Водень морської води

ВЧЕНІ розробили систему, яка може виробляти зелений водень безпосередньо з морської води без необхідності будь-яких процесів попередньої обробки, таких як опріснення. Команда, яка стоїть за розробкою, яка передбачає введення шару кислоти Льюїса на каталізаторі оксиду перехідного металу, каже, що метод демонструє високий потенціал для комерційного застосування.

Понад 97% води на поверхні Землі є солоною водою в океанах, 2% зберігається у вигляді прісної води в крижаних шапках, льодовиках і засніжених гірських хребтах, і лише 1% доступний для наших щоденних потреб у воді.

 
Солону воду можна перетворити на питну за допомогою процесу, який називається опрісненням, технологією, яка використовується в деяких регіонах світу для отримання прісної води для споживання людиною, а також для домашнього та промислового використання. Але опріснення — процес, який потребує енергії, і що ще гірше, він часто живиться від джерел енергії, які є нестабільними.

Розщеплення води на складові частини також добре вивчено. Процес, відомий як електроліз, використовує постійний струм між двома електродами, зануреними в електроліт, для розщеплення води на водень і кисень. На катоді, або негативному електроді, утворюється водень, а на позитивному електроді, або аноді, — кисень.

Оскільки суміш газів може вибухнути, більшість електролізерів відокремлюють анод і катод товстим пористим пластиковим листом, а для прискорення реакцій використовуються металеві каталізатори, такі як нікель і залізо.

Поєднання обох цих процесів разом, а саме опріснення морської води, а потім її розділення для отримання водню, давно вважалося одним із найкращих рішень для отримання чистого та доступного палива для отримання енергії, яке, у свою чергу, могло б забезпечувати живленням усе: від міської електроенергії до виробництва сталь, виробництво добрив і навіть як паливо для літаків – список потенційних застосувань довгий.

Однак одна з причин, чому ми ще не використовуємо водневе паливо для навколосвітніх польотів, полягає в тому, що солона вода та інші домішки роз’їдають електроди, скорочуючи термін їх служби. Оскільки ці компоненти зазвичай виготовляються з рідкісних металів, таких як платина, продовжувати їх замінювати коштує занадто дорого. Іони хлориду в морській воді також є проблемою, а реакції електроокислення хлору (ClOR) конкурують з реакцією виділення кисню (OER) на аноді під час електролізу. Ця реакція призводить до виділення токсичних і корозійних видів хлору, таких як гіпохлорит. Гіпохлорит відносно нестійкий, він може виділяти токсичний газоподібний хлор при змішуванні з аміаком або кислотою, а також може роз'їдати нержавіючу сталь.

Щоб уникнути цього, морську воду можна було б опріснити та очистити перед її обробкою, але це також не завжди фінансово вигідно. Іншим варіантом є покриття електродів поліаніонами для придушення корозії, але це також може бути дорогим.

Небагато кліматичних рішень мають недоліки. «Зелений» водень, отриманий з використанням відновлюваної енергії для розщеплення молекул води, міг би приводити в рух важкі транспортні засоби та декарбонізувати такі галузі промисловості, як сталеливарне виробництво, не виділяючи навіть подиху вуглекислого газу. Але оскільки водороздільні машини, або електролізери, розроблені для роботи з чистою водою, збільшення масштабів зеленого водню може посилити глобальний дефіцит прісної води. Зараз кілька дослідницьких груп повідомляють про досягнення у виробництві водню безпосередньо з морської води, яка може стати невичерпним джерелом зеленого водню.

Сьогодні майже весь водень виробляється шляхом розщеплення метану, спалювання викопного палива для отримання необхідного тепла та тиску. Обидва етапи виділяють вуглекислий газ. Зелений водень міг би замінити цей брудний водень, але на даний момент він коштує більш ніж удвічі дорожче, приблизно 5 доларів за кілограм. Частково це пов’язано з високою вартістю електролізерів, які покладаються на каталізатори з дорогоцінних металів. Міністерство енергетики США нещодавно започаткувало десятирічну роботу з удосконалення електролізерів і зниження вартості зеленого водню до 1 долара за кілограм.

Якщо їм це вдасться, і виробництво зеленого водню стрімко зросте, тиск на світові запаси прісної води може зрости. Щоб отримати 1 кілограм водню за допомогою електролізу, потрібно близько 10 кілограмів води. За даними Міжнародного агентства з відновлюваних джерел енергії, для роботи вантажівок і ключових галузей промисловості на «зеленому» водні може знадобитися приблизно 25 мільярдів кубічних метрів прісної води на рік, що еквівалентно споживанню води в країні з населенням 62 мільйони людей.

Морська вода майже безмежна, але з її розщепленням виникають свої проблеми. Електролізери побудовані так само, як батареї, з парою електродів, оточених водянистим електролітом. В одній конструкції каталізатори на катоді розщеплюють молекули води на іони водню (H+) і гідроксилу (OH-). Надлишок електронів на катоді з’єднує пари іонів водню в газоподібний водень (H2), який виходить із води. Тим часом іони OH- проходять через мембрану між електродами, щоб досягти анода, де каталізатори з’єднують кисень у газоподібний кисень (O2), який виділяється.

Однак коли використовується морська вода, той самий електричний поштовх, який генерує O2 на аноді, також перетворює іони хлориду в солоній воді на висококорозійний газ хлор, який роз’їдає електроди та каталізатори. Це зазвичай призводить до того, що електролізери виходять з ладу всього за кілька годин, тоді як вони можуть нормально працювати роками.

Водень — це універсальна хімічна речовина, яка використовується для виробництва багатьох продуктів, у тому числі добрив. Водень також є ключовим компонентом технології паливних елементів, яка використовує електроенергію, вироблену відновлюваними, але періодичними джерелами енергії, такими як сонце та вітер. Більша частина водню, виробленого в усьому світі, походить від процесу, під час якого метан піддається впливу тепла та пари з утворенням водню.

Водень також можна отримати в результаті електролізу води, який використовує електрику для розщеплення молекул води на водень і кисень, що живиться від відновлюваних джерел, таких як сонце та вітер. Але тут є заковика. Електроліз потребує дуже чистої деіонізованої води, тобто спочатку потрібно видалити всі домішки, мінерали та електронно заряджені частинки. Звичайні процеси очищення води потребують дорогого обладнання та можуть призвести до втрат енергії.

Дослідники з Департаменту охорони навколишнього середовища та інженерії Університету Джона Хопкінса у співпраці з Університетом штату Пенсільванія знайшли спосіб використовувати морську воду як пряме джерело водню без попереднього опріснення. Їхні результати опубліковані в Environmental Science & Technology.

«Ми виявили, що можемо використовувати тонкоплівкові композитні мембрани, які використовуються для очищення солоної води, у електролізерах води, розщеплюючи воду на водень і кисень, уникаючи при цьому утворення шкідливого газу хлору, який трапляється з іншими типами мембран».
У своєму дослідженні Россі та його колеги випробували тонкоплівкові композитні мембрани безпосередньо в електролізері — пристрої, який використовує електрику для розщеплення води на водень і кисень, здійснюючи за один крок і очищення води, і виробництво водню. Вони виявили, що пориста мікроструктура матеріалу дозволяє лише невеликим протонам і гідроксид-іонам мігрувати через мембрану, відкидаючи домішки та інші іони, які можуть викликати небажані реакції. Дослідники кажуть, що цей новий підхід може замінити звичайні системи, де дорогі іонообмінні мембрани використовуються в поєднанні з надчистою водою.

«Дешеві мембрани для опріснення води можуть бути альтернативою більш дорогим мембранам на основі полімерів і можуть використовуватися для виробництва водню з джерел низькоякісної води, як-от морська вода», — сказав Россі. «Результатом є ефективний процес виробництва водню з відновлюваних джерел енергії, який усуває потребу в очищенні води».

Він зазначив, що морську воду складно використовувати в електролізерах через її високу солоність. Тим не менш, його багато і доступно в таких місцях, як прибережні райони, де можна виробляти відновлювану електроенергію, наприклад сонячну та вітрову, але де доступність прісної води низька. У таких місцях інші джерела низькоякісної води, такі як стічні води, потенційно можуть використовуватися замість морської води в цьому процесі.

Команда, фінансована Національним науковим фондом США, інтегрувала технологію очищення води в нову перевірку концепції електролізера морської води, який використовує електричний струм для розщеплення водню та кисню в молекулах води.

За словами Брюса Логана, інженера-еколога, цей новий метод «розщеплення морської води» може полегшити перетворення вітрової та сонячної енергії на переносне паливо, яке можна зберігати.

«Водень — чудове паливо, але ви повинні його виробляти», — сказав Логан. «Єдиний стійкий спосіб зробити це — використовувати відновлювану енергію та виробляти її з води. Вам також потрібно використовувати воду, яку люди не хочуть використовувати для інших речей, і це буде морська вода. Отже, святий Грааль у виробництві водню полягала б у поєднанні морської води, вітрової та сонячної енергії, що є в прибережних і морських середовищах».

Незважаючи на велику кількість морської води, її рідко використовують для розщеплення води. Якщо вода не опріснюється перед надходженням в електролізер, що є дорогим додатковим кроком, іони хлориду в морській воді перетворюються на токсичний газ хлор, який погіршує роботу обладнання та просочується в навколишнє середовище.

Щоб запобігти цьому, дослідники вставили тонку напівпроникну мембрану, спочатку розроблену для очищення води в процесі обробки зворотним осмосом. Мембрана зворотного осмосу замінила іонообмінну мембрану, яка зазвичай використовується в електролізерах.
«Ідея зворотного осмосу полягає в тому, що ви чините дуже високий тиск на воду, проштовхуєте її через мембрану та утримуєте іони хлориду позаду», — сказав Логан.

За допомогою серії експериментів, опублікованих у журналі Energy & Environmental Science, дослідники перевірили дві комерційно доступні мембрани зворотного осмосу та дві катіонообмінні мембрани, тип іонообмінної мембрани, яка забезпечує рух усіх позитивно заряджених іонів у системі.

Чиста енергія є головним пріоритетом для країн у всьому світі. У той час як звичайна енергетика базується на викопному паливі, як-от вугілля, природний газ і нафта, чиста енергія доступна в різних формах, таких як сонячна, вітрова, геотермальна, гідроелектрична та біомаса.

Водень також є провідним варіантом зберігання енергії для відновлюваних джерел і може допомогти зменшити високий рівень викидів вуглецю.
Сучасні дослідження показують, що електроліз солоної води – процес розщеплення води на кисень і водень – є життєздатним рішенням поширених проблем електролізу прісної води. Електроліз морської води може виробляти стійкий водень без погіршення глобального дефіциту прісної води.

За даними Центру даних про альтернативне паливо Міністерства енергетики Сполучених Штатів, чистий водень є поширеним елементом на Землі, який має великі перспективи для підтримки переходу до чистої, стійкої та відновлюваної енергії.

Після того, як водень вироблений, він може генерувати електроенергію в паливних елементах і виділяє лише водяну пару та тепле повітря. Оскільки водень не виділяє парникових газів, оксидів азоту, вуглеводнів чи інших твердих частинок, він не впливає негативно на навколишнє середовище.
Водень має й інші переваги, які допоможуть створити економіку чистої енергії. Це оптимальне енергетичне рішення для типово складних для декарбонізації територій. Це підвищує надійність і стійкість сучасної електромережі. Це також може покращити здоров'я населення та стан навколишнього середовища.

Крім того, це може збільшити кількість робочих місць і енергетичну безпеку в глобальних галузях промисловості. Це може допомогти транспортній галузі стати більш стійкою та підтримати перехід до електромобілів (EV). І це може сприяти збільшенню доходів і зміцненню світової економіки.

Одна з проблем, яка підвищує витрати, пов’язані з виробництвом зеленого водню, полягає в тому, що електролізери потребують надчистої води. Це ускладнює традиційний електроліз солоної води, оскільки багато джерел води наповнені забруднювачами.
Хоча EPA висуває суворі вимоги до води через наявність свинцю, хлору та бактерій, це не обов’язково означає, що вся вода вільна від забруднень.

Електроліз морської води
Дослідження електролізу морської води почалися на початку 19 століття. Незважаючи на те, що вчені досягли успіхів у виробництві водню, воно так і не набуло популярності й не стало життєздатним енергетичним рішенням. У 20 столітті водень здебільшого видобували з природного газу та використовували для живлення автомобілів, автобусів, дирижаблів і ракет.

Хоча використання цього водню було можливим, його виробництво було енергоємним і сприяло викидам вуглецю, одній з головних причин зміни клімату. Крім того, деякі міста фільтрують тверді побутові відходи за допомогою технології водневих паливних елементів, яка виробляє водень і запобігає забрудненню відходами місцевих джерел води.

Різні дослідники та вчені розробляють передові технології, використовуючи електроліз морської води, щоб уникнути цих проблем. Якщо ці технології працюватимуть належним чином, вони дозволять виробляти стійкий водень, не використовуючи ресурси прісної води та не сприяючи викидам вуглецю.

Продукція продається в усіх регіонах Китаю та експортується в країни світу. Вони були продані в понад 20 країнах і регіонах, включаючи Сполучені Штати, Німеччину, Марокко, Кенію, Саудівську Аравію, В’єтнам, Алжир, Індію, Танзанію та Тайвань. Успішно надані такі відомі підприємства, як China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group та інші відомі підприємства. Існує багато станцій гідрогенізації зеленого водню, таких як Вуланчабу, Хайкоу, Хайнань, Хайнань Хайкоу, Юньнань Куньмін тощо, які забезпечують проекти з виробництва екологічно чистого водню.