การผลิตไฮโดรเจน (Hydrogen Production)

1. การสลายตัวด้วยความร้อน (THERMAL DECOMPOSITION, THERMOLYSIS)

การสลายตัวของสารตั้งต้นด้วยความร้อนที่ให้ผลผลิตอย่างน้อย 2 ชนิด สำหรับการสลายตัวของนํ้าด้วยความร้อนเกิดได้น้อยแม้ที่อุณหภูมิสูงมาก เช่น ที่อุณหภูมิ 2,200 เคลวิน แตกตัวเพียงร้อยละ 3 และที่อุณหภูมิ 3,200 เคลวิน แตกตัวประมาณร้อยละ 50 ได้ไอออน อนุมูล อะตอม และโมเลกุลของไฮโดรเจน และออกซิเจนหลายชนิด เช่น ไฮโดรเจนไอออน (Hydrogen ion, H⁺) ออกซิเจนไอออน (Oxygen ion, O₂^-) ไฮโดรเจน (Hydrogen, H₂) ออกซิเจน (Oxygen, O₂) ไฮดรอกไซด์ไอออน (Hydroxide ion, OH^-) ไฮโดรเจนเพอร์ออกไซด์ (Hydrogen Peroxide, H₂O₂) และไฮโดรเพอรอกซิล หรืออนุมูลเพอรอกซิล (Hydroperoxyl, Peroxyl Radical, HO₂) ข้อจำกัดของปฏิกิริยาการสลายตัวด้วยความร้อนในการประยุกต์ใช้งานจริงเชิงอุตสาหกรรมหรือเชิงพาณิชย์ คือ ความคงทนของอุปกรณ์หรือวัสดุในกระบวนการที่ต้องทำงานที่อุณหภูมิสูง

Catalytic Decomposition การสลายตัวด้วยตัวเร่งปฏิกิริยา

การสลายตัวของสารตั้งต้นที่ให้ผลผลิตอย่างน้อย 2 ชนิด ผ่านปฏิกิริยาเคมีด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาช่วยให้อุณหภูมิการแตกตัว (Dissociation Temperature) ตํ่าลง สำหรับการสลายตัวของนํ้า ด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาได้โมเลกุลของสารหลายชนิดผ่านปฏิกิริยาเคมีทางอ้อม (Indirect Chemical Reaction) เกิดที่อุณหภูมิตํ่ากว่า 1,000 เคลวิน จึงเป็นการลดข้อจำกัดของกระบวนการการสลายตัวด้วยความร้อน ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีการใช้งานกันมาก คือ สารประกอบของธาตุหมู่แฮโลเจน (Halogen) เช่น เฟอร์รัสคลอไรด์ (Ferrous Chloride, FeCl₂) แคลเซียมโบรไมด์ (Calcium Bromide, CaBr₂) และแมกนีเซียมไอโอไดด์ (Magnesium Iodide, MgI2) ข้อจำกัดหลักของปฏิกิริยาการสลายตัวด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาในการประยุกต์ใช้เชิงอุตสาหกรรมหรือเชิงพาณิชย์ คือ ค่าใช้จ่ายในการผลิตสูงและประสิทธิภาพของกระบวนการตํ่า

2. กระบวนการเร่งปฏิกิริยาเชิงแสง (PHOTOCATALYTIC PROCESS)

กระบวนการผลิตแก๊สไฮโดรเจน ด้วยวิธีการแตกตัวของนํ้า โดยใช้สารกึ่งตัวนำ เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงแสง ซึ่งรับโฟตอน (Photon) จากแสงอาทิตย์ไปกระตุ้นอิเล็กตรอน (Electron) จากแถบวาเลนซ์เคลื่อนที่ผ่านแถบพลังงาน (Energy Band) สู่แถบนำไฟฟ้า (Conduction Band) และเกิดเป็นหลุม (Hole) ทำให้นํ้าแตกตัวเป็นแก๊สไฮโดรเจนและแก๊สออกซิเจน จากนั้นผ่านเข้ากระบวนการทำไฮโดรเจนให้บริสุทธิ์ ตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงแสงที่นิยมใช้ ได้แก่ ไทเทเนียมไดออกไซด์ (Titanium Dioxide, TiO₂) ทังเสตนออกไซด์ (Tungsten (III) Oxide, WO₃) และแพลทินัม (Platinum, Pt) เป็นต้น ประสิทธิภาพของกระบวนการขึ้นอยู่กับโครงสร้างผลึก สมบัติรวม และพื้นที่ผิวของตัวเร่งปฏิกิริยา ข้อเสียของกระบวนการนี้ คือ ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ต้องมีความทนทานต่อการกัดกร่อนในนํ้า และมีประสิทธิภาพกระบวนการตํ่าอยู่ที่ร้อยละ 8-14

3. การรีฟอร์มมีเทน (METHANE REFORMING)

การผลิตแก๊สไฮโดรเจนจากแก๊สธรรมชาติด้วยวิธีอุณหเคมี (Thermochemistry) การรีฟอร์มด้วยไอนํ้า หรือการรีฟอร์มแบบออโตเทอร์มัล (Autothermal Reforming) ตัวเร่งปฏิกิริยาที่นิยมใช้ คือ นิกเกิล (Nickel, Ni) อุณหภูมิที่ใช้ดำเนินการอยู่ในช่วง 500-1,000 องศาเซลเซียส ผลผลิตที่ได้เป็นแก๊สสังเคราะห์ที่มีองค์ประกอบของแก๊สไฮโดรเจนและคาร์บอนมอนอกไซด์เป็นหลัก ได้แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ นํ้า และแก๊สมีเทน เป็นผลิตภัณฑ์ร่วม จากนั้นนำไปผ่านกระบวนการทำไฮโดรเจนให้บริสุทธิ์ (Hydrogen Purification) ตัวอย่างเช่น การดูดซับแบบสลับความดัน (Pressure Swing Adsorption) การแยกด้วยเมมเบรน เป็นต้น

4. การรีฟอร์มด้วยพลาสมา (PLASMA REFORMING)

กระบวนการผลิตแก๊สไฮโดรเจนจากไฮโดรคาร์บอน โดยอาศัยหลักการการแตกตัวเป็นอนุมูลอิสระของแก๊สพาหะ (Carrier Gas) ด้วยแรงดันไฟฟ้าที่ความดันบรรยากาศ แล้วทำปฏิกิริยากับสารตั้งต้น มีข้อดี คือ ทำให้เกิดปฏิกิริยารีฟอร์มิง (Reforming Reaction) ได้ดีที่อุณหภูมิตํ่า ไม่จำเป็นต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาทำให้สามารถใช้สารตั้งต้นที่มีกำมะถันได้ มีประสิทธิภาพดี ใช้เวลาในการทำปฏิกิริยาน้อยและให้อัตราการเปลี่ยนสารตั้งต้นสูง แต่จำเป็นต้องอาศัยแหล่งจ่ายไฟฟ้าศักย์สูง และอาจเกิดเสื่อมสภาพของขั้วไฟฟ้าได้เมื่อเพิ่มศักย์ไฟฟ้า

5. กระบวนการไอนํ้า-เหล็ก (STEAM-IRON PROCESS)

กระบวนการผลิตแก๊สไฮโดรเจนทางการค้าเก่าแก่ที่สุดที่สามารถผลิตแก๊สไฮโดรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูงโดยใช้ปฏิกิริยารีดักชัน-ออกซิเดชัน (Reduction-Oxidation Reaction) ของเหล็กออกไซด์ (Iron Oxide) หรือแมกนีไทต์ (Magnetite, Fe₃O₄) ประกอบด้วยปฏิกิริยา 2 ขั้น ได้แก่ ขั้นของปฏิกิริยารีดักชัน (Reduction Reaction) ของเหล็กออกไซด์ด้วยแก๊สรีดิวซ์ (Reducing Gas) เช่น แก๊สคาร์บอนมอนอกไซด์ แก๊สไฮโดรคาร์บอน และแก๊สสังเคราะห์และขั้นของปฏิกิริยาออกซิเดชันของเหล็กด้วยไอนํ้า

ปฏิกิริยาขั้นที่ 1: Fe₃O₄ + 4CO (or Reducing Gas)→3Fe + 4CO₂ (or Oxidizing Gas)

ปฏิกิริยาขั้นที่ 2: 3Fe + 4H₂O→Fe₃O4 + 4H₂

ปฏิกิริยารวม: CO (or Reducing Gas) + H₂O→CO₂ (or Oxidizing Gas) + H₂

และเกิดปฏิกิริยาข้างเคียงอื่นๆ ที่ไม่ใช่ปฏิกิริยาขั้นที่ 1 และ 2 ด้วย จึงส่งผลให้เกิดเหล็กออกไซด์ได้หลายรูปแบบในผลิตภัณฑ์ เช่น วูสไทต์ (Wustite, FeO) และเกิดปฏิกิริยาการแตกสลาย/ออกซิเดชันขึ้นจำนวนมากพร้อมๆ กัน

6. การแยกสลายด้วยไฟฟ้า (ELECTROLYSIS)

การให้ไฟฟ้ากระแสตรงที่ขั้วไฟฟ้าของเซลล์เคมีไฟฟ้าเพื่อให้ไอออนในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ เคลื่อนที่ไปเกิดปฏิกิริยาที่ขั้วไฟฟ้า ปฏิกิริยาเคมีเกิดเป็นปฏิกิริยาออกซิเดชัน (Oxidation Reaction) หรือ รีดักชัน (Reduction Reaction) ในทิศทางที่ไม่สามารถเกิดเองได้ถ้าไม่ให้กระแสไฟฟ้า โดยกระแสไฟฟ้าที่ให้จะต้องให้มากกว่าค่าโวลต์มาตรฐานที่ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้น เช่น การแยกสลายนํ้าด้วยไฟฟ้าจะต้องใช้ค่าโวลต์ที่สูงกว่า 1.229 โวลต์ ในการผลิตแก๊สไฮโดรเจนโดยการแยกสลายนํ้าด้วยไฟฟ้าที่ขั้วแคโทดเกิดปฏิกิริยารีดักชัน (Reduction Reaction) ของโปรตอน (ไฮโดรเจนไอออน) ในภาวะกรด (2H⁺ + 2e^-→H₂) ส่วนในภาวะเบสจะเกิดปฏิกิริยารีดักชันของนํ้า (2H₂O + 2e^-→H2 + 2OH^-) ที่ขั้วแอโนดเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันได้แก๊สออกซิเจน (H₂O→1/2O₂ + 2H⁺ + 2e^-) ข้อดีของการผลิตแก๊สไฮโดรเจนจากวิธีนี้จะมีความบริสุทธิ์สูง ข้อเสีย คือค่าใช้จ่ายด้านกระแสไฟฟ้าสูง

การเคลี่อนที่ของไอออน และการเกิดปฏิกริยาในการแยกสลายน้ำด้วยไฟฟ้า

7. การแยกกรองด้วยไฟฟ้า (ELECTRODIALYSIS)

การแยกไอออนโดยเฉพาะไอออนของสารละลายเกลือผ่านเมมเบรนแลกเปลี่ยนไอออนได้ความเข้มข้นของไอออนบวกและลบที่สูงขึ้นในแต่ละช่องเซลล์เคมีไฟฟ้าโดยอาศัยความต่างศักย์หรือกระแสไฟฟ้าที่ให้กับระบบ สารละลายความเข้มข้นตํ่าจะเข้าสู่เซลล์เคมีไฟฟ้าที่มีเมมเบรนแลกเปลี่ยนไอออนลบและบวกคั่นอยู่ระหว่างขั้วไฟฟ้า ไอออนลบจะเคลื่อนที่ไปยังขั้วแอโนดผ่านเมมเบรนแลกเปลี่ยนไอออนลบ จากนั้นจะถูกกั้นด้วยเมมเบรนแลกเปลี่ยนไอออนบวก ส่วนไอออนบวกจะเคลื่อนที่ไปยังขั้วแคโทดผ่านเมมเบรนแลกเปลี่ยนไอออนบวกและถูกกั้นด้วยเมมเบรนแลกเปลี่ยนไอออนลบ ทำให้เกิดการกรองแยกเป็นส่วนที่มีความเข้มข้นสูงของไอออนลบและบวกคนละช่องของเซลล์ที่กั้นด้วยเมมเบรน การกรองแยกนี้นิยมใช้กันในรูปของเซลล์ที่ต่อเป็นแบบอนุกรมหลายเซลล์โดยคั่นด้วยเมมเบรนแลกเปลี่ยนไอออนลบและบวกสลับกันไป ผลพลอยได้ของกระบวนการนี้ คือ เกิดแก๊สไฮโดรเจนที่ขั้วแคโทด และแก๊สออกซิเจนที่ขั้วแอโนดโดยมีกลไกเดียวกับการแยกนํ้าด้วยไฟฟ้า

การเคลื่อนที่ของไอออน และเซลล์เคมีไฟฟ้าในกระบวนการแยกกรองด้วยไฟฟ้า

8. การผลิตไฮโดรเจนชีวภาพ (BIOHYDROGEN PRODUCTION)

การผลิตแก๊สไฮโดรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูงด้วยกระบวนการทางชีวภาพผ่านสิ่งมีชีวิตจำพวกจุลินทรีย์(microorganism) สารตั้งต้นหลักของกระบวนการ ได้แก่ นํ้า ของเสียอินทรีย์ (Organic Waste) หรือชีวมวล จุลินทรีย์ที่มีการใช้งานในกระบวนการ ได้แก่ สาหร่าย (Algae) แบคทีเรีย (Bacteria) หรืออาร์เคีย (Archaea) โดยอาจต้องใช้เอนไซม์ (Enzyme) หรือสารประกอบจำพวกโปรตีนช่วยเร่งปฏิกิริยาจำแนกการผลิตไฮโดรเจนชีวภาพได้ 2 แบบ ได้แก่ การจำแนกตามการใช้แสงภายในกระบวนการ คือ กลุ่มที่ใช้และไม่ใช้แสงภายในกระบวนการ และการจำแนกตามลักษณะของกระบวนการ การผลิตไฮโดรเจนทางตรงและทางอ้อม ปัจจุบันยังไม่มีเทคโนโลยีหลักที่ใช้ผลิตไฮโดรเจนชีวภาพเชิงพาณิชย์เนื่องจากข้อจำกัดด้านความรู้ความเข้าใจ และประสิทธิภาพของกระบวนการตํ่า

การผลิตไฮโดรเจนชีวภาพ

9. การผลิตไฮโดรเจนด้วยการหมัก (FERMENTATION HYDROGEN PRODUCTION)

กระบวนการทางชีวเคมีที่สารอินทรีย์ย่อยสลายหรือเกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมีโดยอาศัยเอนไซม์ที่ผลิตจากจุลินทรีย์เพื่อผลิตไฮโดรเจน จำแนกเป็น 2 แบบ ได้แก่ การหมักแบบไม่ใช้แสงและการหมักแบบใช้แสง การหมักแบบไม่ใช้แสงพบในแบคทีเรียที่ไม่ใช้อากาศร่วมกับเอนไซม์ไฮโดรจีเนส (Hydrogenase) ที่เปลี่ยนสารตั้งต้นจำพวกคาร์โบไฮเดรต เช่น ของเสียอินทรีย์ (Organic Waste) หรือ ชีวมวล ให้เป็นแก๊สไฮโดรเจน และผลผลิตสารอินทรีย์ข้างเคียงอื่น เช่น กรดแอซีติก (Acetic Acid, C₂H₄O₂) กรดบิวทีริก (Butyric Acid, C₄H₈O₂) และคาร์บอนไดออกไซด์ (Carbon Dioxide, CO₂) ส่วนการหมักแบบใช้แสงพบในแบคทีเรียที่ไม่ใช้อากาศแต่สามารถสังเคราะห์ด้วยแสงได้ผ่านเอนไซม์ไนโตรจีเนส (Nitrogenase) จากสารประกอบอินทรีย์จำพวกชีวมวล ได้แก๊สไฮโดรเจนและพลังงาน ข้อจำกัดหลักของการผลิตไฮโดรเจนโดยการหมักในการใช้งานเชิงอุตสาหกรรม ได้แก่ การขาดความรู้ความเข้าใจเกี่ยวกับกระบวนการ

กระบวนการหมัก

10. การสังเคราะห์ด้วยแสง (PHOTOSYNTHESIS)

กระบวนการทางชีวเคมีที่สิ่งมีชีวิตสีเขียวเปลี่ยนรูปพลังงานแสงไปเป็นพลังงานเคมี โดยแสงถูกดูดจับไว้ และทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยาระหว่างนํ้า และคาร์บอนไดออกไซด์ ได้คาร์โบไฮเดรต การสังเคราะห์ด้วยแสงเพื่อผลิตไฮโดรเจนจำแนกได้เป็น 2 วิธีการ ได้แก่ การแยกสลายด้วยแสงทางตรง และการแยกสลายด้วยแสงทางอ้อม การแยกสลายด้วยแสงทางตรงพบมากในสาหร่ายสีเขียว (Green Algae) ที่แสงกระตุ้นโมเลกุลของนํ้าให้แยกออกเป็นไฮโดรเจนไอออน แก๊สออกซิเจน และอิเล็กตรอน (Electron, e^-) จากนั้น เอนไซม์ไฮโดรจีเนส (Hydrogenase) จะรวมไฮโดรเจนไอออนและอิเล็กตรอนได้แก๊สไฮโดรเจน ส่วนการแยกสลายด้วยแสงทางอ้อมพบมากในสาหร่ายสีเขียวแกมนํ้าเงิน (Blue Green Algae) หรือไซยาโนแบคทีเรีย (Cyanobacteria) ที่ใช้ปฏิกิริยาสังเคราะห์ด้วยแสงร่วมกับการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์เพื่อผลิตคาร์โบไฮเดรตซึ่งจะถูกนำไปผลิตแก๊สไฮโดรเจนต่อไป ข้อจำกัดหลักของการผลิตไฮโดรเจนผ่านการสังเคราะห์ด้วยแสงในการใช้งานเชิงอุตสาหกรรม ได้แก่ ค่าใช้จ่ายในการผลิตสูง

กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง

11. หน่วยผลิตเชื้อเพลิงไฮโดรเจน (HYDROGEN FUEL PROCESSOR)

หน่วยปฏิบัติการที่ใช้ในการผลิตเชื้อเพลิงไฮโดรเจนจากถ่านหินหรือปิโตรเลียม เช่น แก๊สธรรมชาติ ประกอบด้วยปฏิกิริยาการรีฟอร์มด้วยไอนํ้า ได้แก๊สไฮโดรเจนและคาร์บอนมอนอกไซด์ปฏิกิริยาวอเตอร์แก๊สชิฟต์ ระหว่างคาร์บอนมอนอกไซด์และไอนํ้าได้ผลิตภัณฑ์เป็นแก๊สไฮโดรเจนและแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ และปฏิกิริยาออกซิเดชันแบบเลือกเกิดของคาร์บอนมอนอกไซด์ (preferential oxidation of CO) ระหว่างคาร์บอนมอนอกไซด์และออกซิเจนได้ผลิตภัณฑ์เป็นแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์

การรีฟอร์มด้วยไอนํ้า: C_nH_m + nH2O↔(n + m/2) H₂ + nCO

วอเตอร์แก๊สชิฟต์: CO + H₂O↔H₂ + CO₂

ออกซิเดชันแบบเลือกเกิดของคาร์บอนมอนอกไซด์: CO + 1/2O₂↔CO₂

ได้ผลิตภัณฑ์ไฮโดรเจนที่ใช้สำหรับเซลล์เชื้อเพลิง ได้ เช่น เซลล์เชื้อเพลิงชนิดเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน

12. การแยกด้วยเมมเบรน (MEMBRANE SEPARATION)

กระบวนการแยกแก๊สผสมด้วยเมมเบรนสังเคราะห์ เช่น การแยกแก๊สไนโตรเจนหรือแก๊สออกซิเจนออกจากอากาศ การแยกแก๊สไฮโดรเจนออกจากแก๊สผสมที่มีแก๊สไนโตรเจน และแก๊สมีเทน การนำกลับ (Recovery) แก๊สไฮโดรเจนจากผลิตภัณฑ์แก๊สผสมของโรงงานผลิตแอมโมเนีย การนำกลับแก๊สไฮโดรเจนจากกระบวนการกลั่นนํ้ามัน (Oil Refinery Processes) การแยกแก๊สมีเทนออกจากแก๊สชีวภาพ ปกติการแยกแก๊สด้วยเมมเบรนนิยมใช้เมมเบรนพอลิเมอร์ที่ไม่มีรูพรุน (Nonporous Polymer Membrane) โดยอาศัยหลักการสภาพละลายได้ (Solubility) และสภาพแพร่ (Diffusivity) ที่ต่างกันของแก๊สแต่ละชนิด ส่วนเมมเบรนที่มีรูพรุน (Porous Polymer Membrane) สามารถแยกแก๊สโดยอาศัยขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของรูพรุน (Pore Diameter) ที่เล็กกว่าวิถีเสรีเฉลี่ย (Mean Free Path) ของโมเลกุลแก๊สภายใต้ภาวะความดัน 100 กิโลปาสกาล และอุณหภูมิ 300 เคลวิน เส้นผ่านศูนย์กลางของรูพรุนอยู่ที่ประมาณ 50 นาโนเมตร ในบางกรณีสามารถใช้วัสดุอื่นที่ไม่ใช่พอลิเมอร์ เช่น เมมเบรนแพลเลเดียม (Palladium, Pd) ที่เลือกผ่านเฉพาะแก๊สไฮโดรเจน

การแยกไนโตรเจน และออกซิเจนจากอากาศด้วยเมมเบรน

Bibliography
กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน. (2557). ไฮโดรเจน. In กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน, สารานุกรมพลังงานทดแทน (pp. 47, 49, 54-56, 61, 66, 68-69, 74-75). กรุงเทพมหานคร,ประเทศไทย.