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水性ガスは燃料ガスの一種で、一酸化炭素と水素の混合物です。これは、「燃料層（コークス）に空気を吹き付け、蒸気でガス化することを交互に繰り返す」ことで生成されます。[1] [2]この方法で生成される燃料のカロリー収率は、現代の合成ガスプラント の収率の約10％です。水性ガスを生成するために必要なコークスのコストも、合成ガスの前駆物質（主に天然ガスからのメタン）よりも大幅に高く、水性ガス技術はビジネスとしての魅力がさらに低下しています。
生産
合成ガスは、コークスなどの高温の炭素燃料に蒸気を通すことで作られます。[3]
- H 2 O + C → H 2 + CO (ΔH = +131 kJ/mol)
この反応は吸熱反応なので、反応を維持するために燃料を継続的に再加熱する必要があります。これを行うには、蒸気流と交互に空気流を導入して炭素の一部を燃焼させます。
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(ΔH = -393 kJ/モル)
理論的には、6 L の水性ガスを生成するには、5 L の空気が必要です。または、窒素による汚染を防ぐために、純粋な酸素を使用して炭素を一酸化炭素に燃焼させることでエネルギーを供給することもできます。
- O 2 + 2 C → 2 CO (ΔH = -221 kJ/mol)
この場合、1 L の酸素から 5.3 L の純水ガスが生成されます。
歴史
水性ガス転換反応は1780年にイタリアの物理学者フェリーチェ・フォンタナによって発見されました。水性ガスは1828年からイギリスで白熱したコークスに蒸気を吹き込むことで作られました。[4]
炭化水素（ガス）
炭化水素は、蒸気を熱したコークスに通すことで生成される一酸化炭素と水素からなる水性ガスの古い用語です。炭化水素は人工の空気として分類され、トーマス・ベドーズやジェームズ・ワットを含む18世紀の医師によって治療特性が研究されました。[5] 1794年にベドーズによって造られた炭化水素という用語は、重炭酸イオンの現代の名前「炭酸水素」と混同しないでください。
1794年から1802年にかけて、ティベリウス・カヴァッロやデイヴィス・ギルバートなどの医師が鎮痛剤や麻酔剤として炭化水素の実験を行った。[6] ハンフリー・デイヴィは、ニューマチック研究所で3クォートの炭化水素を吸入し、「消滅に向かって沈んで」死にかけたことで有名である。デイヴィは2日後に回復し、炭化水素をさらに吸入すると「痛みを感じることなく即座に生命を破壊した可能性がある」と結論付けた。[7]彼は正しかった。一酸化炭素中毒は致命的になり得る。
炭化水素によって治療される疾患には、結核、炎症、喘息、喀痰、喀血、肺炎、胸水、けいれん、その他の適応症が含まれます。[5] [6]活性成分が一酸化炭素である炭化水素で治療される疾患の多くは、現在、一酸化炭素の治療可能性を決定するために現代の生物医学研究方法を使用して調査されています。たとえば、ジェームズ・リンドは、炭化水素が肺の炎症を効果的に治療することを認識しました。 [5]吸入プロトコルまたは一酸化炭素放出分子を介した一酸化炭素の送達には、炎症の効果的な治療を示す重要な前臨床データがあります。[8]炭化水素の探索的医療応用の先駆的な研究は、現代の医薬品開発の重要な起源です。
ジェームズ・ワットは1794年に炭化水素が「血液中の酸素に対する解毒剤」として作用するかもしれないと示唆し、一酸化炭素（1800年）とヘモグロビン（1840年）の発見以前に過剰摂取の毒性について警告した。[5]ワットの観察にもかかわらず、1857年頃にクロード・ベルナールが一酸化炭素中毒のメカニズムを最初に記述したことは広く認められている。 [9]
ロウズのガスプロセス
1873 年、Thaddeus SC Lowe は水性ガス プロセスを開発し、特許を取得しました。このプロセスにより、大量の水素ガスを生成して、住宅や商業施設の暖房や照明に利用できるようになりました。このガスは、公共サービスで使用されていた一般的な石炭ガス(コークス ガス)よりも効率的な暖房燃料でした。このプロセスでは水性ガス転化反応が使用されました。
- CO + H 2 O → CO 2 + H 2
このプロセスは、高圧蒸気を熱い石炭に通すことで発見されました。石炭はコークスガスの主な供給源です。ロウのプロセスは、石炭を過熱状態に維持できる煙突システムを改良したもので、これによりガスの供給を常に高く維持できました。この反応により二酸化炭素と水素が生成され、冷却と「洗浄」のプロセスを経て水素ガスが生成されました。
このプロセスはガス製造産業に刺激を与え、米国東海岸沿いにガス化プラントが急速に設立された。ハーバー・ボッシュ法などの類似のプロセスでは、空気中の窒素と水素を結合させてアンモニア(NH 3 )が製造された。これは、冷媒として長らくアンモニアを使用していた冷凍産業に刺激を与えた。ロウは人工製氷機に関する特許もいくつか保有しており、冷蔵倉庫や水素ガスで稼働する製品のビジネスで成功を収めた。
バリエーション
キャブレター付きウォーターガス
水性ガスは石炭ガスに比べて燃焼熱が低いため、油を噴霧した加熱したレトルトに通して発熱量を高めることが多かった。こうして得られた混合ガスを加硫水性ガスという。加硫水性ガスの平均組成は、H 2 =34～38%、CO=23～28%、飽和炭化水素=17～21%、不飽和炭化水素=13～16%、CO 2 =0.2～2.2%、N 2 =2.5～5.0%である。発熱量が高いため、熱源として利用される。
半水性ガス
半水性ガスは、空気と蒸気の混合物を加熱したコークスに通すことで作られる水性ガスと生成ガスの混合物です。生成ガスの生成時に発生する熱により、コークスの温度が水性ガスの生成に十分な高さに保たれます。
水性ガス転化反応
一酸化炭素が水と反応して生成される二酸化炭素を除去した後、 水性ガスシフト反応を使用して水性ガスから純粋な水素を得ることができます。
用途
合成ガスに完全に置き換えられた水性ガスは、特定の燃料電池に適用できます。フィッシャー・トロプシュ法で使用されます。生成ガスと反応して燃料ガスを生成します。また、アンモニア合成用の純粋な水素を得るためにも使用できます。
参照
参考文献
- ^ ヒラー、ハインツ、ライメルト、ライナー、シュトナー、ハンス・マーティン (2011)。「ガス生産、1. はじめに」。ウルマン工業化学百科事典。doi :10.1002 / 14356007.a12_169.pub3。ISBN 978-3527306732。
- ^ グリーンウッド、ノーマン N. ; アーンショウ、アラン (1997)。元素の化学(第 2 版)。バターワース-ハイネマン。p. 38。ISBN 978-0-08-037941-8。
- ^ トンプソン、ルイス (1850)。ガス照明の化学。「ガス照明ジャーナル」事務局。pp. 91–98。
- ^ シンガー、チャールズ、他編 (1954–1978)。テクノロジーの歴史。クラレンドン・プレス。
- ^ abcd ベドーズ、トーマス (1794)。人工気体の医療的使用に関する考察: および人工気体を大量に入手する方法について。2 部構成。パート I。トーマス ベドーズ医学博士著、パート II。ジェームズ ワット氏著。バルジンおよびロッサー著。
- ^ ab Cavallo, Tiberius (1798)。人工気体の薬効に関する試論: 血液の性質に関する付録付き。著者、販売。
- ^ ホームズ、リチャード (2008)。「驚異の時代: ロマン派世代はいかに科学の美と恐怖を発見したか」。Physics Today . 62 (8): 46. doi : 10.1063/1.3206097 . ISBN 9780007149537。
- ^ Motterlini, Roberto; Otterbein, Leo E. (2010). 「一酸化炭素の治療可能性」. Nature Reviews Drug Discovery . 9 (9): 728–743. doi :10.1038/nrd3228. ISSN 1474-1784. PMID 20811383. S2CID 205477130.
- ^ Otterbein, Leo E. (2002). 「一酸化炭素: 古くからあるガス分子の革新的な抗炎症特性」.抗酸化物質と酸化還元シグナル伝達. 4 (2): 309–319. doi :10.1089/152308602753666361. ISSN 1523-0864. PMID 12006182.
- メラー、JW、「中等無機化学」、ロングマンズ、グリーンアンドカンパニー、1941年、pp. 210-211
- アドラム、GHJ およびプライス、LS、「高等学校認定無機化学」、ジョン・マレー、1944 年、309 ページ
- 歴史電子書籍プロジェクト。ACLS 人文科学電子書籍。第 5 巻。「鉱油の使用」p. 119
文献
- ギョーム・デルクール、『ノーティス・シュル・ル・ガズ・ア・ロー』、1894年。