Морская вода Водород

УЧЕНЫЕ разработали систему, которая может производить зеленый водород непосредственно из морской воды без необходимости каких-либо процессов предварительной обработки, таких как опреснение. Команда, стоящая за разработкой, которая предполагает введение слоя кислоты Льюиса на катализатор из оксида переходного металла, говорит, что метод показывает высокий потенциал для коммерческого применения.

Более 97% воды на поверхности Земли — это соленая вода в океанах, 2% хранится в виде пресной воды в ледяных шапках, ледниках и заснеженных горных хребтах, и только 1% доступен для наших ежедневных потребностей в воде.

 
Соленую воду можно превратить в питьевую воду с помощью процесса, называемого опреснением — метода, который используется в некоторых регионах мира для производства пресной воды для потребления человеком, а также для бытового и промышленного использования. Но опреснение — это энергозатратный процесс, и, что еще хуже, оно часто осуществляется за счет источников энергии, которые являются неустойчивыми.

Расщепление воды на составные части также хорошо изучено. В этом процессе, известном как электролиз, используется постоянный ток между двумя электродами, погруженными в электролит, для разделения воды на водород и кислород. Водород образуется на катоде (отрицательном электроде), а кислород — на положительном электроде (аноде).

Поскольку смесь газов может взорваться, в большинстве электролизеров анод и катод разделяются толстым пористым пластиковым листом, а для ускорения реакции используются металлические катализаторы, такие как никель и железо.

Соединение обоих этих процессов вместе, а именно опреснение морской воды и последующее ее расщепление для получения водорода, уже давно считается одним из лучших решений для обеспечения чистого и доступного топлива для производства энергии, которое, в свою очередь, может обеспечивать энергией все: от городского электричества до производства энергии. сталь, производство удобрений и даже топливо для самолетов – список потенциальных применений очень длинный.

Однако одна из причин, по которой мы еще не используем водородное топливо для полетов по всему миру, заключается в том, что соленая вода и другие примеси разъедают электроды, сокращая их срок службы. Поскольку эти компоненты обычно изготавливаются из редких металлов, таких как платина, их замена обходится слишком дорого. Ионы хлорида в морской воде также представляют собой проблему, и реакции электроокисления хлора (ClOR) конкурируют с реакцией выделения кислорода (OER) на аноде во время электролиза. Эта реакция приводит к выделению токсичных и едких соединений хлора, таких как гипохлорит. Гипохлорит относительно нестабилен, он может выделять токсичный газообразный хлор при смешивании с аммиаком или кислотой, а также может разъедать нержавеющую сталь.

Чтобы обойти эту проблему, морскую воду можно опреснять и очищать перед ее обработкой, но это также не всегда экономически целесообразно. Другой вариант — покрыть электроды полианионами для подавления коррозии, но это тоже может быть дорогостоящим.

Лишь немногие климатические решения имеют недостатки. «Зеленый» водород, полученный с использованием возобновляемой энергии для расщепления молекул воды, может использоваться в тяжелых транспортных средствах и декарбонизировать такие отрасли, как сталелитейная промышленность, не выделяя при этом ни малейшего запаха углекислого газа. Но поскольку водоразделительные машины или электролизеры предназначены для работы с чистой водой, увеличение количества зеленого водорода может усугубить глобальную нехватку пресной воды. Теперь несколько исследовательских групп сообщают о достижениях в производстве водорода непосредственно из морской воды, который может стать неисчерпаемым источником зеленого водорода.

Сегодня почти весь водород производится путем расщепления метана и сжигания ископаемого топлива для получения необходимого тепла и давления. Оба этапа выделяют углекислый газ. Зеленый водород мог бы заменить этот грязный водород, но на данный момент он стоит более чем в два раза дороже, примерно 5 долларов за килограмм. Частично это связано с высокой стоимостью электролизеров, в которых используются катализаторы из драгоценных металлов. Министерство энергетики США недавно начало десятилетнюю программу по совершенствованию электролизеров и снижению стоимости зеленого водорода до 1 доллара за килограмм.

Если они добьются успеха и производство экологически чистого водорода резко возрастет, давление на мировые запасы пресной воды может возрасти. Для получения 1 килограмма водорода с помощью электролиза требуется около 10 килограммов воды. По данным Международного агентства по возобновляемым источникам энергии, для работы грузовиков и ключевых отраслей промышленности на «зеленом» водороде может потребоваться примерно 25 миллиардов кубических метров пресной воды в год, что эквивалентно потреблению воды в стране с населением 62 миллиона человек.

Морская вода почти безгранична, но ее расщепление сопряжено со своими проблемами. Электролизеры устроены так же, как батареи: пара электродов окружена водянистым электролитом. В одной конструкции катализаторы на катоде расщепляют молекулы воды на ионы водорода (H+) и гидроксила (OH-). Избыточные электроны на катоде сшивают пары ионов водорода в газообразный водород (H2), который пузырьками выходит из воды. Тем временем ионы OH- проходят через мембрану между электродами и достигают анода, где катализаторы связывают кислород в газообразный кислород (O2), который высвобождается.

Однако при использовании морской воды тот же электрический разряд, который генерирует O2 на аноде, также преобразует ионы хлорида в соленой воде в высококоррозионный газообразный хлор, который разъедает электроды и катализаторы. Обычно это приводит к выходу из строя электролизеров всего за несколько часов, хотя они могут нормально работать годами.

Водород — универсальное химическое вещество, используемое для производства многих продуктов, включая удобрения. Водород также является ключевым компонентом технологии топливных элементов, которая использует электроэнергию, производимую возобновляемыми, но прерывистыми источниками энергии, такими как солнечная энергия и ветер. Большая часть водорода, производимого во всем мире, получается в результате процесса, в котором метан подвергается воздействию тепла и пара для получения водорода.

Водород также можно производить в результате электролиза воды, при котором для расщепления молекул воды на водород и кислород используется электричество, получаемое с помощью возобновляемых источников, таких как солнце и ветер. Но есть одна загвоздка. Для электролиза требуется очень чистая деионизированная вода, а это означает, что все примеси, минералы и частицы с электронным зарядом должны быть сначала удалены. Обычные процессы очистки воды требуют дорогостоящего оборудования и могут привести к потерям энергии.

Исследователи факультета гигиены окружающей среды и инженерии Университета Джонса Хопкинса в сотрудничестве с Университетом штата Пенсильвания нашли способ использовать морскую воду в качестве прямого источника водорода без необходимости предварительного опреснения. Их результаты опубликованы в журнале Environmental Science & Technology.

«Мы обнаружили, что можем использовать тонкопленочные композитные мембраны, которые используются для очистки соленой воды, в электролизерах воды, разделяя воду на газообразный водород и кислород, избегая при этом образования вредного газообразного хлора, что происходит с мембранами других типов».
В своем исследовании Росси и его коллеги протестировали тонкопленочные композитные мембраны непосредственно в электролизере — устройстве, которое использует электричество для разделения воды на водород и кислород, выполняя за один этап как очистку воды, так и производство водорода. Они обнаружили, что пористая микроструктура материала позволяет только небольшим протонам и ионам гидроксида мигрировать через мембрану, отталкивая примеси и другие ионы, которые могут вызвать нежелательные реакции. Исследователи говорят, что этот новый подход может заменить традиционные системы, в которых дорогие ионообменные мембраны используются в сочетании со сверхчистой водой.

«Дешевые мембраны для опреснения воды могут стать альтернативой более дорогим мембранам на полимерной основе и могут использоваться для производства водорода из источников низкосортной воды, таких как морская вода», — сказал Росси. «Результатом является эффективный процесс производства водорода из возобновляемых источников энергии, который устраняет необходимость очистки воды».

Он отметил, что морскую воду сложно использовать в электролизерах из-за ее высокой солености. Тем не менее, его много и он доступен в таких местах, как прибрежные районы, где можно производить возобновляемую электроэнергию, такую ​​​​как солнечная и ветровая, но где мало пресной воды. В таких местах вместо морской воды в этом процессе потенциально могут использоваться другие источники низкосортной воды, такие как сточные воды.

Команда, финансируемая Национальным научным фондом США, интегрировала технологию очистки воды в новую экспериментальную конструкцию электролизера морской воды, который использует электрический ток для разделения водорода и кислорода в молекулах воды.

По мнению Брюса Логана, инженера-эколога, этот новый метод «расщепления морской воды» может облегчить превращение энергии ветра и солнца в хранимое и портативное топливо.

«Водород — отличное топливо, но его нужно добывать», — сказал Логан. «Единственный устойчивый способ сделать это — использовать возобновляемую энергию и производить ее из воды. Вам также необходимо использовать воду, которую люди не хотят использовать для других целей, и это будет морская вода. Итак, Святой Грааль производства водорода было бы объединить морскую воду, энергию ветра и солнца, встречающуюся в прибрежных и морских районах».

Несмотря на обилие морской воды, для расщепления воды она обычно не используется. Если вода не опресняется перед подачей в электролизер (это дорогостоящий дополнительный этап), ионы хлорида в морской воде превращаются в токсичный газообразный хлор, который разрушает оборудование и просачивается в окружающую среду.

Чтобы предотвратить это, исследователи вставили тонкую полупроницаемую мембрану, первоначально разработанную для очистки воды в процессе очистки обратным осмосом. Мембрана обратного осмоса заменила ионообменную мембрану, обычно используемую в электролизерах.
«Идея обратного осмоса заключается в том, что вы оказываете очень высокое давление на воду, проталкиваете ее через мембрану и удерживаете ионы хлорида», — сказал Логан.

В ходе серии экспериментов, опубликованных в журнале Energy & Environmental Science, исследователи протестировали две коммерчески доступные мембраны обратного осмоса и две катионообменные мембраны, тип ионообменной мембраны, которая позволяет перемещать все положительно заряженные ионы в системе.

Чистая энергетика является главным приоритетом для стран всего мира. В то время как традиционная энергия зависит от ископаемого топлива, такого как уголь, природный газ и нефть, чистая энергия поставляется в различных формах, таких как солнечная, ветровая, геотермальная, гидроэлектрическая и биомасса.

Водород также является ведущим вариантом хранения энергии из возобновляемых источников и может помочь снизить высокий уровень выбросов углерода.
Текущие исследования показывают, что электролиз соленой воды – процесс расщепления воды на кислород и водород – является жизнеспособным решением общих проблем электролиза пресной воды. Электролиз морской воды может обеспечить устойчивое производство водорода, не усугубляя глобальную нехватку пресной воды.

По данным Центра данных по альтернативному топливу Министерства энергетики США, чистый водород является распространенным элементом на Земле, который демонстрирует большие перспективы в поддержке перехода к чистой, устойчивой и возобновляемой энергии.

После производства водорода он может генерировать электроэнергию в топливном элементе и выделяет только водяной пар и теплый воздух. Поскольку водород не выделяет парниковых газов, оксидов азота, углеводородов или других твердых частиц, он не оказывает негативного воздействия на окружающую среду.
У водорода есть и другие преимущества, которые помогут создать экономику экологически чистой энергетики. Это оптимальное энергетическое решение в обычно сложных для декарбонизации районах. Это повышает надежность и устойчивость современной электросети. Это также может улучшить здоровье населения и состояние окружающей среды.

Кроме того, это может увеличить количество возможностей трудоустройства и энергетическую безопасность в глобальных отраслях. Это может помочь транспортной отрасли стать более устойчивой и поддержать переход на электромобили (EV). И это может способствовать увеличению доходов и укреплению мировой экономики.

Одна из проблем, приводящих к увеличению затрат, связанных с производством зеленого водорода, заключается в том, что для электролизеров требуется сверхчистая вода. Это затрудняет традиционный электролиз соленой воды, поскольку многие источники воды заполнены загрязнителями.
Хотя Агентство по охране окружающей среды предъявляет строгие требования к воде из-за присутствия свинца, хлора и бактерий, это не обязательно означает, что вся вода свободна от загрязнений.

Электролиз морской воды
Исследования электролиза морской воды начались в начале 19 века. Хотя ученые добились успехов в производстве водорода, оно так и не получило распространения и не стало жизнеспособным энергетическим решением. В 20 веке водород в основном добывался из природного газа и использовался для питания автомобилей, автобусов, дирижаблей и ракет.

Хотя использование этого водорода было осуществимо, его производство было энергоемким и способствовало выбросам углерода, одной из основных причин изменения климата. Кроме того, в некоторых городах твердые бытовые отходы фильтруются с помощью технологии водородных топливных элементов, которая производит водород и предотвращает загрязнение местных источников воды отходами.

Различные исследователи и ученые разрабатывают передовые технологии с использованием электролиза морской воды, чтобы избежать этих проблем. Если эти технологии будут работать правильно, они будут производить устойчивый водород без использования ресурсов пресной воды и без увеличения выбросов углекислого газа.

Продукция реализуется во всех регионах Китая и экспортируется в страны мира. Они продаются более чем в 20 странах и регионах, включая США, Германию, Марокко, Кению, Саудовскую Аравию, Вьетнам, Алжир, Индию, Танзанию и Тайвань. Успешно обеспечиваем такие известные предприятия, как China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group и другие известные предприятия. Существует множество станций гидрогенизации зеленого водорода, таких как Уланчабу, Хайкоу, Хайнань, Хайнань, Хайкоу, Юньнань, Куньмин и т. д., которые предоставляют проекты по производству экологически чистого водорода и водорода.