Merevesi Vesinik

TEADLASED on välja töötanud süsteemi, mis suudab toota rohelist vesinikku otse mereveest, ilma et oleks vaja eeltöötlusprotsesse, nagu magestamine. Arendustöö, mis hõlmab Lewise happekihi kasutuselevõttu siirdemetalloksiidkatalüsaatorile, meeskond ütleb, et meetodil on suur potentsiaal kaubanduslikuks kasutamiseks.

Üle 97% Maa pinnal olevast veest on ookeanide soolane vesi, 2% hoitakse mageveena jäämütsides, liustikes ja lumistes mäeahelikes ning vaid 1% on saadaval meie igapäevaste veevarude jaoks.

 
Soolast vett saab muuta joogiveeks protsessi, mida nimetatakse magestamiseks, meetodil, mida mõned piirkonnad üle maailma kasutavad inimtoiduks ning koduseks ja tööstuslikuks kasutamiseks mõeldud magevee tootmisel. Kuid magestamine on energianõudlik protsess ja mis veelgi hullem, kasutatakse sageli energiaallikaid, mis ei ole jätkusuutlikud.

Samuti on hästi mõistetav vee jagamine selle koostisosadeks. Protsess, mida nimetatakse elektrolüüsiks, kasutab alalisvoolu kahe elektrolüüti sukeldatud elektroodi vahel, et jagada vesi vesinikuks ja hapnikuks. Katoodil ehk negatiivsel elektroodil moodustub vesinik ja positiivsel elektroodil ehk anoodil hapnik.

Kuna gaaside segu võib plahvatada, eraldab enamik elektrolüüsijaid anoodi ja katoodi paksu poorse plastlehega ning reaktsioonide kiirendamiseks kasutatakse metallkatalüsaatoreid, nagu nikkel ja raud.

Nende mõlema protsessi ühendamist, nimelt merevee magestamise ja seejärel vesiniku tekitamiseks jagamist, on pikka aega peetud üheks parimaks lahenduseks puhta ja taskukohase energia tootmiseks, mis omakorda võib toita kõike alates linna elektrist kuni tootmiseni. terasest, väetise tootmisel ja isegi lennukikütusena – võimalike kasutusviiside loetelu on pikk.

Üks põhjusi, miks me juba ümber maailma lendamiseks vesinikkütust ei kasuta, on aga see, et soolane vesi ja muud lisandid söövitavad elektroode, lühendades nende eluiga. Kuna need komponendid on tavaliselt valmistatud haruldastest metallidest, näiteks plaatinast, kulub nende asendamine liiga palju. Samuti on probleemiks merevees leiduvad kloriidioonid ja kloori elektrooksüdatsioonireaktsioonid (ClOR) konkureerivad elektrolüüsi ajal anoodil hapniku eraldumise reaktsiooniga (OER). Selle reaktsiooni tulemusena vabanevad mürgised ja söövitavad kloori liigid, nagu hüpoklorit. Hüpoklorit on suhteliselt ebastabiilne, see võib ammoniaagi või happega segamisel eraldada mürgist kloorigaasi ja see võib ka roostevaba terast ära süüa.

Sellest ülesaamiseks võiks merevee enne töötlemist magestada ja puhastada, kuid ka see pole alati rahaliselt tasuv. Teine võimalus on katta elektroodid korrosiooni tõkestamiseks polüanioonidega, kuid ka see võib olla kulukas.

Vähesed kliimalahendused on ilma varjukülgedeta. "Roheline" vesinik, mis on valmistatud taastuvenergia kasutamisest veemolekulide lõhustamiseks, võib toita raskeveokeid ja dekarboniseerida selliseid tööstusharusid nagu terasetootmine ilma süsihappegaasi lõhnata. Kuid kuna veejagamismasinad ehk elektrolüsaatorid on loodud töötama puhta veega, võib rohelise vesiniku suurendamine süvendada ülemaailmset mageveepuudust. Nüüd teatavad mitmed uurimisrühmad edusammudest vesiniku tootmisel otse mereveest, millest võib saada ammendamatu rohelise vesiniku allikas.

Tänapäeval toodetakse peaaegu kogu vesinikku metaani purustamisel, fossiilkütuste põletamisel, et tekitada vajalikku soojust ja rõhku. Mõlemad etapid vabastavad süsinikdioksiidi. Roheline vesinik võiks selle määrdunud vesiniku asendada, kuid praegu maksab see rohkem kui kaks korda rohkem, ligikaudu 5 dollarit kilogrammi kohta. See on osaliselt tingitud väärismetallidest valmistatud katalüsaatoritele tuginevate elektrolüsaatorite kõrgest hinnast. USA energeetikaministeerium alustas hiljuti kümme aastat kestnud jõupingutusi elektrolüsaatorite täiustamiseks ja rohelise vesiniku hinna vähendamiseks 1 dollarini kilogrammi kohta.

Kui neil õnnestub ja rohelise vesiniku tootmine hüppeliselt tõuseb, võib surve kasvada maailma mageveevarudele. 1 kilogrammi vesiniku genereerimiseks elektrolüüsi abil kulub umbes 10 kilogrammi vett. Rahvusvahelise Taastuvenergia Agentuuri andmetel võivad veoautod ja peamised tööstusharud rohelise vesinikuga sõita vajada ligikaudu 25 miljardit kuupmeetrit magevett aastas, mis võrdub 62 miljoni elanikuga riigi veetarbimisega.

Merevesi on peaaegu piiramatu, kuid selle tükeldamisega kaasnevad oma probleemid. Elektrolüsaatorid on ehitatud sarnaselt akudele, paari elektroodiga, mis on ümbritsetud vesise elektrolüüdiga. Ühes konstruktsioonis jagavad katoodil olevad katalüsaatorid veemolekulid vesiniku (H+) ja hüdroksüüli (OH-) ioonideks. Katoodil olevad liigsed elektronid ühendavad vesinikioonide paarid vesinikgaasiks (H2), mis mullitab veest välja. Vahepeal liiguvad OH-ioonid läbi elektroodidevahelise membraani, et jõuda anoodini, kus katalüsaatorid seovad hapniku eralduvaks gaasiks (O2).

Merevee kasutamisel muudab aga sama elektriline tõuge, mis tekitab anoodil O2, ka soolases vees olevad kloriidioonid väga söövitavaks kloorigaasiks, mis sööb ära elektroodid ja katalüsaatorid. See põhjustab tavaliselt elektrolüsaatorite rikke mõne tunni jooksul, kui need võivad tavaliselt töötada aastaid.

Vesinik on mitmekülgne kemikaal, mida kasutatakse paljude toodete, sealhulgas väetiste tootmiseks. Vesinik on ka kütuseelementide tehnoloogia põhikomponent, mis kasutab taastuvatest, kuid vahelduvatest energiaallikatest, nagu päike ja tuul, toodetud elektrit. Suurem osa maailmas toodetud vesinikust pärineb protsessist, mille käigus metaan puutub kokku kuumuse ja auruga, et saada vesinik.

Vesinikku saab toota ka vee elektrolüüsil, mis kasutab elektrit veemolekulide jagamiseks vesinikuks ja hapnikuks, mida toidavad taastuvad allikad, nagu päike ja tuul. Aga seal on konks. Elektrolüüsiks on vaja väga puhast vett, mis on deioniseeritud, mis tähendab, et esmalt tuleb eemaldada kõik lisandid, mineraalid ja elektrooniliselt laetud osakesed. Tavalised veepuhastusprotsessid nõuavad kalleid seadmeid ja võivad põhjustada energiakadu.

Johns Hopkinsi ülikooli keskkonnatervise ja tehnika osakonna teadlased koostöös Penn State'i ülikooliga on leidnud viisi, kuidas kasutada merevett vesiniku otsese allikana, ilma et oleks vaja esialgset magestada. Nende tulemused ilmuvad keskkonnateadustes ja -tehnoloogias.

"Leidsime, et saame kasutada vee elektrolüüsides õhukese kilega komposiitmembraane, mida kasutatakse soolase vee puhastamiseks, jagades vee vesinikgaasiks ja hapnikuks, vältides samal ajal kahjuliku kloorigaasi teket, mis juhtub teiste membraanitüüpidega."
Oma uuringus testisid Rossi ja tema kolleegid õhukese kilega komposiitmembraane otse elektrolüsaatoris - seadmes, mis kasutab elektrit vee jagamiseks vesinikuks ja hapnikuks, mis saavutab ühe etapi nii vee puhastamise kui ka vesiniku tootmise. Nad leidsid, et materjali poorne mikrostruktuur võimaldas ainult väikestel prootonitel ja hüdroksiidioonidel liikuda läbi membraani, lükates tagasi lisandid ja muud ioonid, mis võivad põhjustada soovimatuid reaktsioone. Teadlaste sõnul võib see uudne lähenemisviis asendada tavapärased süsteemid, kus kasutatakse kalleid ioonvahetusmembraane koos ülipuhta vee toiteallikaga.

"Odavad vee magestamismembraanid võivad olla alternatiiviks kallimatele polümeeripõhistele membraanidele ja neid saab kasutada vesiniku tootmiseks madala kvaliteediga veeallikatest, näiteks mereveest, " ütles Rossi. "Tulemuseks on tõhus taastuvatest energiaallikatest vesiniku tootmisprotsess, mis välistab vee puhastamise vajaduse."

Ta märkis, et merevee kasutamine elektrolüsaatorites on selle kõrge soolsuse tõttu keeruline. Siiski on see rikkalik ja saadaval sellistes kohtades nagu rannikualad, kus saab toota taastuvat elektrit, nagu päike ja tuul, kuid kus magevee kättesaadavus on madal. Sellistes kohtades võidakse selles protsessis merevee asemel kasutada muid madala kvaliteediga veeallikaid, nagu reovesi.

USA riikliku teadusfondi rahastatud meeskond integreeris veepuhastustehnoloogia merevee elektrolüsaatori uude kontseptsiooni tõesesse disaini, mis kasutab veemolekulides vesiniku ja hapniku eraldamiseks elektrivoolu.

Keskkonnainsener Bruce Logani sõnul võib see uus "merevee jagamise" meetod hõlbustada tuule- ja päikeseenergia muutmist salvestatavaks ja kaasaskantavaks kütuseks.

"Vesinik on suurepärane kütus, kuid peate seda valmistama," ütles Logan. "Ainus jätkusuutlik viis selleks on kasutada taastuvenergiat ja toota seda veest. Samuti tuleb kasutada vett, mida inimesed ei taha kasutada muudeks asjadeks ja see oleks merevesi. Niisiis, vesiniku tootmise püha graal oleks merevee ning tuule- ja päikeseenergia ühendamine ranniku- ja avamerekeskkonnas."

Vaatamata merevee rohkusele ei kasutata seda tavaliselt vee lõhestamiseks. Kui vett enne elektrolüsaatorisse sisenemist ei magestata, mis on kallis lisaetapp, muutuvad merevees olevad kloriidioonid mürgiseks kloorigaasiks, mis rikub seadmeid ja imbub keskkonda.

Selle vältimiseks sisestasid teadlased õhukese poolläbilaskva membraani, mis oli algselt välja töötatud vee puhastamiseks pöördosmoosi töötlemise protsessis. Pöördosmoosi membraan asendas elektrolüsaatorites tavaliselt kasutatava ioonivahetusmembraani.
"Pöördosmoosi idee seisneb selles, et panete veele väga kõrge rõhu ja surute selle läbi membraani ning hoiate kloriidioonid taga," ütles Logan.

Ajakirjas Energy & Environmental Science avaldatud katsete seeria abil katsetasid teadlased kahte kaubanduslikult saadavat pöördosmoosi membraani ja kahte katioonvahetusmembraani, mis on teatud tüüpi ioonivahetusmembraan, mis võimaldab liikuda süsteemis kõikidel positiivselt laetud ioonidel.

Puhas energia on maailma riikide jaoks esmatähtis. Kui tavapärane energia põhineb fossiilkütustel, nagu kivisüsi, maagaas ja nafta, siis puhast energiat on erinevates vormides, nagu päikese-, tuule-, geotermiline, hüdroelektrienergia ja biomass.

Ka vesinik on taastuvate energiaallikate jaoks juhtiv energia salvestamise võimalus ja see võib aidata vähendada süsinikdioksiidi heitkoguseid.
Praegused uuringud näitavad, et soolase vee elektrolüüs – vee jagamine hapnikuks ja vesinikuks – on elujõuline lahendus magevee elektrolüüsi tavalistele väljakutsetele. Merevee elektrolüüs võib toota jätkusuutlikku vesinikku ilma ülemaailmset mageveepuudust süvendamata.

Ameerika Ühendriikide energeetikaministeeriumi alternatiivkütuste andmekeskuse andmetel on puhas vesinik Maal rikkalik element, mis näitab suurt lubadust puhtale, säästvale ja taastuvale energiale ülemineku toetamisel.

Pärast vesiniku tootmist võib see toota kütuseelemendis elektrit ja eraldab ainult veeauru ja sooja õhku. Kuna vesinik ei eralda kasvuhoonegaase, lämmastikoksiide, süsivesinikke ega muid tahkeid osakesi, ei mõjuta see keskkonda negatiivselt.
Vesinikul on muid eeliseid, mis aitavad luua puhta energiamajandust. See on optimaalne energialahendus piirkondades, kus süsinikdioksiidi dekarboniseerimine on tavaliselt keeruline. See suurendab kaasaegse elektrivõrgu töökindlust ja vastupidavust. Samuti võib see parandada rahvatervist ja keskkonnaseisundit.

Lisaks võib see suurendada tööhõivevõimaluste arvu ja energiajulgeolekut ülemaailmsetes tööstusharudes. See võib aidata transporditööstusel muutuda jätkusuutlikumaks ja toetada üleminekut elektrisõidukitele. Ja see võib aidata kaasa tulude suurenemisele ja tugevdada maailma majandust.

Üks väljakutse, mis suurendab rohelise vesiniku tootmisega seotud kulusid, on see, et elektrolüsaatorid vajavad ülipuhast vett. See muudab traditsioonilise soolase vee elektrolüüsi keeruliseks, kuna paljud veeallikad on täidetud saasteainetega.
Kuigi EPA-l on plii, kloori ja bakterite olemasolu tõttu veele ranged nõuded, ei tähenda see tingimata, et kogu vesi on saasteainetevaba.

Merevee elektrolüüs
Merevee elektrolüüsi uurimine tekkis 19. sajandi alguses. Kuigi teadlased tegid vesiniku tootmisel edusamme, ei saavutanud see kunagi veojõudu ega muutunud elujõuliseks energialahenduseks. 20. sajandil ekstraheeriti vesinikku enamasti maagaasist ning seda kasutati autode, busside, õhusõidukite ja rakettide toiteks.

Kuigi selle vesiniku kasutamine oli teostatav, oli selle tootmine energiamahukas ja aitas kaasa süsinikdioksiidi heitkogustele, mis on üks peamisi kliimamuutuste põhjuseid. Lisaks filtreerivad mõned linnad tahkeid olmejäätmeid vesinikkütuseelemendi tehnoloogiaga, mis toodab vesinikku ja hoiab ära jäätmetest tuleneva saastumise kohalikes veevarustuses.

Erinevad teadlased ja teadlased töötavad nende väljakutsete vältimiseks merevee elektrolüüsi abil välja kõrgtehnoloogiaid. Kui need tehnoloogiad töötavad korralikult, toodavad need säästvat vesinikku ilma mageveeressursse kasutamata või süsinikdioksiidi heitkoguseid suurendamata.

Tooteid müüakse kõigis Hiina piirkondades ja eksporditakse riikidesse üle maailma. Neid on müüdud enam kui 20 riigis ja piirkonnas, sealhulgas Ameerika Ühendriikides, Saksamaal, Marokos, Keenias, Saudi Araabias, Vietnamis, Alžeerias, Indias, Tansaanias ja Taiwanis. Edukalt pakuti selliseid tuntud ettevõtteid nagu China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group ja teised tuntud ettevõtted. Seal on palju rohelisi vesiniku hüdrogeenimisjaamu, nagu Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming jne, mis pakuvad rohelisi ja vesiniku tootmise projekte.