Producción de hidrógeno a partir de la degradación térmica de ácido sulfhídrico

Abstract

Hydrogen sulfide (H₂S), a large-volume byproduct of fossil fuel hydrodesulfurization, can be valorized by thermolysis to produce hydrogen and elemental sulfur simultaneously, instead of simply being oxidized to SO₂ as in the conventional Claus process. However, being an endothermic and thermodynamically limited reaction, its viability depends on operating at high temperatures and understanding the energy costs of dissociation, an aspect for which the experimental literature offers global kinetics but little information at the molecular level. In this work, the thermolysis of H₂S was studied using Reactive Molecular Dynamics (RMD) simulations with the ReaxFF potential, evaluating the effect of the interaction potential cutoff radius (rC) and temperature on the system's behavior. Simulations were performed on a system of 1,000 H₂S molecules at 1 atm, first at equilibrium at 298.15 K and subsequently at temperatures up to 3500 K, with cutoff radii of 10 to 40 Å. The original radius of 10 Å, parameterized for condensed systems, underestimates the enthalpy of the gaseous system and is insufficient to observe dissociation at 3000 K in 20 ns, while radii of 30–40 Å reliably capture both the thermodynamic equilibrium and the high-temperature dissociation kinetics. A threshold was also identified between 2000 and 2500 K below which no dissociation is observed on the simulated scales, and above which the conversion of H₂S increases markedly with temperature, reaching 52.5% at 3500 K in 120 ns. The identified species (H⋅, HS⋅, H2, S⋅) were consistent with homolytic dissociation mechanisms reported for thermal plasma, and the calculated energy costs (4.31–10.66 eV/H2 molecule, depending on T) agreed in magnitude with independent thermochemical estimates (Kirchhoff's Law: 3.96–4.02 eV/molecule), quantitatively validating the approach used.

El sulfuro de hidrógeno (H2S), subproducto de gran volumen de la hidrodesulfuración de combustibles fósiles, puede valorizarse mediante termólisis para producir hidrógeno y azufre elemental simultáneamente, en lugar de únicamente oxidarse a SO2 como en el proceso Claus convencional. Sin embargo, al ser una reacción endotérmica y limitada termodinámicamente, su viabilidad depende de operar a temperaturas elevadas y de comprender los costos energéticos de la disociación, aspecto sobre el cual la literatura experimental ofrece cinéticas globales pero escasa información a nivel molecular. En este trabajo se estudió la termólisis del H2S mediante simulaciones de Dinámica Molecular Reactiva (DMR) con el potencial ReaxFF, evaluando el efecto del radio de corte (rC) del potencial de interacción y de la temperatura sobre el comportamiento del sistema. Se llevaron a cabo simulaciones de un sistema de 1,000 moléculas de H2S a 1 atm, primero en equilibrio a 298.15 K y posteriormente a temperaturas de hasta 3500 K, con radios de corte de 10 a 40 Å. El radio original de 10 Å, parametrizado para sistemas condensados, subestima la entalpía del sistema gaseoso y resulta insuficiente para observar disociación a 3000 K en 20 ns, mientras que radios de 30–40 Å capturan de forma confiable tanto el equilibrio termodinámico como la cinética de disociación a alta temperatura. Se identificó además un umbral entre 2000 y 2500 K por debajo del cual no se observa disociación en las escalas simuladas, y por encima del cual la conversión de H2S aumenta marcadamente con la temperatura, alcanzando 52.5 % a 3500 K en 120 ns. Las especies identificadas (H⋅, HS⋅, H2, S⋅) fueron consistentes con los mecanismos de disociación homolítica reportados para plasma térmico, y los costos energéticos calculados (4.31–10.66 eV/molécula de H2, según T) concordaron en magnitud con estimaciones termoquímicas independientes (Ley de Kirchhoff: 3.96–4.02 eV/molécula), validando cuantitativamente el enfoque empleado.