Jūros vandens vandenilis

MOKSLININKAI sukūrė sistemą, kuri gali gaminti žaliąjį vandenilį tiesiai iš jūros vandens, nereikalaujant jokių išankstinio apdorojimo procesų, pavyzdžiui, gėlinimo. Kūrimo, apimančio Lewiso rūgšties sluoksnio įvedimą ant pereinamojo metalo oksido katalizatoriaus, komanda teigia, kad šis metodas rodo didelį komercinio pritaikymo potencialą.

Daugiau nei 97% Žemės paviršiaus vandens yra sūrus vanduo vandenynuose, 2% yra saugomi kaip gėlas vanduo ledo kepurėse, ledynuose ir snieguotose kalnų grandinėse, o tik 1% yra mūsų kasdieniams vandens tiekimo poreikiams.

 
Druskingas vanduo gali būti paverčiamas geriamuoju vandeniu, naudojant procesą, vadinamą gėlinimu. Tai metodas, kuriuo kai kuriose pasaulio vietose gaminamas gėlas vanduo, skirtas žmonėms vartoti ir naudoti buityje bei pramonėje. Tačiau gėlinimas yra daug energijos reikalaujantis procesas, o dar blogiau, kad jį dažnai maitina netvarūs energijos šaltiniai.

Taip pat gerai suprantamas vandens padalijimas į jo sudedamąsias dalis. Procesas, žinomas kaip elektrolizė, naudoja nuolatinę srovę tarp dviejų elektrodų, panardintų į elektrolitą, kad vanduo padalijamas į vandenilį ir deguonį. Prie katodo arba neigiamo elektrodo susidaro vandenilis, o prie teigiamo elektrodo arba anodo – deguonis.

Kadangi dujų mišinys gali sprogti, dauguma elektrolizatorių anodą ir katodą atskiria storu, porėtu plastiko lakštu, o reakcijoms paspartinti naudojami metaliniai katalizatoriai, tokie kaip nikelis ir geležis.

Abiejų šių procesų sujungimas, būtent jūros vandens gėlinimas, o paskui jo padalijimas, kad būtų sukurtas vandenilis, jau seniai buvo vertinamas kaip vienas geriausių sprendimų tiekti švarų ir įperkamą kurą energijai, kuris savo ruožtu galėtų tiekti energiją nuo miesto elektros iki gamybos. plieno, trąšų gamyboje ir netgi kaip degalai lėktuvams – galimų naudojimo būdų sąrašas ilgas.

Tačiau viena iš priežasčių, kodėl mes dar nenaudojame vandenilio kuro skraidydami aplink pasaulį, yra ta, kad sūrus vanduo ir kitos priemaišos korozuoja elektrodus ir sutrumpina jų tarnavimo laiką. Kadangi šie komponentai paprastai gaminami iš retų metalų, tokių kaip platina, jų keitimas kainuoja per daug. Chlorido jonai jūros vandenyje taip pat yra problema, o chloro elektrooksidacijos reakcijos (ClOR) elektrolizės metu konkuruoja su deguonies išsiskyrimo reakcija (OER) ant anodo. Dėl šios reakcijos išsiskiria toksiškos ir ėsdinančios chloro rūšys, tokios kaip hipochloritas. Hipochloritas yra gana nestabilus, jis gali išskirti toksiškas chloro dujas, kai sumaišomas su amoniaku ar rūgštimi, taip pat gali sunaikinti nerūdijantį plieną.

Kad tai būtų išvengta, prieš apdorojant jūros vandenį galima jį nudruskinti ir išvalyti, tačiau tai ne visada yra finansiškai perspektyvu. Kita galimybė yra padengti elektrodus polianionais, kad būtų išvengta korozijos, tačiau tai taip pat gali būti brangu.

Nedaug klimato sprendimų yra be trūkumų. „Žaliasis“ vandenilis, pagamintas naudojant atsinaujinančią energiją vandens molekulėms skaidyti, galėtų varyti sunkiasvores transporto priemones ir dekarbonizuoti tokias pramonės šakas kaip plieno gamyba, neišskirdamas anglies dioksido dvelksmo. Tačiau kadangi vandens dalijimo mašinos arba elektrolizatoriai yra skirti dirbti su grynu vandeniu, žaliojo vandenilio kiekio padidinimas gali padidinti pasaulinį gėlo vandens trūkumą. Dabar kelios tyrimų grupės praneša apie pažangą gaminant vandenilį tiesiai iš jūros vandens, kuris gali tapti neišsenkančiu žaliojo vandenilio šaltiniu.

Šiandien beveik visas vandenilis gaminamas skaidant metaną, deginant iškastinį kurą, kad būtų sukurta reikiama šiluma ir slėgis. Abu etapai išskiria anglies dioksidą. Žalias vandenilis galėtų pakeisti šį nešvarų vandenilį, tačiau šiuo metu jis kainuoja daugiau nei dvigubai daugiau, maždaug 5 USD už kilogramą. Taip yra iš dalies dėl didelių elektrolizatorių, kurie priklauso nuo katalizatorių, pagamintų iš tauriųjų metalų, kainos. JAV Energetikos departamentas neseniai pradėjo dešimtmetį trukusias pastangas tobulinti elektrolizatorius ir sumažinti žaliojo vandenilio kainą iki 1 USD už kilogramą.

Jei jiems pasiseks ir žaliojo vandenilio gamyba sparčiai padidės, spaudimas gali didėti dėl pasaulio gėlo vandens atsargų. Norint pagaminti 1 kilogramą vandenilio elektrolizės būdu, reikia apie 10 kilogramų vandens. Tarptautinės atsinaujinančios energijos agentūros duomenimis, sunkvežimiams ir pagrindinėms pramonės šakoms, naudojančioms ekologišką vandenilį, gali prireikti maždaug 25 milijardų kubinių metrų gėlo vandens per metus, o tai prilygtų šalies, kurioje gyvena 62 milijonai žmonių, vandens suvartojimui.

Jūros vanduo yra beveik neribotas, tačiau jo padalijimas turi savo problemų. Elektrolizatoriai gaminami panašiai kaip baterijos, su pora elektrodų, apsuptų vandeningo elektrolito. Vienoje konstrukcijoje katalizatoriai prie katodo padalija vandens molekules į vandenilio (H+) ir hidroksilo (OH-) jonus. Elektronų perteklius prie katodo sujungia vandenilio jonų poras į vandenilio dujas (H2), kurios burbuliuoja iš vandens. Tuo tarpu OH-jonai keliauja per membraną tarp elektrodų, kad pasiektų anodą, kur katalizatoriai sujungia deguonį į deguonies dujas (O2), kurios išsiskiria.

Tačiau, kai naudojamas jūros vanduo, tas pats elektrinis smūgis, kuris generuoja O2 prie anodo, taip pat paverčia sūriame vandenyje esančius chlorido jonus į labai ėsdinančias chloro dujas, kurios suryja elektrodus ir katalizatorius. Dėl to elektrolizatoriai paprastai sugenda per kelias valandas, kai jie paprastai gali veikti metus.

Vandenilis yra universali cheminė medžiaga, naudojama daugelio produktų, įskaitant trąšas, gamybai. Vandenilis taip pat yra pagrindinė kuro elementų technologijos sudedamoji dalis, kuri panaudoja elektros energiją, pagamintą iš atsinaujinančių, bet su pertrūkiais energijos šaltinių, pavyzdžiui, saulės ir vėjo. Didžioji dalis pasaulyje pagaminamo vandenilio gaunama proceso metu, kai metanas veikiamas šilumos ir garų, kad būtų gautas vandenilis.

Vandenilis taip pat gali būti gaminamas iš vandens elektrolizės, kuri naudoja elektros energiją vandens molekulėms padalyti į vandenilį ir deguonį, maitinamą iš atsinaujinančių šaltinių, tokių kaip saulė ir vėjas. Bet yra laimikis. Elektrolizei reikia labai švaraus vandens, kuris buvo dejonizuotas, tai reiškia, kad pirmiausia reikia pašalinti visas priemaišas, mineralus ir elektroniniu būdu įkrautas daleles. Įprasti vandens valymo procesai reikalauja brangios įrangos ir gali sukelti energijos nuostolius.

Johnso Hopkinso universiteto Aplinkos sveikatos ir inžinerijos katedros tyrėjai, bendradarbiaudami su Penn State universitetu, rado būdą, kaip naudoti jūros vandenį kaip tiesioginį vandenilio šaltinį, nereikalaujant išankstinio gėlinimo. Jų rezultatai pateikiami Aplinkos moksle ir technologijose.

"Mes nustatėme, kad vandens elektrolizatoriuose galime naudoti plonasluoksnes kompozicines membranas, kurios naudojamos sūraus vandens valymui, padalijant vandenį į vandenilio dujas ir deguonį, vengiant kenksmingų chloro dujų susidarymo, o tai atsitinka su kitais membranų tipais."
Savo tyrime Rossi ir jo kolegos išbandė plonasluoksnes kompozicines membranas tiesiai elektrolizatoriuje – įrenginyje, kuris naudoja elektrą vandeniui padalyti į vandenilį ir deguonį, o tai vienu žingsniu atlieka ir vandens valymą, ir vandenilio gamybą. Jie nustatė, kad medžiagos porėta mikrostruktūra leido tik mažiems protonams ir hidroksido jonams migruoti per membraną, atmetant priemaišas ir kitus jonus, kurie gali sukelti nepageidaujamas reakcijas. Tyrėjai teigia, kad šis naujas metodas galėtų pakeisti įprastas sistemas, kuriose kartu su itin grynu vandeniu naudojamos brangios jonų mainų membranos.

"Pigios vandens gėlinimo membranos gali būti alternatyva brangesnėms polimerų pagrindu pagamintoms membranoms ir gali būti naudojamos vandenilio gamybai iš žemos kokybės vandens šaltinių, tokių kaip jūros vanduo", - sakė Rossi. „Rezultatas – efektyvus vandenilio gamybos iš atsinaujinančių energijos šaltinių procesas, kuris pašalina vandens valymo poreikį.

Jis pažymėjo, kad jūros vandenį elektrolizatoriuose naudoti sudėtinga dėl didelio druskingumo. Tačiau jo gausu ir galima gauti tokiose vietose kaip pakrantės zonos, kur galima gaminti atsinaujinančią elektros energiją, pvz., saulės ir vėjo energiją, tačiau kur mažai gėlo vandens. Tokiose vietose šiame procese vietoj jūros vandens gali būti naudojami kiti žemos kokybės vandens šaltiniai, pavyzdžiui, nuotekos.

JAV Nacionalinio mokslo fondo finansuojama komanda integravo vandens valymo technologiją į naują jūros vandens elektrolizatoriaus koncepcijos įrodymą, kuris naudoja elektros srovę, kad atskirtų vandenilį ir deguonį vandens molekulėse.

Pasak aplinkos inžinieriaus Bruce'o Logano, šis naujas „jūros vandens padalijimo“ metodas gali padėti lengviau paversti vėjo ir saulės energiją kaupiamu ir nešiojamu kuru.

„Vandenilis yra puikus kuras, bet jūs turite jį pasigaminti“, - sakė Loganas. "Vienintelis tvarus būdas tai padaryti yra naudoti atsinaujinančią energiją ir gaminti ją iš vandens. Taip pat reikia naudoti vandenį, kurio žmonės nenori naudoti kitiems dalykams, o tai būtų jūros vanduo. Taigi, vandenilio gamybos šventasis gralis būtų sujungti jūros vandenį ir vėjo bei saulės energiją, esančią pakrantėje ir jūroje.

Nepaisant jūros vandens gausos, jis nėra dažnai naudojamas vandens skaidymui. Jei vanduo nėra gėlinamas prieš patenkant į elektrolizatorių, tai yra brangus papildomas žingsnis, jūros vandenyje esantys chlorido jonai virsta toksiškomis chloro dujomis, kurios suardo įrangą ir prasiskverbia į aplinką.

Norėdami to išvengti, mokslininkai įdėjo ploną, pusiau pralaidžią membraną, iš pradžių sukurtą vandens valymui atvirkštinio osmoso apdorojimo procese. Atvirkštinio osmoso membrana pakeitė jonų mainų membraną, dažniausiai naudojamą elektrolizatoriuose.
„Atvirkštinio osmoso idėja yra ta, kad jūs darote tikrai didelį slėgį vandeniui ir stumiate jį per membraną ir laikote chloro jonus“, - sakė Loganas.

Atlikdami daugybę eksperimentų, paskelbtų žurnale Energy & Environmental Science, mokslininkai išbandė dvi komerciškai prieinamas atvirkštinio osmoso membranas ir dvi katijonų mainų membranas – jonų mainų membranų tipą, leidžiantį judėti visiems teigiamai įkrautiems jonams sistemoje.

Švari energija yra pagrindinis pasaulio šalių prioritetas. Nors įprastinė energija priklauso nuo iškastinio kuro, pvz., anglies, gamtinių dujų ir naftos, švari energija yra įvairių formų, pavyzdžiui, saulės, vėjo, geoterminės, hidroelektrinės ir biomasės.

Vandenilis taip pat yra pirmaujanti atsinaujinančių energijos šaltinių energijos kaupimo galimybė ir gali padėti sumažinti didelį anglies dvideginio išmetimą.
Dabartiniai tyrimai rodo, kad sūraus vandens elektrolizė – vandens padalijimo į deguonį ir vandenilį procesas – yra perspektyvus bendrų gėlo vandens elektrolizės iššūkių sprendimas. Jūros vandens elektrolizė galėtų gaminti tvarų vandenilį nepadidindama pasaulinio gėlo vandens trūkumo.

Pasak Jungtinių Valstijų Energetikos departamento alternatyvaus kuro duomenų centro, grynas vandenilis yra gausus elementas Žemėje, kuris rodo didelį pažadą remti perėjimą prie švarios, tvarios ir atsinaujinančios energijos.

Pasigaminus vandenilį, jis gali generuoti elektrą kuro elemente ir išskiria tik vandens garus ir šiltą orą. Kadangi vandenilis neišskiria šiltnamio efektą sukeliančių dujų, azoto oksidų, angliavandenilių ar kitų kietųjų dalelių, jis nedaro neigiamo poveikio aplinkai.
Vandenilis turi ir kitų privalumų, kurie padės sukurti švarios energijos ekonomiką. Tai optimalus energijos sprendimas tose srityse, kuriose paprastai sudėtinga dekarbonizuoti. Tai padidina šiuolaikinio elektros tinklo patikimumą ir atsparumą. Tai taip pat gali pagerinti visuomenės sveikatą ir aplinkos būklę.

Be to, tai gali padidinti užimtumo galimybių skaičių ir energetinį saugumą pasaulio pramonės šakose. Tai gali padėti transporto pramonei tapti tvaresne ir padėti pereiti prie elektrinių transporto priemonių (EV). Ir tai gali prisidėti prie pajamų padidėjimo ir sustiprinti pasaulio ekonomiką.

Vienas iš iššūkių, didinančių išlaidas, susijusias su žaliojo vandenilio gamyba, yra tai, kad elektrolizatoriams reikia ypač gryno vandens. Tai apsunkina tradicinę sūraus vandens elektrolizę, nes daugelis vandens šaltinių yra užpildyti teršalais.
Nors EPA kelia griežtus reikalavimus vandeniui dėl švino, chloro ir bakterijų, tai nebūtinai reiškia, kad visame vandenyje nėra teršalų.

Jūros vandens elektrolizė
Jūros vandens elektrolizės tyrimai atsirado XIX amžiaus pradžioje. Nors mokslininkai padarė pažangą vandenilio gamyboje, jis niekada neįgijo traukos ir netapo perspektyviu energijos sprendimu. XX amžiuje vandenilis daugiausia buvo išgaunamas iš gamtinių dujų ir naudojamas automobiliams, autobusams, skraidyklėms ir raketoms varyti.

Nors naudoti šį vandenilį buvo įmanoma, jo gamyba sunaudojo daug energijos ir prisidėjo prie anglies išmetimo – vienos iš pagrindinių klimato kaitos priežasčių. Be to, kai kuriuose miestuose komunalinės kietosios atliekos filtruojamos naudojant vandenilio kuro elementų technologiją, kuri gamina vandenilį ir apsaugo nuo atliekų susidarančio užteršimo vietiniuose vandens tiekimuose.

Įvairūs tyrėjai ir mokslininkai kuria pažangias technologijas, naudodami jūros vandens elektrolizę, kad išvengtų šių iššūkių. Jei šios technologijos veiks tinkamai, jos gamins tvarų vandenilį nenaudodamos gėlo vandens išteklių ir nedidindamos anglies dvideginio išmetimo.

Produktai parduodami visuose Kinijos regionuose ir eksportuojami į viso pasaulio šalis. Jie parduodami daugiau nei 20 šalių ir regionų, įskaitant JAV, Vokietiją, Maroką, Keniją, Saudo Arabiją, Vietnamą, Alžyrą, Indiją, Tanzaniją ir Taivaną. Sėkmingai teikiamos gerai žinomos įmonės, tokios kaip „China Aerospace“, „PetroChina“, „China Nuclear Group“, BYD, „Jiuli Specialty“, „Tony Electronics“, „Zheng Energy Group“ ir kitos gerai žinomos įmonės. Yra daug žaliųjų vandenilio ir vandenilio hidrinimo stočių, tokių kaip Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming ir kt., teikia ekologiškus ir vandenilio gamybos projektus.