Vodonik morske vode

NAUČNICI su razvili sistem koji može proizvesti zeleni vodonik direktno iz morske vode bez potrebe za bilo kakvim procesima prethodnog tretmana poput desalinizacije. Tim koji stoji iza razvoja, koji uključuje uvođenje sloja Lewisove kiseline na katalizator oksida prijelaznog metala, kaže da metoda pokazuje veliki potencijal za komercijalnu primjenu.

Preko 97% vode na Zemljinoj površini je slana voda u okeanima, 2% se skladišti kao slatka voda u ledenim kapama, glečerima i planinskim lancima prekrivenim snijegom, a samo 1% je dostupno za naše dnevne potrebe za vodom.

 
Slana voda se može pretvoriti u vodu za piće kroz proces koji se zove desalinizacija, tehnika na koju se neke oblasti širom svijeta oslanjaju za proizvodnju slatke vode za ljudsku potrošnju te za kućnu i industrijsku upotrebu. Ali desalinizacija je energetski zahtjevan proces, a što je još gore, često se pokreće iz izvora energije koji su neodrživi.

Podjela vode na njene sastavne dijelove je također dobro shvaćena. Proces – poznat kao elektroliza – koristi jednosmjernu struju između dvije elektrode uronjene u elektrolit kako bi se voda podijelila na vodik i kisik. Vodik se formira na katodi, odnosno negativnoj elektrodi, a kisik na pozitivnoj elektrodi ili anodi.

Budući da mješavina plinova može eksplodirati, većina elektrolizera odvaja anodu i katodu debelom, poroznom plastičnom folijom, a metalni katalizatori poput nikla i željeza se koriste za ubrzavanje reakcija.

Spajanje oba ova procesa, odnosno desalinizacija morske vode, a zatim njeno razdvajanje da bi se stvorio vodik, dugo je hvaljeno kao jedno od najboljih rješenja za obezbjeđivanje čistog i pristupačnog goriva za energiju, koja bi zauzvrat mogla napajati sve, od gradske struje do proizvodnje čelika, za proizvodnju đubriva, pa čak i kao gorivo za avione – lista potencijalnih upotreba je duga.

Međutim, jedan od razloga zašto već ne koristimo vodikovo gorivo za letenje oko svijeta je taj što slana voda i druge nečistoće korodiraju elektrode, skraćujući njihov vijek trajanja. Kako su te komponente obično napravljene od rijetkih metala kao što je platina, košta previše da ih se stalno mijenja. Joni klorida u morskoj vodi također su problem, a reakcije elektrooksidacije hlora (ClOR) natječu se s reakcijom evolucije kisika (OER) na anodi tijekom elektrolize. Ova reakcija rezultira oslobađanjem toksičnih i korozivnih vrsta hlora kao što je hipohlorit. Hipohlorit je relativno nestabilan, može osloboditi otrovni plin klora kada se pomiješa s amonijakom ili kiselinom, a može i progristi nehrđajući čelik.

Da bi se ovo zaobišlo, morska voda bi se mogla desalinizirati i pročistiti prije obrade, ali ni to nije uvijek finansijski isplativo. Druga opcija je oblaganje elektroda polianionima da bi se suzbila korozija, ali i to može biti skupo.

Malo klimatskih rješenja dolazi bez nedostataka. "Zeleni" vodonik, napravljen korištenjem obnovljive energije za cijepanje molekula vode, mogao bi pokretati teška vozila i dekarbonizirati industriju poput proizvodnje čelika bez izbacivanja dašaka ugljičnog dioksida. Ali budući da su mašine za cijepanje vode, ili elektrolizatori, dizajnirani da rade s čistom vodom, povećanje zelenog vodonika moglo bi pogoršati globalnu nestašicu slatke vode. Sada nekoliko istraživačkih timova izvještava o napretku u proizvodnji vodonika direktno iz morske vode, koja bi mogla postati neiscrpan izvor zelenog vodonika.

Danas se gotovo sav vodonik proizvodi razbijanjem metana, sagorijevanjem fosilnih goriva za stvaranje potrebne topline i pritiska. Oba koraka oslobađaju ugljični dioksid. Zeleni vodonik mogao bi zamijeniti ovaj prljavi vodonik, ali trenutno košta više nego dvostruko više, otprilike 5 dolara po kilogramu. To je dijelom zbog visoke cijene elektrolizera, koji se oslanjaju na katalizatore napravljene od plemenitih metala. Američko ministarstvo energetike nedavno je pokrenulo desetogodišnji napor da poboljša elektrolizere i smanji cijenu zelenog vodonika na 1 dolar po kilogramu.

Ako uspiju i proizvodnja zelenog vodonika skoči u nebo, pritisak bi se mogao povećati na svjetske zalihe slatke vode. Za proizvodnju 1 kilograma vodika elektrolizom potrebno je oko 10 kilograma vode. Prema Međunarodnoj agenciji za obnovljive izvore energije, za vožnju kamiona i ključnih industrija na zeleni vodonik moglo bi biti potrebno otprilike 25 milijardi kubnih metara svježe vode godišnje, što je ekvivalentno potrošnji vode u zemlji sa 62 miliona ljudi.

Morska voda je gotovo neograničena, ali njeno razdvajanje dolazi sa svojim problemima. Elektrolizatori su napravljeni slično kao baterije, sa parom elektroda okruženim vodenim elektrolitom. U jednom dizajnu, katalizatori na katodi dijele molekule vode na vodikove (H+) i hidroksilne (OH-) ione. Višak elektrona na katodi spaja parove vodikovih jona u vodonik (H2), koji izlazi iz vode. OH- joni, u međuvremenu, putuju kroz membranu između elektroda kako bi došli do anode, gdje katalizatori spajaju kisik u plin kisik (O2) koji se oslobađa.

Međutim, kada se koristi morska voda, isti električni udar koji stvara O2 na anodi također pretvara ione klorida u slanoj vodi u visoko korozivni plin klora, koji razjeda elektrode i katalizatore. Ovo obično uzrokuje kvar elektrolizera za samo nekoliko sati kada normalno mogu raditi godinama.

Vodik je svestrana kemikalija koja se koristi za proizvodnju mnogih proizvoda, uključujući gnojiva. Vodik je također ključna komponenta tehnologije gorivnih ćelija, koja koristi električnu energiju proizvedenu iz obnovljivih, ali isprekidanih izvora energije poput sunca i vjetra. Većina vodonika koji se proizvodi u svijetu potiče od procesa u kojem se metan izlaže toplini i pari kako bi se dobio vodonik.

Vodik se također može proizvesti elektrolizom vode, koja koristi električnu energiju za razdvajanje molekula vode na vodik i kisik koji se napajaju obnovljivim izvorima poput sunca i vjetra. Ali postoji kvaka. Za elektrolizu je potrebna vrlo čista voda koja je deionizirana, što znači da se prvo moraju ukloniti sve nečistoće, minerali i elektronski nabijene čestice. Konvencionalni procesi prečišćavanja vode zahtijevaju skupu opremu i mogu dovesti do gubitka energije.

Istraživači na Odsjeku za zdravlje i inženjering na Univerzitetu Johns Hopkins, u saradnji sa Penn State University, pronašli su način da koriste morsku vodu kao direktan izvor vodonika, bez potrebe za preliminarnim desalinizacijom. Njihovi rezultati se pojavljuju u Environmental Science & Technology.

„Otkrili smo da možemo koristiti tankoslojne kompozitne membrane, koje se koriste za pročišćavanje slane vode, u elektrolizerima vode, cijepajući vodu na plin vodonik i kisik, izbjegavajući pritom proizvodnju štetnog plina klora, što se događa s drugim tipovima membrana.
U svojoj studiji, Rossi i kolege su testirali tankoslojne kompozitne membrane direktno u elektrolizeru - uređaju koji koristi električnu energiju za razdvajanje vode na vodonik i kiseonik - postižući u jednom koraku i prečišćavanje vode i proizvodnju vodonika. Otkrili su da porozna mikrostruktura materijala dozvoljava samo malim protonima i hidroksidnim jonima da migriraju kroz membranu, odbacujući nečistoće i druge ione koji mogu izazvati neželjene reakcije. Istraživači kažu da bi ovaj novi pristup mogao zamijeniti konvencionalne sisteme, gdje se koriste skupe membrane za ionsku izmjenu u kombinaciji s ultračistom vodom.

"Jeftine membrane za desalinizaciju vode mogu biti alternativa skupljim membranama na bazi polimera i mogu se koristiti za proizvodnju vodonika iz izvora vode niske kvalitete poput morske vode", rekao je Rossi. "Rezultat je efikasan proces proizvodnje vodonika iz obnovljivih izvora energije koji eliminira potrebu za pročišćavanjem vode."

Napomenuo je da je morsku vodu teško koristiti u elektrolizerima zbog visokog saliniteta. Međutim, ima ga u izobilju i dostupno je na lokacijama kao što su priobalna područja, gdje se može proizvesti električna energija iz obnovljivih izvora poput sunca i vjetra, ali gdje je slaba dostupnost slatke vode. Na takvim lokacijama, drugi izvori vode niske kvalitete, poput otpadnih voda, potencijalno bi se mogli koristiti umjesto morske vode u ovom procesu.

Tim koji financira Nacionalna naučna fondacija SAD-a integrirao je tehnologiju za pročišćavanje vode u novi dokazni koncept za elektrolizer morske vode, koji koristi električnu struju za razdvajanje vodika i kisika u molekulima vode.

Ova nova metoda za "cijepanje morske vode" mogla bi olakšati pretvaranje energije vjetra i sunca u skladišteno i prenosivo gorivo, prema Bruceu Loganu, inženjeru zaštite okoliša.

"Vodonik je odlično gorivo, ali morate ga napraviti", rekao je Logan. "Jedini održivi način za to je korištenje obnovljive energije i proizvodnja je iz vode. Također morate koristiti vodu koju ljudi ne žele koristiti za druge stvari, a to bi bila morska voda. Dakle, sveti gral proizvodnje vodika bilo bi kombinirati morsku vodu i energiju vjetra i sunčevu energiju koja se nalazi u priobalnim i priobalnim sredinama."

Unatoč obilju morske vode, ne koristi se obično za cijepanje vode. Osim ako se voda ne desalinizira prije ulaska u elektrolizer, što je skup dodatni korak, joni klorida u morskoj vodi pretvaraju se u otrovni plin klora, koji razgrađuje opremu i ulazi u okoliš.

Kako bi to spriječili, istraživači su umetnuli tanku, polupropusnu membranu, prvobitno razvijenu za pročišćavanje vode u procesu tretmana reverznom osmozom. Membrana za reverznu osmozu zamijenila je membranu za ionsku izmjenu koja se obično koristi u elektrolizerima.
„Ideja koja stoji iza reverzne osmoze je da stavite veoma visok pritisak na vodu i gurnete je kroz membranu i zadržite hloridne jone“, rekao je Logan.

Kroz seriju eksperimenata objavljenih u Energy & Environmental Science, istraživači su testirali dvije komercijalno dostupne membrane za reverznu osmozu i dvije membrane za kationsku izmjenu, vrstu membrane za izmjenu jona koja omogućava kretanje svih pozitivno nabijenih jona u sistemu.

Čista energija je glavni prioritet za zemlje širom svijeta. Dok se konvencionalna energija oslanja na fosilna goriva poput uglja, prirodnog plina i nafte, čista energija dolazi u različitim oblicima kao što su solarna energija, energija vjetra, geotermalna energija, hidroelektrična energija i biomasa.

Vodik je, također, vodeća opcija za skladištenje energije za obnovljive izvore i mogao bi pomoći u smanjenju visokog nivoa emisije ugljika.
Trenutna istraživanja sugeriraju da je elektroliza slane vode – proces cijepanja vode na kisik i vodik – održivo rješenje za uobičajene izazove elektrolize slatke vode. Elektroliza morske vode mogla bi proizvesti održivi vodonik bez pogoršanja globalne nestašice slatke vode.

Prema podacima Centra za alternativna goriva Ministarstva energetike Sjedinjenih Država, čisti vodonik je element u izobilju na Zemlji koji pokazuje veliko obećanje u podršci tranziciji na čistu, održivu i obnovljivu energiju.

Nakon što se proizvede vodonik, može proizvesti električnu energiju u gorivoj ćeliji i emituje samo vodenu paru i topli zrak. Budući da vodik ne oslobađa stakleničke plinove, dušikove okside, ugljovodonike ili druge čestice, ne utječe negativno na okoliš.
Vodonik ima i druge prednosti koje će pomoći u stvaranju ekonomije čiste energije. To je optimalno energetsko rješenje u tipično izazovnim područjima za dekarbonizaciju. Povećava pouzdanost i otpornost moderne električne mreže. Takođe može poboljšati javno zdravlje i stanje životne sredine.

Osim toga, može povećati broj prilika za zapošljavanje i energetsku sigurnost u globalnim industrijama. Može pomoći transportnoj industriji da postane održivija i podržati prelazak na električna vozila (EV). I može doprinijeti povećanju prihoda i jačanju svjetske ekonomije.

Jedan izazov koji povećava troškove povezane s proizvodnjom zelenog vodonika je taj što elektrolizatori zahtijevaju ultra čistu vodu. To otežava tradicionalnu elektrolizu slane vode jer su mnogi izvori vode ispunjeni zagađivačima.
Iako EPA ima stroge zahtjeve za vodu zbog prisustva olova, hlora i bakterija, to ne znači nužno da je sva voda bez zagađivača.

Elektroliza morske vode
Istraživanje elektrolize morske vode pojavilo se početkom 19. stoljeća. Iako su naučnici napredovali u proizvodnji vodonika, on nikada nije dobio na snazi ​​niti je postao održivo energetsko rješenje. U 20. veku, vodonik se uglavnom izdvajao iz prirodnog gasa i koristio se za pogon automobila, autobusa, dilera i raketa.

Iako je korištenje ovog vodonika bilo izvodljivo, njegova proizvodnja je bila energetski intenzivna i doprinijela je emisiji ugljika, jednom od glavnih uzroka klimatskih promjena. Osim toga, neki gradovi filtriraju komunalni čvrsti otpad tehnologijom vodoničnih gorivnih ćelija, koja proizvodi vodonik i sprječava kontaminaciju otpadom u lokalnim vodovodima.

Razni istraživači i naučnici razvijaju napredne tehnologije koristeći elektrolizu morske vode kako bi izbjegli ove izazove. Ako ove tehnologije rade ispravno, proizvodit će održiv vodonik bez korištenja slatkovodnih resursa ili doprinosa emisiji ugljika.

Proizvodi se prodaju u svim regionima Kine i izvoze u zemlje širom sveta. Prodani su u više od 20 zemalja i regija uključujući Sjedinjene Države, Njemačku, Maroko, Keniju, Saudijsku Arabiju, Vijetnam, Alžir, Indiju, Tanzaniju i Tajvan. Uspješno su osigurala poznata preduzeća kao što su China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group i druga poznata preduzeća. Postoje mnoge zelene stanice za hidrogenaciju vodonika kao što su Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming, itd. koje pružaju projekte zelene i vodonik.