Водоник морске воде

НАУЧНИЦИ су развили систем који може произвести зелени водоник директно из морске воде без потребе за било каквим процесима претходног третмана као што је десалинизација. Тим који стоји иза развоја, који укључује увођење слоја Левисове киселине на катализатор оксида прелазног метала, каже да метода показује велики потенцијал за комерцијалну примену.

Преко 97% воде на Земљиној површини је слана вода у океанима, 2% се складишти као слатка вода у леденим капама, глечерима и планинским венцима прекривеним снегом, а само 1% је доступно за наше дневне потребе за водом.

 
Слана вода се може претворити у воду за пиће кроз процес који се зове десалинизација, техника на коју се неке области широм света ослањају за производњу слатке воде за људску потрошњу и за кућну и индустријску употребу. Али десалинизација је процес који захтева енергију, а што је још горе, често га напајају извори енергије који су неодрживи.

Подела воде на њене саставне делове се такође добро разуме. Процес - познат као електролиза - користи једносмерну струју између две електроде уроњене у електролит да подели воду на водоник и кисеоник. Водоник се формира на катоди, или негативној електроди, а кисеоник на позитивној електроди, или аноди.

Пошто мешавина гасова може експлодирати, већина електролизера одваја аноду и катоду дебелом, порозном пластичном фолијом, а метални катализатори као што су никл и гвожђе се користе за убрзавање реакција.

Спајање оба ова процеса, односно десалинизација морске воде, а затим њено раздвајање да би се створио водоник, дуго је хваљено као једно од најбољих решења за обезбеђивање чистог и приступачног горива за енергију, што би заузврат могло да напаја све, од градске струје до производње челика, за производњу ђубрива, па чак и као гориво за авионе – листа потенцијалних употреба је дуга.

Међутим, један од разлога зашто већ не користимо водонично гориво за летење око света је тај што слана вода и друге нечистоће кородирају електроде, скраћујући њихов животни век. Пошто су те компоненте обично направљене од ретких метала као што је платина, кошта превише да их се стално мења. Хлоридни јони у морској води такође представљају проблем и реакције електрооксидације хлора (ЦлОР) се такмиче са реакцијом еволуције кисеоника (ОЕР) на аноди током електролизе. Ова реакција доводи до ослобађања токсичних и корозивних врста хлора као што је хипохлорит. Хипохлорит је релативно нестабилан, може да ослободи отровни гасни хлор када се помеша са амонијаком или киселином, а такође може да изједе нерђајући челик.

Да би се ово заобишло, морска вода би се могла десалинизирати и пречистити прије обраде, али ни то није увијек финансијски одрживо. Друга опција је облагање електрода полианионима да би се сузбила корозија, али и ово може бити скупо.

Мало климатских решења долази без недостатака. „Зелени“ водоник, направљен коришћењем обновљиве енергије за цепање молекула воде, могао би да покреће тешка возила и декарбонизује индустрије као што је производња челика, а да при том не избаци ни дашак угљен-диоксида. Али пошто су машине за цепање воде, или електролизатори, дизајнирани да раде са чистом водом, повећање зеленог водоника могло би погоршати глобалну несташицу слатке воде. Сада неколико истраживачких тимова извештава о напретку у производњи водоника директно из морске воде, која би могла да постане неисцрпни извор зеленог водоника.

Данас се скоро сав водоник производи разбијањем метана, сагоревањем фосилних горива да би се произвела потребна топлота и притисак. Оба корака ослобађају угљен-диоксид. Зелени водоник би могао да замени овај прљави водоник, али тренутно кошта више него двоструко више, отприлике 5 долара по килограму. То је делимично због високе цене електролизера, који се ослањају на катализаторе направљене од племенитих метала. Америчко министарство енергетике је недавно покренуло деценијски напор да побољша електролизере и смањи цену зеленог водоника на 1 долар по килограму.

Ако успеју и производња зеленог водоника нагло порасте, притисак би могао да се повећа на светске залихе слатке воде. За генерисање 1 килограма водоника електролизом потребно је око 10 килограма воде. Према Међународној агенцији за обновљиву енергију, за рад камиона и кључних индустрија на зеленом водонику могло би бити потребно око 25 милијарди кубних метара свеже воде годишње, што је еквивалентно потрошњи воде у земљи са 62 милиона људи.

Морска вода је скоро неограничена, али њено раздвајање долази са својим проблемима. Електролизатори су направљени слично као батерије, са паром електрода окруженим воденим електролитом. У једном дизајну, катализатори на катоди деле молекуле воде на водоник (Х+) и хидроксил (ОХ-) јоне. Вишак електрона на катоди спаја парове водоничних јона у гас водоник (Х2), који излази из воде. У међувремену, јони ОХ- путују кроз мембрану између електрода да би стигли до аноде, где катализатори спајају кисеоник у гас кисеоника (О2) који се ослобађа.

Међутим, када се користи морска вода, исти електрични удар који генерише О2 на аноди такође претвара хлоридне јоне у сланој води у веома корозивни гас хлора, који разједа електроде и катализаторе. Ово обично узрокује квар електролизера за само неколико сати када нормално могу да раде годинама.

Водоник је свестрана хемикалија која се користи за производњу многих производа, укључујући и ђубрива. Водоник је такође кључна компонента технологије горивних ћелија, која користи електричну енергију произведену из обновљивих, али испрекиданих извора енергије попут сунца и ветра. Већина водоника који се производи широм света потиче из процеса у коме се метан излаже топлоти и пари да би се добио водоник.

Водоник се такође може произвести електролизом воде, која користи електричну енергију за цепање молекула воде на водоник и кисеоник који се напајају из обновљивих извора попут сунца и ветра. Али постоји квака. За електролизу је потребна веома чиста вода која је дејонизована, што значи да се све нечистоће, минерали и електронски наелектрисане честице прво морају уклонити. Конвенционални процеси пречишћавања воде захтевају скупу опрему и могу довести до губитка енергије.

Истраживачи на Одељењу за здравље и инжењерство Универзитета Џон Хопкинс, у сарадњи са Пенн Стате Университи, пронашли су начин да користе морску воду као директан извор водоника, без потребе за прелиминарним десалинизацијом. Њихови резултати се појављују у Енвиронментал Сциенце & Тецхнологи.

„Открили смо да можемо да користимо танкослојне композитне мембране, које се користе за пречишћавање слане воде, у електролизерима воде, раздвајајући воду на гас водоник и кисеоник, избегавајући притом производњу штетног гаса хлора, што се дешава са другим типовима мембрана.
У својој студији, Роси и колеге су тестирали танкослојне композитне мембране директно у електролизеру - уређају који користи електричну енергију за цепање воде на водоник и кисеоник - постижући у једном кораку и пречишћавање воде и производњу водоника. Открили су да порозна микроструктура материјала дозвољава само малим протонима и хидроксидним јонима да мигрирају кроз мембрану, одбацујући нечистоће и друге јоне који могу изазвати нежељене реакције. Истраживачи кажу да би овај нови приступ могао да замени конвенционалне системе, где се користе скупе мембране за измену јона у комбинацији са ултра чистом водом.

„Јефтине мембране за десалинизацију воде могу бити алтернатива скупљим мембранама на бази полимера и могу се користити за производњу водоника из извора воде ниске квалитете попут морске воде“, рекао је Роси. „Резултат је ефикасан процес производње водоника из обновљивих извора енергије који елиминише потребу за пречишћавањем воде.

Он је приметио да је морску воду тешко користити у електролизерима због њеног високог салинитета. Међутим, има га у изобиљу и доступно је на локацијама као што су приобална подручја, где се може произвести електрична енергија из обновљивих извора попут сунца и ветра, али где постоји мала доступност свеже воде. На таквим локацијама, други извори воде лошег квалитета, као што је отпадна вода, потенцијално би се могли користити уместо морске воде у овом процесу.

Тим који финансира Национална научна фондација САД интегрисао је технологију пречишћавања воде у нови дизајн који је доказао концепт за електролизер морске воде, који користи електричну струју за раздвајање водоника и кисеоника у молекулима воде.

Ова нова метода за "раздвајање морске воде" могла би да олакша претварање енергије ветра и сунца у гориво које се може складиштити и преносиво, каже Бруце Логан, инжењер заштите животне средине.

„Водоник је одлично гориво, али морате да га направите“, рекао је Логан. "Једини одрживи начин да се то уради је коришћење обновљиве енергије и производња је из воде. Такође треба да користите воду коју људи не желе да користе за друге ствари, а то би била морска вода. Дакле, свети грал производње водоника било би комбиновање морске воде и енергије ветра и сунчеве енергије која се налази у приобалним и приобалним окружењима."

Упркос обиљу морске воде, она се обично не користи за цепање воде. Осим ако се вода не десалинизира пре уласка у електролизер, што је скуп додатни корак, јони хлорида у морској води претварају се у отровни гас хлора, који разграђује опрему и улази у околину.

Да би то спречили, истраживачи су убацили танку, полупропусну мембрану, првобитно развијену за пречишћавање воде у процесу третмана реверзном осмозом. Мембрана реверзне осмозе заменила је мембрану за измену јона која се обично користи у електролизерима.
"Идеја која стоји иза реверзне осмозе је да ставите заиста висок притисак на воду и гурнете је кроз мембрану и задржите хлоридне јоне", рекао је Логан.

Кроз серију експеримената објављених у Енерги & Енвиронментал Сциенце, истраживачи су тестирали две комерцијално доступне мембране за реверзну осмозу и две мембране за измјену катјона, тип мембране за измјену јона која омогућава кретање свих позитивно набијених јона у систему.

Чиста енергија је главни приоритет за земље широм света. Док се конвенционална енергија ослања на фосилна горива попут угља, природног гаса и нафте, чиста енергија долази у различитим облицима као што су соларна енергија, ветар, геотермална енергија, хидроелектрична енергија и биомаса.

Водоник је такође водећа опција за складиштење енергије за обновљиве изворе и може помоћи у смањењу високог нивоа емисије угљеника.
Тренутна истраживања сугеришу да је електролиза слане воде – процес раздвајања воде на кисеоник и водоник – одрживо решење за уобичајене изазове електролизе слатке воде. Електролиза морске воде могла би да произведе одржив водоник без погоршања глобалне несташице слатке воде.

Према подацима Центра за алтернативна горива Министарства енергетике Сједињених Држава, чисти водоник је елемент у изобиљу на Земљи који показује велико обећање у подршци преласку на чисту, одрживу и обновљиву енергију.

Након што се произведе водоник, може да генерише електричну енергију у горивој ћелији и емитује само водену пару и топли ваздух. Пошто водоник не ослобађа гасове стаклене баште, оксиде азота, угљоводонике или друге честице, не утиче негативно на животну средину.
Водоник има и друге предности које ће помоћи у стварању економије чисте енергије. То је оптимално енергетско решење у областима које су типично изазовне за декарбонизацију. Повећава поузданост и отпорност модерне електричне мреже. Такође може побољшати јавно здравље и стање животне средине.

Поред тога, може повећати број могућности запошљавања и енергетске сигурности у глобалним индустријама. Може помоћи транспортној индустрији да постане одрживија и подржати прелазак на електрична возила (ЕВ). И може допринети повећању прихода и јачању светске економије.

Један изазов који повећава трошкове повезане са производњом зеленог водоника је тај што електролизери захтевају ултра чисту воду. Ово отежава традиционалну електролизу слане воде јер су многи извори воде испуњени загађивачима.
Иако ЕПА има строге захтеве за воду због присуства олова, хлора и бактерија, то не значи нужно да је сва вода без загађивача.

Електролиза морске воде
Истраживање електролизе морске воде појавило се почетком 19. века. Иако су научници напредовали у производњи водоника, он никада није добио на снази нити је постао одрживо енергетско решење. У 20. веку, водоник се углавном издвајао из природног гаса и користио се за погон аутомобила, аутобуса, дилера и ракета.

Иако је коришћење овог водоника било изводљиво, његова производња је била енергетски интензивна и допринела је емисији угљеника, једном од главних узрока климатских промена. Поред тога, неки градови филтрирају комунални чврсти отпад технологијом водоничних горивних ћелија, која производи водоник и спречава контаминацију отпадом у локалним водоводима.

Разни истраживачи и научници развијају напредне технологије користећи електролизу морске воде како би избегли ове изазове. Ако ове технологије функционишу како треба, производиће одржив водоник без коришћења слатководних ресурса или доприноса емисији угљеника.

Производи се продају у свим регионима Кине и извозе у земље широм света. Продати су у више од 20 земаља и региона укључујући Сједињене Државе, Немачку, Мароко, Кенију, Саудијску Арабију, Вијетнам, Алжир, Индију, Танзанију и Тајван. Успешно обезбеђена позната предузећа као што су Цхина Аероспаце, ПетроЦхина, Цхина Нуцлеар Гроуп, БИД, Јиули Специалти, Тони Елецтроницс, Зхенг Енерги Гроуп и друга позната предузећа. Постоје многе зелене станице за хидрогенизацију водоника као што су Вуланцхабу, Хаикоу, Хаинан, Хаинан Хаикоу, Иуннан Кунминг, итд. пружају пројекте зелене и водоника.