{\mathrm {II} }\mathrm {Al} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{\vphantom {A}}^{\mathrm {III} }\mathrm {O} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{4}}{}+{}2\,\mathrm {Fe} {\vphantom {A}}^{\mathrm {II} }\mathrm {Al} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{\vphantom {A}}^{\mathrm {III} }\mathrm {O} {\vfantasma {A}}_{\smash[{t}]{4}}{}+{}\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {O} {}\mathrm {\longrightarrow } {}\mathrm {M} {\vphantom {A}}^{\mathrm {II} }\mathrm {Fe} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{\vphantom {A}}^{\mathrm {III} }\mathrm {O} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{4}}{}+{}3\,\mathrm {Al} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {O} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{3}}{}+{}\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}}&{(\mathrm {Oxidación} )}\end{cases}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/829266e3fb4a27f63293e96cd872fdf8f91cf6fc)
La etapa de reducción de la reacción de hercinita tiene lugar a una temperatura de ~200 °C más baja que el ciclo tradicional de división del agua (1200 °C ). [ 3 ] Esto conduce a menores pérdidas por radiación, que escalan como la temperatura elevada a la cuarta potencia.
Ventajas y desventajas
Las ventajas de los ciclos de ferrita son: tienen temperaturas de reducción más bajas que otros sistemas de dos etapas, no se producen gases metálicos, tienen una alta capacidad específica de producción de H₂ , no son tóxicos los elementos utilizados y son abundantes.
Las desventajas de los ciclos de ferrita son: la similitud en la temperatura de reducción y fusión de las espinelas (excepto en el ciclo de la hercinita, ya que los aluminatos tienen temperaturas de fusión muy altas) y la lentitud de la reacción de oxidación o de división del agua .
Véase también
Referencias
- ↑ "Proyecto PD10" (PDF) . Archivado del original (PDF) el 5 de febrero de 2009. Consultado el 19 de diciembre de 2008 .
- ↑ Sentech 2008 - Análisis del hidrógeno producido geotérmicamente en la isla grande de Hawái
- ↑ Sheffe, Jonathan; Jianhua Li; Alan W. Weimer (2010). "Un ciclo redox de división de agua de ferrita de espinela/hercinita". International Journal of Hydrogen Energy . 35 (8): 3333– 3340. Bibcode : 2010IJHE...35.3333S . doi : 10.1016/j.ijhydene.2010.01.140 .
Enlaces externos
- Hidrógeno solar a partir de ciclos termoquímicos basados en óxido de hierro.
- Reacciones químicas
- Producción de hidrógeno