Jūras ūdens Ūdeņradis

ZINĀTNIEKI ir izstrādājuši sistēmu, kas var ražot zaļo ūdeņradi tieši no jūras ūdens bez jebkādiem priekšapstrādes procesiem, piemēram, atsāļošanas. Izstrādes komanda, kas ietver Lūisa skābes slāņa ieviešanu pārejas metāla oksīda katalizatorā, saka, ka metodei ir liels komerciālas pielietošanas potenciāls.

Vairāk nekā 97% ūdens uz Zemes virsmas ir sāļš ūdens okeānos, 2% tiek uzglabāti kā saldūdens ledus cepurēs, ledājos un sniegotās kalnu grēdās, un tikai 1% ir pieejams mūsu ikdienas ūdensapgādes vajadzībām.

 
Sālsūdens var pārvērst par dzeramo ūdeni, izmantojot procesu, ko sauc par atsāļošanu, kas ir paņēmiens, ko dažos pasaules reģionos izmanto, lai ražotu saldūdeni lietošanai pārtikā un mājsaimniecībā un rūpniecībā. Taču atsāļošana ir enerģijas prasīgs process, un, vēl ļaunāk, to bieži darbina enerģijas avoti, kas nav ilgtspējīgi.

Arī ūdens sadalīšana tā sastāvdaļās ir labi saprotama. Process, kas pazīstams kā elektrolīze, izmanto līdzstrāvu starp diviem elektrodiem, kas iegremdēti elektrolītā, lai sadalītu ūdeni ūdeņradī un skābeklī. Ūdeņradis veidojas pie katoda jeb negatīvā elektroda un skābeklis pie pozitīvā elektroda jeb anoda.

Tā kā gāzu maisījums var eksplodēt, lielākā daļa elektrolizatoru atdala anodu un katodu ar biezu, porainu plastmasas loksni, un reakciju paātrināšanai izmanto metāla katalizatorus, piemēram, niķeli un dzelzi.

Abu šo procesu apvienošana, proti, jūras ūdens atsāļošana un pēc tam tā sadalīšana, lai radītu ūdeņradi, jau sen tiek uzskatīts par vienu no labākajiem risinājumiem, lai nodrošinātu tīru un pieejamu degvielu enerģijas iegūšanai, kas savukārt varētu nodrošināt visu, sākot no pilsētas elektrības līdz ražošanai. tērauds, mēslošanas līdzekļu ražošana un pat kā degviela lidmašīnām – iespējamo lietojumu saraksts ir garš.

Tomēr viens no iemesliem, kāpēc mēs jau neizmantojam ūdeņraža degvielu, lai lidotu apkārt pasaulei, ir sālsūdens un citi piemaisījumi, kas korodē elektrodus, saīsinot to kalpošanas laiku. Tā kā šīs sastāvdaļas parasti ir izgatavotas no retajiem metāliem, piemēram, platīna, to turpmāka nomaiņa maksā pārāk dārgi. Hlorīda joni jūras ūdenī ir arī problēma, un hlora elektrooksidācijas reakcijas (ClOR) elektrolīzes laikā konkurē ar skābekļa evolūcijas reakciju (OER) uz anoda. Šīs reakcijas rezultātā izdalās toksiskas un kodīgas hlora formas, piemēram, hipohlorīts. Hipohlorīts ir salīdzinoši nestabils, tas var izdalīt toksisku hlora gāzi, ja to sajauc ar amonjaku vai skābi, un tas var arī apēst nerūsējošo tēraudu.

Lai to apietu, pirms apstrādes jūras ūdeni varētu atsāļot un attīrīt, taču arī tas ne vienmēr ir finansiāli izdevīgi. Vēl viena iespēja ir pārklāt elektrodus ar polianjoniem, lai novērstu koroziju, taču arī tas var būt dārgi.

Dažiem klimata risinājumiem nav negatīvu aspektu. "Zaļais" ūdeņradis, kas iegūts, izmantojot atjaunojamo enerģiju, lai sadalītu ūdens molekulas, varētu darbināt smagos transportlīdzekļus un dekarbonizēt tādas nozares kā tērauda ražošana, neizlaižot oglekļa dioksīda dvesiņu. Taču, tā kā ūdens sadalīšanas iekārtas jeb elektrolizatori ir paredzēti darbam ar tīru ūdeni, zaļā ūdeņraža palielināšana var saasināt globālo saldūdens trūkumu. Tagad vairākas pētnieku grupas ziņo par progresu ūdeņraža ražošanā tieši no jūras ūdens, kas varētu kļūt par neizsmeļamu zaļā ūdeņraža avotu.

Mūsdienās gandrīz visu ūdeņradi iegūst, sadalot metānu, sadedzinot fosilo kurināmo, lai radītu nepieciešamo siltumu un spiedienu. Abas darbības atbrīvo oglekļa dioksīdu. Zaļais ūdeņradis varētu aizstāt šo netīro ūdeņradi, taču šobrīd tas maksā vairāk nekā divas reizes vairāk, aptuveni 5 USD par kilogramu. Daļēji tas ir saistīts ar elektrolizatoru augstām izmaksām, kas balstās uz katalizatoriem, kas izgatavoti no dārgmetāliem. ASV Enerģētikas departaments nesen uzsāka desmit gadus ilgus pasākumus, lai uzlabotu elektrolizatorus un samazinātu zaļā ūdeņraža izmaksas līdz USD 1 par kilogramu.

Ja viņiem izdosies un zaļā ūdeņraža ražošana strauji pieaugs, spiediens varētu palielināties uz pasaules saldūdens krājumiem. Lai ģenerētu 1 kilogramu ūdeņraža, izmantojot elektrolīzi, ir nepieciešami aptuveni 10 kilogrami ūdens. Saskaņā ar Starptautiskās Atjaunojamās enerģijas aģentūras datiem, lai darbinātu kravas automašīnas un galvenās nozares ar zaļo ūdeņradi, gadā varētu būt nepieciešami aptuveni 25 miljardi kubikmetru saldūdens, kas atbilst ūdens patēriņam valstī ar 62 miljoniem cilvēku.

Jūras ūdens ir gandrīz neierobežots, taču tā sadalīšana rada savas problēmas. Elektrolizatori ir veidoti līdzīgi kā akumulatori, ar elektrodu pāri, ko ieskauj ūdeņains elektrolīts. Vienā dizainā katalizatori pie katoda sadala ūdens molekulas ūdeņraža (H+) un hidroksil(OH-) jonos. Elektronu pārpalikums pie katoda savieno ūdeņraža jonu pārus ūdeņraža gāzē (H2), kas burbuļo ārā no ūdens. Tikmēr OH-joni pārvietojas caur membrānu starp elektrodiem, lai sasniegtu anodu, kur katalizatori savieno skābekli par skābekļa gāzi (O2), kas tiek atbrīvota.

Tomēr, ja tiek izmantots jūras ūdens, tas pats elektriskais grūdiens, kas ģenerē O2 pie anoda, arī pārvērš sālsūdenī esošos hlorīda jonus ļoti kodīgā hlora gāzē, kas apēst elektrodus un katalizatorus. Tas parasti izraisa elektrolizatoru atteici dažu stundu laikā, kad tie parasti var darboties gadiem ilgi.

Ūdeņradis ir daudzpusīga ķīmiska viela, ko izmanto daudzu produktu, tostarp mēslošanas līdzekļu, ražošanā. Ūdeņradis ir arī galvenā kurināmā elementu tehnoloģijas sastāvdaļa, kas izmanto elektroenerģiju, kas ražota no atjaunojamiem, bet periodiskiem enerģijas avotiem, piemēram, saules un vēja. Lielākā daļa pasaulē saražotā ūdeņraža rodas procesā, kurā metāns tiek pakļauts siltumam un tvaikiem, lai iegūtu ūdeņradi.

Ūdeņradi var iegūt arī no ūdens elektrolīzes, kas izmanto elektrību, lai sadalītu ūdens molekulas ūdeņradī un skābeklī, ko darbina atjaunojamie avoti, piemēram, saule un vējš. Bet tur ir āķis. Elektrolīzē ir nepieciešams ļoti tīrs ūdens, kas ir dejonizēts, kas nozīmē, ka vispirms ir jānoņem visi piemaisījumi, minerāli un elektroniski lādētās daļiņas. Tradicionālajiem ūdens attīrīšanas procesiem ir nepieciešamas dārgas iekārtas, un tas var izraisīt enerģijas zudumus.

Džona Hopkinsa universitātes Vides veselības un inženierzinātņu katedras pētnieki sadarbībā ar Penn State University ir atraduši veidu, kā izmantot jūras ūdeni kā tiešu ūdeņraža avotu, bez nepieciešamības veikt iepriekšēju atsāļošanu. To rezultāti parādās Vides zinātnē un tehnoloģijā.

"Mēs atklājām, ka mēs varam izmantot plānslāņa kompozītmateriālu membrānas, ko izmanto sālsūdens attīrīšanai, ūdens elektrolizatoros, sadalot ūdeni ūdeņraža gāzē un skābeklī, vienlaikus izvairoties no kaitīgas hlora gāzes veidošanās, kas notiek ar citiem membrānu veidiem."
Savā pētījumā Rossi un kolēģi pārbaudīja plānslāņa kompozītmateriālu membrānas tieši elektrolizatorā - ierīcē, kas izmanto elektrību, lai sadalītu ūdeni ūdeņradī un skābeklī, veicot vienā solī gan ūdens attīrīšanu, gan ūdeņraža ražošanu. Viņi atklāja, ka materiāla porainā mikrostruktūra ļāva tikai maziem protoniem un hidroksīda joniem migrēt pa membrānu, atgrūžot piemaisījumus un citus jonus, kas var izraisīt nevēlamas reakcijas. Pētnieki saka, ka šī jaunā pieeja varētu aizstāt parastās sistēmas, kurās tiek izmantotas dārgas jonu apmaiņas membrānas kombinācijā ar īpaši tīru ūdens padevi.

"Lētas ūdens atsāļošanas membrānas var būt alternatīva dārgākām polimēru membrānām, un tās var izmantot ūdeņraža ražošanai no zemas kvalitātes ūdens avotiem, piemēram, jūras ūdens," sacīja Rossi. "Rezultāts ir efektīvs ūdeņraža ražošanas process no atjaunojamiem enerģijas avotiem, kas novērš nepieciešamību pēc ūdens attīrīšanas."

Viņš atzīmēja, ka jūras ūdeni ir grūti izmantot elektrolizatoros tā augstā sāļuma dēļ. Tomēr tas ir bagātīgs un pieejams tādās vietās kā piekrastes zonās, kur var ražot atjaunojamo elektroenerģiju, piemēram, saules un vēja enerģiju, bet kur ir zema saldūdens pieejamība. Šādās vietās šajā procesā jūras ūdens vietā potenciāli varētu izmantot citus zemas kvalitātes ūdens avotus, piemēram, notekūdeņus.

ASV Nacionālā zinātnes fonda finansētā komanda integrēja ūdens attīrīšanas tehnoloģiju jaunā jūras ūdens elektrolizatora koncepcijas pierādījumā, kas izmanto elektrisko strāvu, lai sadalītu ūdeņradi un skābekli ūdens molekulās.

Šī jaunā "jūras ūdens sadalīšanas" metode varētu atvieglot vēja un saules enerģijas pārvēršanu uzglabājamā un pārnēsājamā degvielā, uzskata vides inženieris Brūss Logans.

"Ūdeņradis ir lieliska degviela, bet jums tas ir jāizgatavo," sacīja Logans. "Vienīgais ilgtspējīgais veids, kā to izdarīt, ir izmantot atjaunojamo enerģiju un ražot to no ūdens. Tāpat ir jāizmanto ūdens, ko cilvēki nevēlas izmantot citām lietām, un tas būtu jūras ūdens. Tātad, ūdeņraža ražošanas svētais grāls būtu apvienot jūras ūdeni un vēja un saules enerģiju, kas atrodama piekrastes un jūras vidē."

Neskatoties uz jūras ūdens pārpilnību, to parasti neizmanto ūdens sadalīšanai. Ja ūdens netiek atsāļots pirms ievadīšanas elektrolizatorā, kas ir dārgs papildu solis, jūras ūdenī esošie hlorīda joni pārvēršas toksiskā hlora gāzē, kas degradē iekārtas un nokļūst vidē.

Lai to novērstu, pētnieki ievietoja plānu, daļēji caurlaidīgu membrānu, kas sākotnēji tika izstrādāta ūdens attīrīšanai reversās osmozes apstrādes procesā. Reversās osmozes membrāna aizstāja jonu apmaiņas membrānu, ko parasti izmanto elektrolizatoros.
"Reversās osmozes ideja ir tāda, ka jūs izdarat patiešām augstu spiedienu uz ūdeni un izspiežat to cauri membrānai un saglabājat hlorīda jonus," sacīja Logans.

Izmantojot virkni eksperimentu, kas publicēti Energy & Environmental Science, pētnieki pārbaudīja divas komerciāli pieejamas reversās osmozes membrānas un divas katjonu apmaiņas membrānas, jonu apmaiņas membrānas veidu, kas nodrošina visu pozitīvi lādēto jonu kustību sistēmā.

Tīra enerģija ir galvenā pasaules valstu prioritāte. Lai gan parastā enerģija ir atkarīga no fosilā kurināmā, piemēram, oglēm, dabasgāzes un naftas, tīrā enerģija ir dažādos veidos, piemēram, saules, vēja, ģeotermālā, hidroelektrostacijā un biomasā.

Arī ūdeņradis ir vadošā enerģijas uzglabāšanas iespēja atjaunojamo energoresursu jomā un varētu palīdzēt samazināt augsto oglekļa emisiju līmeni.
Pašreizējie pētījumi liecina, ka sālsūdens elektrolīze – ūdens sadalīšanas process skābeklī un ūdeņražā – ir dzīvotspējīgs risinājums saldūdens elektrolīzes kopējām problēmām. Jūras ūdens elektrolīze varētu ražot ilgtspējīgu ūdeņradi, nepasliktinot globālo saldūdens trūkumu.

Saskaņā ar Amerikas Savienoto Valstu Enerģētikas departamenta alternatīvo degvielu datu centra datiem tīrs ūdeņradis ir bagātīgs elements uz Zemes, kas liecina par lielu solījumu, atbalstot pāreju uz tīru, ilgtspējīgu un atjaunojamu enerģiju.

Pēc ūdeņraža ražošanas tas var ražot elektrību kurināmā elementā un izdala tikai ūdens tvaikus un siltu gaisu. Tā kā ūdeņradis neizdala nekādas siltumnīcefekta gāzes, slāpekļa oksīdus, ogļūdeņražus vai citas daļiņas, tas negatīvi neietekmē vidi.
Ūdeņradim ir arī citas priekšrocības, kas palīdzēs radīt tīras enerģijas ekonomiku. Tas ir optimāls enerģijas risinājums vietās, kur parasti ir grūti dekarbonizēt. Tas palielina modernā elektrotīkla uzticamību un noturību. Tas var arī uzlabot sabiedrības veselību un vides stāvokli.

Turklāt tas var palielināt nodarbinātības iespēju skaitu un energoapgādes drošību globālajās nozarēs. Tas var palīdzēt transporta nozarei kļūt ilgtspējīgākai un atbalstīt pāreju uz elektriskajiem transportlīdzekļiem (EV). Un tas var veicināt ieņēmumu pieaugumu un stiprināt pasaules ekonomiku.

Viens no izaicinājumiem, kas palielina izmaksas, kas saistītas ar zaļā ūdeņraža ražošanu, ir tas, ka elektrolizatoriem ir nepieciešams īpaši tīrs ūdens. Tas apgrūtina tradicionālo sālsūdens elektrolīzi, jo daudzi ūdens avoti ir piepildīti ar piesārņotājiem.
Lai gan EPA ir stingras prasības ūdenim svina, hlora un baktēriju klātbūtnes dēļ, tas ne vienmēr nozīmē, ka viss ūdens ir brīvs no piesārņotājiem.

Jūras ūdens elektrolīze
Jūras ūdens elektrolīzes pētījumi parādījās 19. gadsimta sākumā. Lai gan zinātnieki ir guvuši panākumus ūdeņraža ražošanā, tas nekad nav ieguvis vilces spēku un nekļuva par dzīvotspējīgu enerģijas risinājumu. 20. gadsimtā ūdeņradi lielākoties ieguva no dabasgāzes un izmantoja automašīnu, autobusu, spārnu un raķešu darbināšanai.

Lai gan šī ūdeņraža izmantošana bija iespējama, tā ražošana bija energoietilpīga un veicināja oglekļa emisijas, kas ir viens no galvenajiem klimata pārmaiņu cēloņiem. Turklāt dažas pilsētas filtrē cietos sadzīves atkritumus, izmantojot ūdeņraža kurināmā šūnu tehnoloģiju, kas ražo ūdeņradi un novērš atkritumu radīto piesārņojumu vietējā ūdens apgādē.

Lai izvairītos no šīm problēmām, dažādi pētnieki un zinātnieki izstrādā progresīvas tehnoloģijas, izmantojot jūras ūdens elektrolīzi. Ja šīs tehnoloģijas darbosies pareizi, tās ražos ilgtspējīgu ūdeņradi, neizmantojot saldūdens resursus un neveicinot oglekļa emisijas.

Produkti tiek pārdoti visos Ķīnas reģionos un tiek eksportēti uz pasaules valstīm. Tie ir pārdoti vairāk nekā 20 valstīs un reģionos, tostarp ASV, Vācijā, Marokā, Kenijā, Saūda Arābijā, Vjetnamā, Alžīrijā, Indijā, Tanzānijā un Taivānā. Veiksmīgi nodrošināti labi zināmi uzņēmumi, piemēram, China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group un citi labi zināmi uzņēmumi. Ir daudzas zaļās ūdeņraža hidrogenēšanas stacijas, piemēram, Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming uc nodrošina zaļo un ūdeņraža ražošanas projektus.