Idroġenu tal-Ilma Baħar

IX-XJENTISTI żviluppaw sistema li tista 'tipproduċi idroġenu aħdar direttament mill-ilma baħar mingħajr il-ħtieġa ta' xi proċessi ta 'trattament minn qabel bħad-desalinizzazzjoni. It-tim wara l-iżvilupp, li jinvolvi l-introduzzjoni ta 'saff ta' aċidu Lewis fuq katalizzatur tal-ossidu tal-metall ta 'tranżizzjoni, jgħid li l-metodu juri potenzjal għoli għal applikazzjoni kummerċjali.

Aktar minn 97% tal-ilma fuq il-wiċċ tad-Dinja huwa ilma mielaħ fl-oċeani, 2% huwa maħżun bħala ilma ħelu f'kapep tas-silġ, glaċieri u firxiet ta 'muntanji b'kappa tas-silġ, u 1% biss huwa disponibbli għall-ħtiġijiet tagħna ta' provvista ta 'ilma ta' kuljum.

 
L-ilma mielaħ jista 'jsir ilma tax-xorb permezz ta' proċess imsejjaħ desalinizzazzjoni, teknika li xi żoni madwar id-dinja jiddependu fuqha biex jipproduċu ilma ħelu għall-konsum mill-bniedem u għall-użu domestiku u industrijali. Iżda d-desalinizzazzjoni hija proċess li jitlob l-enerġija, u agħar minn hekk ħafna drabi huwa mħaddem minn sorsi ta 'enerġija li mhumiex sostenibbli.

Il-qsim tal-ilma fil-partijiet kostitwenti tiegħu huwa wkoll mifhum tajjeb. Il-proċess - magħruf bħala elettroliżi - juża kurrent dirett bejn żewġ elettrodi mgħaddsa f'elettrolit biex jaqsam l-ilma f'idroġenu u ossiġnu. L-idroġenu huwa ffurmat fil-katodu, jew elettrodu negattiv, u l-ossiġnu fl-elettrodu pożittiv, jew anodu.

Minħabba li taħlita tal-gassijiet tista 'tisplodi, il-biċċa l-kbira tal-elettrolizzaturi jisseparaw l-anodu u l-katodu b'folja tal-plastik ħoxna u poruża, u katalisti tal-metall bħal nikil u ħadid jintużaw biex iħaffu r-reazzjonijiet.

It-tqegħid ta’ dawn iż-żewġ proċessi flimkien, jiġifieri d-desalinizzazzjoni tal-ilma baħar, u mbagħad il-qsim biex jinħoloq l-idroġenu ilha tiġi mfaħħra bħala waħda mill-aħjar soluzzjonijiet biex jiġi pprovdut fjuwil nadif u affordabbli għall-enerġija, li mbagħad jista’ jħaddem kollox mill-elettriku ta’ belt, sat-teħid. azzar, li jipproduċi fertilizzant, u anke bħala karburant għall-ajruplani - il-lista ta 'użi potenzjali hija waħda twila.

Madankollu, waħda mir-raġunijiet li aħna mhux diġà qed nużaw il-fjuwil tal-idroġenu biex itiru madwar id-dinja, hija li l-ilma mielaħ u impuritajiet oħra jissaddad elettrodi, u jqassru l-ħajja tagħhom. Peress li dawk il-komponenti huma tipikament magħmula minn metalli rari bħall-platinu, jiswa wisq biex jibqgħu jissostitwixxuhom. Il-joni tal-klorur fl-ilma baħar huma wkoll problema u r-reazzjonijiet tal-elettro-ossidazzjoni tal-kloru (ClOR) jikkompetu mar-reazzjoni tal-evoluzzjoni tal-ossiġnu (OER) fuq l-anodu waqt l-elettroliżi. Din ir-reazzjoni tirriżulta fir-rilaxx ta 'speċi ta' klorin tossiċi u korrużivi bħall-ipoklorit. L-ipoklorit huwa relattivament instabbli, jista 'jerħi gass tal-kloru tossiku meta jitħallat ma' ammonja jew aċidu u jista 'wkoll jiekol l-istainless steel.

Biex jaqleb dan, l-ilma baħar jista 'jiġi desalinizzat u purifikat qabel ma jiġi pproċessat, iżda dan mhux dejjem huwa finanzjarjament vijabbli lanqas. Għażla oħra hija li tiksi l-elettrodi b'polyanions biex irażżan il-korrużjoni, iżda dan ukoll jista 'jkun għali.

Ftit soluzzjonijiet klimatiċi jiġu mingħajr aspetti negattivi. L-idroġenu "aħdar", magħmul bl-użu ta 'enerġija rinnovabbli biex taqsam il-molekuli tal-ilma, jista' jħaddem vetturi tqal u jiddekarbonizza industriji bħall-produzzjoni tal-azzar mingħajr ma jitfa 'xif ta' dijossidu tal-karbonju. Iżda minħabba li l-magni li jqassmu l-ilma, jew l-elettrolizzaturi, huma ddisinjati biex jaħdmu b'ilma pur, iż-żieda fl-idroġenu aħdar tista 'taggrava n-nuqqas globali ta' ilma ħelu. Issa, diversi timijiet ta 'riċerka qed jirrappurtaw avvanzi fil-produzzjoni ta' idroġenu direttament mill-ilma baħar, li jista 'jsir sors ineżawribbli ta' idroġenu aħdar.

Illum, kważi l-idroġenu kollu jsir billi jkisser il-metanu, jaħarqu fjuwils fossili biex jiġġeneraw is-sħana u l-pressjoni meħtieġa. Iż-żewġ passi jirrilaxxaw dijossidu tal-karbonju. L-idroġenu aħdar jista 'jissostitwixxi dan l-idroġenu maħmuġ, iżda bħalissa jiswa aktar mid-doppju, bejn wieħed u ieħor $5 għal kull kilogramma. Dan huwa parzjalment minħabba l-ispiża għolja ta 'elettrolizzaturi, li jiddependu fuq katalizzaturi magħmula minn metalli prezzjużi. Id-Dipartiment tal-Enerġija tal-Istati Uniti reċentement nieda sforz ta 'għaxar snin biex itejjeb l-elettrolizzaturi u jnaqqas l-ispiża tal-idroġenu aħdar għal $1 għal kull kilogramma.

Jekk jirnexxu u l-produzzjoni tal-idroġenu ekoloġiku tiżdied, il-pressjoni tista 'tibni fuq il-provvisti tal-ilma ħelu tad-dinja. Il-ġenerazzjoni ta 'kilogramma ta' idroġenu bl-użu ta 'elettroliżi tieħu xi 10 kilogrammi ta' ilma. It-tħaddim tat-trakkijiet u l-industriji ewlenin fuq l-idroġenu aħdar jistgħu jeħtieġu madwar 25 biljun metru kubu ta 'ilma ħelu fis-sena, ekwivalenti għall-konsum tal-ilma ta' pajjiż bi 62 miljun ruħ, skont l-Aġenzija Internazzjonali tal-Enerġija Rinnovabbli.

L-ilma baħar huwa kważi illimitat, iżda l-qsim jiġi bil-problemi tiegħu stess. L-elettrolizzaturi huma mibnija ħafna bħal batteriji, b'par ta 'elettrodi mdawra b'elettrolit idemmgħu. F'disinn wieħed, il-katalizzaturi fil-katodu qasmu molekuli ta 'l-ilma f'jonji ta' idroġenu (H+) u hydroxyl (OH-). Elettroni żejjed fil-katodu stitch pari ta 'joni idroġenu fil-gass idroġenu (H2), li bżieżaq barra mill-ilma. Il-joni OH-, sadanittant, jivvjaġġaw permezz ta 'membrana bejn l-elettrodi biex jilħqu l-anodu, fejn il-katalisti jgħaqqdu l-ossiġnu f'gass ossiġnu (O2) li jiġi rilaxxat.

Meta jintuża l-ilma baħar, madankollu, l-istess skoss elettriku li jiġġenera O2 fl-anodu jikkonverti wkoll il-joni tal-klorur fl-ilma mielaħ f'gass tal-kloru korrużiv ħafna, li jiekol l-elettrodi u l-katalisti. Dan tipikament jikkawża li l-elettrolizzaturi jfallu f'sigħat biss meta normalment jistgħu joperaw għal snin.

L-idroġenu huwa sustanza kimika versatili użata għall-produzzjoni ta 'ħafna prodotti, inklużi fertilizzanti. L-idroġenu huwa wkoll komponent ewlieni tat-teknoloġija taċ-ċelloli tal-fjuwil, li juża l-elettriku prodott minn sorsi ta 'enerġija rinnovabbli iżda intermittenti bħax-xemx u r-riħ. Ħafna mill-idroġenu prodott mad-dinja kollha ġej minn proċess li fih il-metanu jiġi espost għas-sħana u l-fwar biex jagħti l-idroġenu.

L-idroġenu jista 'jiġi prodott ukoll mill-elettroliżi tal-ilma, li juża l-elettriku biex jaqsam molekuli tal-ilma f'idroġenu u ossiġnu mħaddma minn sorsi rinnovabbli bħax-xemx u r-riħ. Imma hemm qabda. L-elettroliżi teħtieġ ilma nadif ħafna li jkun ġie dejonizzat, jiġifieri l-impuritajiet, il-minerali u l-partiċelli ċċarġjati elettronikament għandhom l-ewwel jitneħħew. Il-proċessi konvenzjonali ta 'purifikazzjoni tal-ilma jeħtieġu tagħmir għali u jistgħu jirriżultaw f'telf ta' enerġija.

Riċerkaturi fid-Dipartiment tas-Saħħa u l-Inġinerija Ambjentali tal-Università Johns Hopkins, b'kollaborazzjoni ma 'Penn State University, sabu mod kif jużaw l-ilma baħar bħala sors dirett ta' idroġenu, mingħajr il-ħtieġa ta 'desalinizzazzjoni preliminari. Ir-riżultati tagħhom jidhru fix-Xjenza u t-Teknoloġija Ambjentali.

"Sibna li nistgħu nużaw membrani komposti b'film irqiq, li jintużaw biex jippurifikaw l-ilma mielaħ, f'elettrolizzaturi tal-ilma, jaqsmu l-ilma f'gass idroġenu u ossiġnu, filwaqt li nevitaw li nipproduċu gass tal-kloru ta 'ħsara, li jiġri ma' tipi oħra ta 'membrana."
Fl-istudju tagħhom, Rossi u l-kollegi ttestjaw membrani komposti ta 'film irqiq direttament fl-elettrolizzatur-apparat li juża l-elettriku biex jaqsam l-ilma f'idroġenu u ossiġnu-jwettaq fi pass wieħed kemm il-purifikazzjoni tal-ilma kif ukoll il-produzzjoni tal-idroġenu. Sabu li l-mikrostruttura poruża tal-materjal ippermettiet biss protoni żgħar u joni idrossidu li jemigraw madwar il-membrana, u tirrifjuta impuritajiet u joni oħra li jistgħu jipproduċu reazzjonijiet mhux mixtieqa. Ir-riċerkaturi jgħidu li dan l-approċċ ġdid jista 'jissostitwixxi sistemi konvenzjonali, fejn membrani ta' skambju joniku għaljin huma użati flimkien ma 'għalf ta' ilma ultrapur.

"Il-membrani irħas tad-desalinizzazzjoni tal-ilma jistgħu jkunu alternattiva għal membrani bbażati fuq polimeri aktar għaljin u jistgħu jintużaw għall-produzzjoni tal-idroġenu minn sorsi tal-ilma ta 'grad baxx bħall-ilma baħar," qal Rossi. "Ir-riżultat huwa proċess effiċjenti ta 'produzzjoni tal-idroġenu minn sorsi ta' enerġija rinnovabbli li jelimina l-ħtieġa għall-purifikazzjoni tal-ilma."

Huwa nnota li l-ilma baħar huwa diffiċli biex jintuża fl-elettrolizzaturi minħabba s-salinità għolja tiegħu. Madankollu, huwa abbundanti u disponibbli f'postijiet bħal żoni kostali, fejn jista 'jiġi ġġenerat elettriku rinnovabbli bħax-xemx u r-riħ, iżda fejn hemm disponibbiltà baxxa ta' ilma ħelu. F'postijiet bħal dawn, sorsi oħra ta 'ilma ta' grad baxx bħal ilma mormi jistgħu potenzjalment jintużaw minflok ilma baħar f'dan il-proċess.

It-tim iffinanzjat mill-Fondazzjoni Nazzjonali tax-Xjenza tal-Istati Uniti integra t-teknoloġija tal-purifikazzjoni tal-ilma f'disinn ġdid ta 'prova ta' kunċett għal elettrolizzatur tal-ilma baħar, li juża kurrent elettriku biex jaqsam l-idroġenu u l-ossiġnu fil-molekuli tal-ilma.

Dan il-metodu ġdid għal "qsim tal-ilma baħar" jista 'jagħmilha aktar faċli li l-enerġija mir-riħ u solari tinbidel f'karburant li jista' jinħażen u li jinġarr, skont Bruce Logan, inġinier ambjentali.

"L-idroġenu huwa karburant kbir, imma trid tagħmel dan," qal Logan. "L-uniku mod sostenibbli biex tagħmel dan huwa li tuża l-enerġija rinnovabbli u tipproduċiha mill-ilma. Jeħtieġ ukoll li tuża ilma li n-nies ma jridux jużaw għal affarijiet oħra, u dak ikun ilma baħar. Allura, il-grail qaddis tal-produzzjoni tal-idroġenu tkun li tgħaqqad l-ilma baħar u l-enerġija mir-riħ u mix-xemx li tinsab fl-ambjenti kostali u 'l barra mix-xtut."

Minkejja l-abbundanza ta 'ilma baħar, mhuwiex komunement użat għall-qsim ta' l-ilma. Sakemm l-ilma ma jiġix desalinizzat qabel ma jidħol fl-elettrolizzatur, pass żejjed għali, il-joni tal-klorur fl-ilma baħar jinbidlu f'gass tal-kloru tossiku, li jiddegrada t-tagħmir u jidħol fl-ambjent.

Biex jipprevjenu dan, ir-riċerkaturi daħlu membrana rqiqa, semipermeabbli, żviluppata oriġinarjament għall-purifikazzjoni tal-ilma fil-proċess ta 'trattament ta' reverse osmosis. Il-membrana tar-reverse osmosis issostitwiet il-membrana tal-iskambju tal-jone użata komunement fl-elettrolizzaturi.
"L-idea wara l-osmosis inversa hija li tpoġġi pressjoni tassew għolja fuq l-ilma u timbottaha permezz tal-membrana u żżomm il-joni tal-klorur lura," qal Logan.

Permezz ta 'serje ta' esperimenti ppubblikati f'Energy & Environmental Science, ir-riċerkaturi ttestjaw żewġ membrani reverse osmosis disponibbli kummerċjalment u żewġ membrani ta 'skambju ta' katjoni, tip ta 'membrana ta' skambju joniku li jippermetti l-moviment tal-joni kollha ċċarġjati b'mod pożittiv fis-sistema.

L-enerġija nadifa hija prijorità ewlenija għall-pajjiżi madwar id-dinja. Filwaqt li l-enerġija konvenzjonali tiddependi fuq fjuwils fossili bħall-faħam, il-gass naturali u ż-żejt, l-enerġija nadifa tiġi f'diversi forom bħal solari, riħ, ġeotermali, idroelettriċi u bijomassa.

L-idroġenu, ukoll, huwa għażla ewlenija għall-ħażna tal-enerġija għall-enerġija rinnovabbli u jista 'jgħin biex jitnaqqsu l-livelli għoljin ta' emissjonijiet tal-karbonju.
Ir-riċerka attwali tissuġġerixxi li l-elettroliżi tal-ilma mielaħ - il-proċess tal-qsim tal-ilma f'ossiġnu u idroġenu - hija soluzzjoni vijabbli għall-isfidi komuni tal-elettroliżi tal-ilma ħelu. L-elettroliżi tal-ilma baħar tista 'tipproduċi idroġenu sostenibbli mingħajr ma teggrava n-nuqqas globali tal-ilma ħelu.

Skont iċ-Ċentru tad-Data tal-Fjuwil Alternattiv tad-Dipartiment tal-Enerġija tal-Istati Uniti, l-idroġenu pur huwa element abbundanti fid-Dinja li juri wegħda kbira fl-appoġġ tat-tranżizzjoni għal enerġija nadifa, sostenibbli u rinnovabbli.

Wara li jiġi prodott l-idroġenu, jista 'jiġġenera l-elettriku f'ċellula tal-fjuwil u jarmi fwar tal-ilma u arja sħuna biss. Minħabba li l-idroġenu ma jirrilaxxa l-ebda gassijiet serra, ossidi tan-nitroġenu, idrokarburi, jew materja partikulata oħra, ma jaffettwax b'mod negattiv l-ambjent.
L-idroġenu għandu benefiċċji oħra li se jgħinu biex tinħoloq ekonomija ta' enerġija nadifa. Hija soluzzjoni ta 'enerġija ottimali f'żoni tipikament ta' sfida biex jiġu dekarbonizzati. Iżżid l-affidabbiltà u r-reżiljenza tal-grilja moderna tal-enerġija. Tista' wkoll ittejjeb is-saħħa pubblika u l-istat tal-ambjent.

Barra minn hekk, jista 'jżid in-numru ta' opportunitajiet ta 'impjieg u s-sigurtà tal-enerġija fl-industriji globali. Jista 'jgħin lill-industrija tat-trasport issir aktar sostenibbli u tappoġġja l-bidla għal vetturi elettriċi (EVs). U jista 'jikkontribwixxi għal żieda fid-dħul u ssaħħaħ l-ekonomija dinjija.

Sfida waħda li żżid l-ispejjeż assoċjati mal-produzzjoni tal-idroġenu aħdar hija li l-elettrolizzaturi jeħtieġu ilma ultrapur. Dan jagħmel l-elettroliżi tradizzjonali tal-ilma mielaħ diffiċli minħabba li ħafna sorsi tal-ilma huma mimlija b'kontaminanti.
Għalkemm l-EPA għandha rekwiżiti stretti għall-ilma minħabba l-preżenza ta 'ċomb, klorin u batterji, dan mhux bilfors ifisser li l-ilma kollu huwa ħieles minn kontaminanti.

Elettroliżi tal-ilma baħar
Ir-riċerka dwar l-elettroliżi tal-ilma baħar ħarġet fil-bidu tas-seklu 19. Għalkemm ix-xjentisti għamlu avvanzi fil-produzzjoni tal-idroġenu, qatt ma kisbet trazzjoni jew saret soluzzjoni tal-enerġija vijabbli. Fis-seklu 20, l-idroġenu kien estratt l-aktar mill-gass naturali u użat biex iħaddem karozzi, karozzi tal-linja, blimps u rokits.

Filwaqt li l-użu ta' dan l-idroġenu kien fattibbli, il-produzzjoni tiegħu kienet ta' enerġija intensiva u kkontribwiet għall-emissjonijiet tal-karbonju, waħda mill-kawżi ewlenin tat-tibdil fil-klima. Barra minn hekk, xi bliet jiffiltraw l-iskart solidu muniċipali bit-teknoloġija taċ-ċelloli tal-fjuwil tal-idroġenu, li tipproduċi l-idroġenu u tipprevjeni l-kontaminazzjoni derivata mill-iskart fil-provvisti tal-ilma lokali.

Diversi riċerkaturi u xjenzati qed jiżviluppaw teknoloġiji avvanzati li jużaw l-elettroliżi tal-ilma baħar biex jevitaw dawn l-isfidi. Jekk dawn it-teknoloġiji jaħdmu sew, se jipproduċu idroġenu sostenibbli mingħajr ma jużaw riżorsi tal-ilma ħelu jew jikkontribwixxu għall-emissjonijiet tal-karbonju.

Il-prodotti jinbiegħu fir-reġjuni kollha taċ-Ċina u esportati lejn pajjiżi madwar id-dinja. Ġew mibjugħa f'aktar minn 20 pajjiż u reġjun inklużi l-Istati Uniti, il-Ġermanja, il-Marokk, il-Kenja, l-Għarabja Sawdija, il-Vjetnam, l-Alġerija, l-Indja, it-Tanżanija u t-Tajwan. Ipprovdew b'suċċess intrapriżi magħrufa bħal China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group u intrapriżi oħra magħrufa. Hemm ħafna stazzjonijiet tal-idroġenu tal-idroġenu tal-idroġenu aħdar bħal Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming, eċċ jipprovdu proġetti ħodor u li jagħmlu l-idroġenu.