Hidrogen de apă de mare

OAMENII DE ȘTIINȚĂ au dezvoltat un sistem care poate produce hidrogen verde direct din apa de mare, fără a fi nevoie de procese de pretratare, cum ar fi desalinizarea. Echipa din spatele dezvoltării, care implică introducerea unui strat de acid Lewis pe un catalizator de oxid de metal tranzițional, spune că metoda prezintă un potențial ridicat pentru aplicare comercială.

Peste 97% din apa de pe suprafața Pământului este apă salină din oceane, 2% este stocată ca apă dulce în calote glaciare, ghețari și lanțuri muntoase acoperite cu zăpadă și doar 1% este disponibil pentru nevoile noastre zilnice de aprovizionare cu apă.

 
Apa salină poate fi transformată în apă potabilă printr-un proces numit desalinizare, o tehnică pe care unele zone din lume se bazează pentru a produce apă dulce pentru consumul uman și pentru uz casnic și industrial. Dar desalinizarea este un proces care necesită energie și, mai rău, este adesea alimentat de surse de energie care sunt nesustenabile.

Împărțirea apei în părțile sale constitutive este, de asemenea, bine înțeleasă. Procesul – cunoscut sub numele de electroliză – folosește un curent continuu între doi electrozi scufundați într-un electrolit pentru a împărți apa în hidrogen și oxigen. Hidrogenul se formează la catod sau electrodul negativ, iar oxigenul la electrodul pozitiv sau anod.

Deoarece un amestec de gaze poate exploda, majoritatea electrolizoarelor separă anodul și catodul cu o foaie de plastic groasă și poroasă, iar catalizatori metalici precum nichelul și fierul sunt utilizați pentru a accelera reacțiile.

Combinarea ambelor procese, și anume desalinizarea apei de mare și apoi împărțirea ei pentru a crea hidrogen a fost mult timp salutată drept una dintre cele mai bune soluții pentru a furniza combustibil curat și accesibil pentru energie, care, la rândul său, ar putea alimenta orice, de la electricitatea unui oraș până la producerea de energie. oțel, producerea de îngrășăminte și chiar și ca combustibil pentru avioane – lista potențialelor utilizări este una lungă.

Cu toate acestea, unul dintre motivele pentru care nu folosim deja combustibil cu hidrogen pentru a zbura în jurul lumii este că apa sărată și alte impurități corodează electrozii, scurtându-le viața. Deoarece aceste componente sunt de obicei fabricate din metale rare, cum ar fi platina, costă prea mult să le înlocuiești în continuare. Ionii de clorură din apa de mare reprezintă, de asemenea, o problemă, iar reacțiile de electro-oxidare a clorului (ClOR) concurează cu reacția de evoluție a oxigenului (OER) pe anod în timpul electrolizei. Această reacție are ca rezultat eliberarea de specii de clor toxice și corozive, cum ar fi hipocloritul. Hipocloritul este relativ instabil, poate elibera clor gazos toxic atunci când este amestecat cu amoniac sau acid și poate mânca și oțelul inoxidabil.

Pentru a ocoli acest lucru, apa de mare ar putea fi desalinizată și purificată înainte de a o procesa, dar nici acest lucru nu este întotdeauna viabil financiar. O altă opțiune este să acoperiți electrozii cu polianioni pentru a suprima coroziunea, dar și acest lucru poate fi costisitor.

Puține soluții climatice vin fără dezavantaje. Hidrogenul „verde”, produs prin utilizarea energiei regenerabile pentru a diviza moleculele de apă, ar putea alimenta vehiculele grele și ar putea decarboniza industrii precum producția de oțel, fără a arunca o miros de dioxid de carbon. Dar, deoarece mașinile de împărțire a apei, sau electrolizoarele, sunt proiectate să funcționeze cu apă pură, extinderea hidrogenului verde ar putea exacerba deficitul global de apă dulce. Acum, mai multe echipe de cercetare raportează progrese în producerea hidrogenului direct din apa de mare, care ar putea deveni o sursă inepuizabilă de hidrogen verde.

Astăzi, aproape tot hidrogenul este produs prin descompunerea metanului, arderea combustibililor fosili pentru a genera căldura și presiunea necesare. Ambele etape eliberează dioxid de carbon. Hidrogenul verde ar putea înlocui acest hidrogen murdar, dar în prezent costă mai mult de două ori mai mult, aproximativ 5 USD per kilogram. Acest lucru se datorează parțial costului ridicat al electrolizoarelor, care se bazează pe catalizatori fabricați din metale prețioase. Departamentul de Energie al SUA a lansat recent un efort de un deceniu pentru a îmbunătăți electrolizoarele și pentru a reduce costul hidrogenului verde la 1 USD per kilogram.

Dacă reușesc și producția de hidrogen verde crește vertiginos, presiunea s-ar putea dezvolta asupra rezervelor de apă dulce din lume. Generarea a 1 kilogram de hidrogen prin electroliza necesită aproximativ 10 kilograme de apă. Funcționarea camioanelor și a industriilor cheie cu hidrogen verde ar putea necesita aproximativ 25 de miliarde de metri cubi de apă dulce pe an, echivalentul consumului de apă al unei țări cu 62 de milioane de locuitori, potrivit Agenției Internaționale pentru Energie Regenerabilă.

Apa de mare este aproape nelimitată, dar împărțirea ei vine cu propriile probleme. Electrolizoarele sunt construite la fel ca bateriile, cu o pereche de electrozi înconjurați de un electrolit apos. Într-un proiect, catalizatorii de la catod împart moleculele de apă în ioni de hidrogen (H+) și hidroxil (OH-). Electronii în exces la catod unesc perechi de ioni de hidrogen în hidrogen gazos (H2), care bule din apă. Între timp, ionii OH- călătoresc printr-o membrană dintre electrozi pentru a ajunge la anod, unde catalizatorii împletesc oxigenul în oxigen gazos (O2) care este eliberat.

Când se folosește apa de mare, totuși, aceeași zguduire electrică care generează O2 la anod transformă, de asemenea, ionii de clorură din apa sărată în clor gazos extrem de coroziv, care consumă electrozi și catalizatori. Acest lucru face ca electrolizoarele să se defecteze în doar câteva ore, când pot funcționa în mod normal ani de zile.

Hidrogenul este o substanță chimică versatilă utilizată pentru producerea multor produse, inclusiv îngrășăminte. Hidrogenul este, de asemenea, o componentă cheie a tehnologiei celulelor de combustibil, care valorifică electricitatea produsă de surse de energie regenerabile, dar intermitente, cum ar fi solarul și eolianul. Majoritatea hidrogenului produs la nivel mondial provine dintr-un proces în care metanul este expus la căldură și abur pentru a produce hidrogen.

Hidrogenul poate fi produs și din electroliza apei, care folosește electricitatea pentru a împărți moleculele de apă în hidrogen și oxigen alimentat de surse regenerabile, cum ar fi solarul și eolianul. Dar există o captură. Electroliza necesită apă foarte curată care a fost deionizată, ceea ce înseamnă că toate impuritățile, mineralele și particulele încărcate electronic trebuie mai întâi îndepărtate. Procesele convenționale de purificare a apei necesită echipamente scumpe și pot duce la pierderi de energie.

Cercetătorii de la Departamentul de Sănătate și Inginerie a Mediului al Universității Johns Hopkins, în colaborare cu Universitatea Penn State, au găsit o modalitate de a folosi apa de mare ca sursă directă de hidrogen, fără a fi nevoie de desalinizare preliminară. Rezultatele lor apar în Environmental Science & Technology.

„Am descoperit că putem folosi membrane compozite cu peliculă subțire, care sunt folosite pentru purificarea apei sărate, în electrolizoarele de apă, împărțind apa în hidrogen gazos și oxigen, evitând în același timp producerea de clor gazos dăunător, ceea ce se întâmplă cu alte tipuri de membrane”.
În studiul lor, Rossi și colegii săi au testat membrane compozite cu peliculă subțire direct în electrolizor - un dispozitiv care utilizează electricitatea pentru a împărți apa în hidrogen și oxigen - realizând într-o singură etapă atât purificarea apei, cât și producția de hidrogen. Ei au descoperit că microstructura poroasă a materialului a permis doar protonilor mici și ionilor de hidroxid să migreze prin membrană, respingând impuritățile și alți ioni care pot produce reacții nedorite. Cercetătorii spun că această abordare nouă ar putea înlocui sistemele convenționale, în care membranele scumpe schimbătoare de ioni sunt utilizate în combinație cu alimentările cu apă ultrapură.

„Membranele ieftine de desalinizare a apei pot fi o alternativă la membranele mai scumpe pe bază de polimeri și pot fi folosite pentru producerea de hidrogen din surse de apă de calitate scăzută, cum ar fi apa de mare”, a spus Rossi. „Rezultatul este un proces eficient de producere a hidrogenului din surse regenerabile de energie care elimină nevoia de purificare a apei”.

El a remarcat că apa de mare este dificil de utilizat în electrolizoare din cauza salinității sale ridicate. Cu toate acestea, este abundent și disponibil în locații precum zonele de coastă, unde poate fi generată energie electrică regenerabilă, cum ar fi solară și eoliană, dar unde există o disponibilitate scăzută de apă dulce. În astfel de locații, alte surse de apă de calitate scăzută, cum ar fi apele uzate, ar putea fi utilizate în locul apei de mare în acest proces.

Echipa finanțată de Fundația Națională de Știință din SUA a integrat tehnologia de purificare a apei într-un nou design de dovadă a conceptului pentru un electrolizor de apă de mare, care utilizează un curent electric pentru a separa hidrogenul și oxigenul din moleculele de apă.

Această nouă metodă de „împărțire a apei de mare” ar putea facilita transformarea energiei eoliene și solare într-un combustibil stocabil și portabil, potrivit Bruce Logan, inginer de mediu.

„Hidrogenul este un combustibil grozav, dar trebuie să-l faci”, a spus Logan. "Singura modalitate durabilă de a face asta este să folosești energie regenerabilă și să o produci din apă. De asemenea, trebuie să folosești apă pe care oamenii nu vor să o folosească pentru alte lucruri și aceasta ar fi apa de mare. Deci, Sfântul Graal al producerii hidrogenului ar fi să combine apa de mare și energia eoliană și solară găsite în mediile de coastă și offshore.”

În ciuda abundenței apei de mare, aceasta nu este folosită în mod obișnuit pentru împărțirea apei. Cu excepția cazului în care apa este desalinizată înainte de a intra în electrolizor, un pas suplimentar costisitor, ionii de clor din apa de mare se transformă în gaz de clor toxic, care degradează echipamentul și se infiltrează în mediul înconjurător.

Pentru a preveni acest lucru, cercetătorii au introdus o membrană subțire, semipermeabilă, dezvoltată inițial pentru purificarea apei în procesul de tratare cu osmoză inversă. Membrana de osmoză inversă a înlocuit membrana schimbătoare de ioni folosită în mod obișnuit la electrolizoare.
„Ideea din spatele osmozei inverse este că puneți o presiune foarte mare asupra apei și o împingeți prin membrană și mențineți ionii de clorură în urmă”, a spus Logan.

Printr-o serie de experimente publicate în Energy & Environmental Science, cercetătorii au testat două membrane de osmoză inversă disponibile comercial și două membrane schimbătoare de cationi, un tip de membrană schimbătoare de ioni care permite mișcarea tuturor ionilor încărcați pozitiv din sistem.

Energia curată este o prioritate de top pentru țările din întreaga lume. În timp ce energia convențională se bazează pe combustibili fosili precum cărbunele, gazele naturale și petrolul, energia curată vine sub diferite forme, cum ar fi solară, eoliană, geotermală, hidroelectrică și biomasă.

De asemenea, hidrogenul este o opțiune principală de stocare a energiei pentru sursele regenerabile și ar putea contribui la reducerea nivelurilor ridicate de emisii de carbon.
Cercetările actuale sugerează că electroliza apei sărate – procesul de împărțire a apei în oxigen și hidrogen – este o soluție viabilă la provocările comune ale electrolizei apei dulce. Electroliza apei de mare ar putea produce hidrogen durabil fără a agrava deficitul global de apă dulce.

Potrivit Centrului de Date pentru Combustibili Alternativi al Departamentului de Energie al Statelor Unite, hidrogenul pur este un element abundent pe Pământ, care arată o mare promisiune în sprijinirea tranziției către energie curată, durabilă și regenerabilă.

După producerea hidrogenului, acesta poate genera electricitate într-o celulă de combustibil și emite doar vapori de apă și aer cald. Deoarece hidrogenul nu eliberează gaze cu efect de seră, oxizi de azot, hidrocarburi sau alte particule, nu afectează negativ mediul.
Hidrogenul are alte beneficii care vor ajuta la crearea unei economii de energie curată. Este o soluție energetică optimă în zonele de obicei dificile de decarbonizat. Mărește fiabilitatea și rezistența rețelei electrice moderne. De asemenea, poate îmbunătăți sănătatea publică și starea mediului.

În plus, poate crește numărul de oportunități de angajare și securitatea energetică în industriile globale. Poate ajuta industria transporturilor să devină mai durabilă și să sprijine trecerea la vehicule electrice (EV). Și poate contribui la creșterea veniturilor și la consolidarea economiei mondiale.

O provocare care crește costurile asociate cu producerea hidrogenului verde este aceea că electrolizoarele necesită apă ultrapură. Acest lucru face dificilă electroliza tradițională a apei sărate, deoarece multe surse de apă sunt umplute cu contaminanți.
Deși EPA are cerințe stricte pentru apă din cauza prezenței plumbului, clorului și bacteriilor, aceasta nu înseamnă neapărat că toată apa este lipsită de contaminanți.

Electroliza apei de mare
Cercetarea electrolizei apei de mare a apărut la începutul secolului al XIX-lea. Deși oamenii de știință au făcut progrese în producția de hidrogen, acesta nu a câștigat niciodată tracțiune sau a devenit o soluție energetică viabilă. În secolul al XX-lea, hidrogenul a fost extras în mare parte din gazul natural și folosit pentru a alimenta mașini, autobuze, dirigibili și rachete.

În timp ce utilizarea acestui hidrogen a fost fezabilă, producția lui a fost consumatoare de energie și a contribuit la emisiile de carbon, una dintre principalele cauze ale schimbărilor climatice. În plus, unele orașe filtrează deșeurile solide municipale cu tehnologia celulelor de combustie cu hidrogen, care produce hidrogen și previne contaminarea derivată din deșeuri în rezervele locale de apă.

Diferiți cercetători și oameni de știință dezvoltă tehnologii avansate folosind electroliza apei de mare pentru a evita aceste provocări. Dacă aceste tehnologii funcționează corect, ele vor produce hidrogen durabil fără a utiliza resursele de apă dulce sau a contribui la emisiile de carbon.

Produsele sunt vândute în toate regiunile Chinei și exportate în țări din întreaga lume. Au fost vândute în peste 20 de țări și regiuni, inclusiv Statele Unite ale Americii, Germania, Maroc, Kenya, Arabia Saudită, Vietnam, Algeria, India, Tanzania și Taiwan. A furnizat cu succes întreprinderi binecunoscute, cum ar fi China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group și alte întreprinderi binecunoscute. Există multe stații de hidrogen hidrogen verde, cum ar fi Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming, etc. oferă proiecte ecologice și de producere a hidrogenului.