Tengervíz hidrogén

A TUDÓSOK olyan rendszert fejlesztettek ki, amely közvetlenül a tengervízből képes zöld hidrogént előállítani anélkül, hogy bármilyen előkezelési eljárásra, például sótalanításra lenne szükség. Az átmenetifém-oxid katalizátoron egy Lewis-savréteg bevezetését magában foglaló fejlesztés mögött álló csapat szerint a módszer nagy potenciállal rendelkezik a kereskedelmi alkalmazásban.

A Föld felszínén található víz több mint 97%-a sós víz az óceánokban, 2%-a édesvízként raktározódik jégsapkákban, gleccserekben és hófödte hegyláncokban, és mindössze 1%-a áll rendelkezésre napi vízellátásunkra.

 
A sós víz ivóvízzé tehető a sótalanításnak nevezett eljárással, amely technikára a világ egyes területein támaszkodnak emberi fogyasztásra, valamint háztartási és ipari felhasználásra szánt édesvíz előállítására. A sótalanítás azonban energiaigényes folyamat, és ami még rosszabb, gyakran nem fenntartható energiaforrásokból táplálkozik.

A víz alkotórészekre osztása szintén jól érthető. Az elektrolízis néven ismert folyamat során két elektrolitba merített elektród közötti egyenáramot használnak, hogy a vizet hidrogénre és oxigénre hassák fel. A katódon vagy negatív elektródán hidrogén, a pozitív elektródán vagy anódon oxigén képződik.

Mivel a gázok keveréke felrobbanhat, a legtöbb elektrolizátor vastag, porózus műanyag lappal választja el az anódot és a katódot, és fémkatalizátorokat, például nikkelt és vasat használnak a reakciók felgyorsítására.

A két folyamat összekapcsolását, nevezetesen a tengervíz sótalanítását, majd felosztását hidrogén előállításához régóta az egyik legjobb megoldásként emlegették a tiszta és megfizethető energiaforrások biztosítására, amely viszont mindent elláthat, a városok elektromos áramától a termelésig. acél, műtrágya gyártása, sőt repülőgépek üzemanyagaként is – a lehetséges felhasználások listája hosszú.

Azonban az egyik ok, amiért még nem használunk hidrogén üzemanyagot a világ körüli repüléshez, az az, hogy a sós víz és más szennyeződések korrodálják az elektródákat, lerövidítve azok élettartamát. Mivel ezek az alkatrészek jellemzően ritka fémekből, például platinából készülnek, túl sokba kerül a folyamatos cseréjük. A tengervízben lévő kloridionok szintén problémát jelentenek, és az elektrolízis során a klór elektrooxidációs reakciói (ClOR) versengenek az anód oxigénfejlődési reakciójával (OER). Ez a reakció mérgező és maró hatású klórfajták, például hipoklorit felszabadulását eredményezi. A hipoklorit viszonylag instabil, ammóniával vagy savval keverve mérgező klórgázt bocsáthat ki, és a rozsdamentes acélt is felemészti.

Ennek megkerülésére a tengervizet a feldolgozás előtt sótalanítani és tisztítani lehetne, de ez sem mindig anyagilag megtérülő. Egy másik lehetőség az elektródák polianionokkal való bevonása a korrózió elnyomására, de ez is költséges lehet.

Kevés klímamegoldás létezik hátrányok nélkül. A „zöld” hidrogén, amelyet megújuló energia felhasználásával állítanak elő a vízmolekulák felosztására, meghajthatja a nehézgépjárműveket, és szén-dioxid-szag nélkül dekarbonizálhatja az olyan iparágakat, mint az acélgyártás. De mivel a vízosztó gépeket vagy elektrolizátorokat úgy tervezték, hogy tiszta vízzel működjenek, a zöld hidrogén mennyiségének növelése súlyosbíthatja a globális édesvízhiányt. Most több kutatócsoport számol be a hidrogén közvetlen tengervízből történő előállításában elért eredményekről, amely a zöld hidrogén kimeríthetetlen forrásává válhat.

Manapság szinte az összes hidrogént metán lebontásával, fosszilis tüzelőanyagok elégetésével állítják elő a szükséges hő és nyomás előállítása érdekében. Mindkét lépésben szén-dioxid szabadul fel. A zöld hidrogén helyettesítheti ezt a piszkos hidrogént, de jelenleg több mint kétszer annyiba kerül, nagyjából 5 dollárba kilogrammonként. Ez részben az elektrolizátorok magas költségének köszönhető, amelyek nemesfémekből készült katalizátorokra támaszkodnak. Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma a közelmúltban egy évtizedes erőfeszítést indított az elektrolizátorok fejlesztésére és a zöld hidrogén kilogrammonkénti 1 dollárra csökkentésére.

Ha sikerrel járnak, és a zöld hidrogéntermelés az egekbe szökik, nyomás nehezedhet a világ édesvízkészletére. 1 kilogramm hidrogén előállításához elektrolízissel körülbelül 10 kilogramm vízre van szükség. A Nemzetközi Megújuló Energia Ügynökség szerint a teherautók és a kulcsfontosságú iparágak zöld hidrogénnel működtetéséhez évente nagyjából 25 milliárd köbméter édesvízre lenne szükség, ami egy 62 millió lakosú ország vízfogyasztásának felel meg.

A tengervíz szinte határtalan, de felhasadásának megvannak a maga problémái. Az elektrolizátorok az akkumulátorokhoz hasonlóan épülnek fel, egy pár elektródával, amelyeket vizes elektrolit vesz körül. Az egyik terv szerint a katódon lévő katalizátorok a vízmolekulákat hidrogén- (H+) és hidroxil- (OH-) ionokra hasítják. A katódnál a felesleges elektronok hidrogénionpárokat varrnak hidrogéngázzá (H2), amely kibuborékol a vízből. Az OH-ionok eközben az elektródák közötti membránon keresztül eljutnak az anódhoz, ahol a katalizátorok az oxigént oxigéngázzá (O2) kötik, amely felszabadul.

Tengervíz használatakor azonban ugyanaz az elektromos rázkódás, amely az anódon O2-t generál, a sós vízben lévő kloridionokat is erősen korrozív klórgázzá alakítja, amely felemészti az elektródákat és a katalizátorokat. Ez általában azt okozza, hogy az elektrolizátorok néhány órán belül meghibásodnak, amikor normálisan évekig működnek.

A hidrogén sokoldalú vegyszer, amelyet számos termék előállításához használnak, beleértve a műtrágyákat is. A hidrogén az üzemanyagcellás technológia kulcsfontosságú eleme is, amely a megújuló, de időszakos energiaforrások, például a nap és a szél által termelt villamos energiát hasznosítja. A világszerte előállított hidrogén nagy része olyan folyamatból származik, amelyben a metán hőnek és gőznek van kitéve, és így hidrogén keletkezik.

A hidrogént víz elektrolízisével is elő lehet állítani, amely elektromosságot használ fel a vízmolekulák hidrogénre és oxigénre történő felosztására, amelyet megújuló forrásokból, például nap- és szélenergiából táplálnak. De van egy fogás. Az elektrolízishez nagyon tiszta, ionmentesített vízre van szükség, ami azt jelenti, hogy először el kell távolítani az összes szennyeződést, ásványi anyagot és elektronikusan töltött részecskét. A hagyományos víztisztítási eljárások költséges berendezéseket igényelnek, és energiaveszteséggel járhatnak.

A Johns Hopkins Egyetem Környezet-egészségügyi és Mérnöki Tanszékének kutatói a Penn State University-vel együttműködve megtalálták a módját, hogy a tengervizet közvetlen hidrogénforrásként használják úgy, hogy nincs szükség előzetes sótalanításra. Eredményeik az Environmental Science & Technology szaklapban jelennek meg.

"Azt találtuk, hogy a sós víz tisztítására használt vékonyrétegű kompozit membránokat vízelektrolizátorokban használhatjuk, a vizet hidrogéngázra és oxigénre osztva, miközben elkerüljük a káros klórgáz képződését, ami más membrántípusoknál előfordul."
Rossi és munkatársai tanulmányukban vékonyréteg kompozit membránokat teszteltek közvetlenül az elektrolizátorban – egy olyan eszközben, amely elektromosságot használ fel a víz hidrogénre és oxigénre történő felosztására, ami egyetlen lépésben valósítja meg a víztisztítást és a hidrogéntermelést. Azt találták, hogy az anyag porózus mikrostruktúrája csak kisméretű protonokat és hidroxidionokat engedett át a membránon keresztül vándorolni, és kiutasította a szennyeződéseket és más ionokat, amelyek nemkívánatos reakciókat válthatnak ki. A kutatók azt mondják, hogy ez az új megközelítés helyettesítheti a hagyományos rendszereket, ahol drága ioncserélő membránokat használnak ultratiszta vízzel kombinálva.

"Az olcsó vízsótalanító membránok alternatívát jelenthetnek a drágább polimer alapú membránokkal szemben, és felhasználhatók alacsony minőségű vízforrásokból, például tengervízből származó hidrogén előállítására" - mondta Rossi. "Az eredmény egy hatékony hidrogén-előállítási folyamat megújuló energiaforrásokból, amely szükségtelenné teszi a víztisztítást."

Megjegyezte, hogy a tengervíz nagy sótartalma miatt kihívást jelent elektrolizátorokban. Azonban bőséges és elérhető olyan helyeken, mint például a tengerparti területeken, ahol megújuló villamos energia, például nap- és szélenergia termelhető, de ahol kevés az édesvíz elérhetősége. Ilyen helyeken más alacsony minőségű vízforrásokat, például szennyvizet is fel lehetne használni a tengervíz helyett ebben a folyamatban.

Az Egyesült Államok Nemzeti Tudományos Alapítványa által finanszírozott csapat víztisztítási technológiát integrált a tengervíz-elektrolizátor új, próféta koncepciójába, amely elektromos áramot használ a vízmolekulákban lévő hidrogén és oxigén szétválasztására.

Bruce Logan környezetvédelmi mérnök szerint ez az új „tengervíz-hasítási módszer” megkönnyítheti a szél- és a napenergia tárolható és hordozható tüzelőanyaggá alakítását.

"A hidrogén nagyszerű üzemanyag, de elő kell készíteni" - mondta Logan. "Ennek egyetlen fenntartható módja a megújuló energia felhasználása és vízből történő előállítása. Olyan vizet is kell használni, amelyet az emberek nem akarnak más célokra használni, és ez a tengervíz lenne. Tehát a hidrogén előállításának szent grálja a tengervíz, valamint a part menti és tengeri környezetben található szél- és napenergia kombinálása lenne."

A rengeteg tengervíz ellenére nem gyakran használják vízfelosztásra. Hacsak a vizet nem sótalanítják az elektrolizátorba való belépés előtt, ami egy drága extra lépés, a tengervízben lévő kloridionok mérgező klórgázzá alakulnak, ami tönkreteszi a berendezést és beszivárog a környezetbe.

Ennek megakadályozására a kutatók egy vékony, félig áteresztő membránt helyeztek be, amelyet eredetileg a fordított ozmózisos kezelési eljárás során a víz tisztítására fejlesztettek ki. A fordított ozmózis membrán váltotta fel az elektrolizátorokban általánosan használt ioncserélő membránt.
"A fordított ozmózis mögött az az ötlet, hogy nagyon nagy nyomást gyakorol a vízre, és átnyomja a membránon, és visszatartja a kloridionokat" - mondta Logan.

Az Energy & Environmental Science folyóiratban publikált kísérletsorozat során a kutatók két kereskedelmi forgalomban kapható fordított ozmózisú membránt és két kationcserélő membránt teszteltek, egyfajta ioncserélő membránt, amely lehetővé teszi az összes pozitív töltésű ion mozgását a rendszerben.

A tiszta energia világszerte kiemelt prioritást élvez az országok számára. Míg a hagyományos energia fosszilis tüzelőanyagokra, például szénre, földgázra és olajra támaszkodik, a tiszta energia különféle formákban érhető el, például napenergia, szél, geotermikus, vízenergia és biomassza.

A hidrogén is vezető energiatárolási lehetőség a megújuló energiaforrások számára, és segíthet csökkenteni a szén-dioxid-kibocsátás magas szintjét.
A jelenlegi kutatások azt sugallják, hogy a sósvízi elektrolízis – a víz oxigénre és hidrogénre történő felosztása – életképes megoldást jelent az édesvízi elektrolízis közös kihívásaira. A tengervíz elektrolízise fenntartható hidrogént állíthat elő anélkül, hogy súlyosbítaná a globális édesvízhiányt.

Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának Alternatív Üzemanyag Adatközpontja szerint a tiszta hidrogén bőségesen előforduló elem a Földön, amely nagy ígéretet mutat a tiszta, fenntartható és megújuló energiára való átállás támogatásában.

A hidrogén előállítása után az üzemanyagcellában villamos energiát termelhet, és csak vízgőzt és meleg levegőt bocsát ki. Mivel a hidrogén nem bocsát ki üvegházhatású gázokat, nitrogén-oxidokat, szénhidrogéneket vagy egyéb részecskéket, nincs negatív hatással a környezetre.
A hidrogénnek más előnyei is vannak, amelyek elősegítik a tiszta energiagazdaság megteremtését. Ez egy optimális energiamegoldás a jellemzően kihívást jelentő területeken a szén-dioxid-mentesítés szempontjából. Növeli a modern villamosenergia-hálózat megbízhatóságát és rugalmasságát. Javíthatja a közegészségügyet és a környezet állapotát is.

Emellett növelheti a foglalkoztatási lehetőségek számát és az energiabiztonságot a globális iparágakban. Segíthet a közlekedési ágazatnak fenntarthatóbbá válni, és támogathatja az elektromos járművekre való átállást. És hozzájárulhat a bevételek növekedéséhez és erősítheti a világgazdaságot.

A zöld hidrogén előállításával kapcsolatos költségek növelésének egyik kihívása az, hogy az elektrolizátorokhoz ultratiszta vízre van szükség. Ez megnehezíti a hagyományos sósvíz elektrolízist, mivel sok vízforrás tele van szennyeződésekkel.
Bár az EPA szigorú követelményeket ír elő a vízre az ólom, klór és baktériumok jelenléte miatt, ez nem feltétlenül jelenti azt, hogy minden víz mentes a szennyeződésektől.

Tengervíz elektrolízis
A tengervíz elektrolízis kutatása a 19. század elején jelent meg. Bár a tudósok haladást értek el a hidrogéntermelés terén, soha nem nyert vontatást, és nem vált életképes energiamegoldássá. A 20. században a hidrogént többnyire földgázból vonták ki, és autók, buszok, légijárművek és rakéták meghajtására használták.

Bár ennek a hidrogénnek a felhasználása megvalósítható volt, előállítása energiaigényes volt, és hozzájárult a szén-dioxid-kibocsátáshoz, ami az éghajlatváltozás egyik fő oka. Ezenkívül egyes városok a települési szilárd hulladékot hidrogén üzemanyagcellás technológiával szűrik, amely hidrogént termel, és megakadályozza a hulladékból származó szennyeződést a helyi vízellátásban.

Különböző kutatók és tudósok tengervíz elektrolízist használó fejlett technológiákat fejlesztenek ki, hogy elkerüljék ezeket a kihívásokat. Ha ezek a technológiák megfelelően működnek, fenntartható hidrogént fognak termelni anélkül, hogy édesvízforrásokat használnának fel, vagy hozzájárulnának a szén-dioxid-kibocsátáshoz.

A termékeket Kína minden régiójában értékesítik, és a világ országaiba exportálják. Több mint 20 országban és régióban értékesítették őket, köztük az Egyesült Államokban, Németországban, Marokkóban, Kenyában, Szaúd-Arábiában, Vietnamban, Algériában, Indiában, Tanzániában és Tajvanon. Sikeresen biztosítottak olyan jól ismert vállalatokat, mint a China Aerospace, a PetroChina, a China Nuclear Group, a BYD, a Jiuli Specialty, a Tony Electronics, a Zheng Energy Group és más jól ismert vállalkozások. Számos zöld hidrogén-hidrogén-hidrogénező állomás létezik, mint például Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming stb.