Merivesi vety

TUTKIJAT ovat kehittäneet järjestelmän, joka voi tuottaa vihreää vetyä suoraan merivedestä ilman mitään esikäsittelyprosesseja, kuten suolanpoistoa. Kehityksen takana oleva tiimi, joka sisältää Lewis-happokerroksen käyttöönoton siirtymämetallioksidikatalyytissä, sanoo, että menetelmällä on suuri potentiaali kaupalliseen käyttöön.

Yli 97 % maan pinnalla olevasta vedestä on valtamerten suolaista vettä, 2 % on varastoituneena makeana vedenä jääpeitteissä, jäätikköissä ja lumihuippuisissa vuoristoissa, ja vain 1 % on saatavilla päivittäiseen vesihuoltotarpeeseemme.

 
Suolavesi voidaan valmistaa juomakelpoiseksi prosessilla, jota kutsutaan suolanpoistoksi, joka on tekniikka, jota joillakin alueilla ympäri maailmaa käytetään tuottamaan makeaa vettä ihmisravinnoksi sekä kotitalous- ja teollisuuskäyttöön. Mutta suolanpoisto on energiaa vaativa prosessi, ja mikä vielä pahempaa, se käyttää usein energialähteitä, jotka eivät ole kestäviä.

Veden jakaminen sen osiin on myös hyvin ymmärretty. Prosessi, joka tunnetaan nimellä elektrolyysi, käyttää tasavirtaa kahden elektrolyyttiin upotetun elektrodin välillä veden jakamiseksi vedyksi ja hapeksi. Vetyä muodostuu katodille tai negatiiviselle elektrodille ja happea positiiviselle elektrodille tai anodille.

Koska kaasuseos voi räjähtää, useimmat elektrolyysilaitteet erottavat anodin ja katodin paksulla, huokoisella muovilevyllä, ja metallikatalyyttejä, kuten nikkeliä ja rautaa, käytetään nopeuttamaan reaktioita.

Näiden molempien prosessien yhdistämistä, nimittäin suolan poistamista merivedestä ja sen jakamista vedyn tuottamiseksi, on pitkään pidetty yhtenä parhaista ratkaisuista tuottaa puhdasta ja kohtuuhintaista polttoainetta energiaan, joka puolestaan ​​voisi toimia kaikkeen kaupungin sähköstä teräksessä, lannoitteiden valmistuksessa ja jopa lentokonepolttoaineena – luettelo mahdollisista käyttökohteista on pitkä.

Yksi syy siihen, miksi emme jo käytä vetypolttoainetta lentämään ympäri maailmaa, on kuitenkin se, että suolavesi ja muut epäpuhtaudet syövyttävät elektrodeja ja lyhentävät niiden käyttöikää. Koska nämä komponentit on tyypillisesti valmistettu harvinaisista metalleista, kuten platinasta, niiden vaihtaminen maksaa liian paljon. Meriveden kloridi-ionit ovat myös ongelma, ja kloorin sähköhapetusreaktiot (ClOR) kilpailevat anodin happikehitysreaktion (OER) kanssa elektrolyysin aikana. Tämän reaktion seurauksena vapautuu myrkyllisiä ja syövyttäviä klooriyhdisteitä, kuten hypokloriittia. Hypokloriitti on suhteellisen epästabiili, se voi vapauttaa myrkyllistä kloorikaasua, kun se sekoitetaan ammoniakin tai hapon kanssa, ja se voi myös syödä ruostumatonta terästä.

Tämän kiertämiseksi merivedestä voidaan poistaa suola ja puhdistaa se ennen sen käsittelyä, mutta tämäkään ei aina ole taloudellisesti kannattavaa. Toinen vaihtoehto on pinnoittaa elektrodit polyanioneilla korroosion estämiseksi, mutta tämäkin voi olla kallista.

Harvat ilmastoratkaisut tulevat ilman haittapuolia. "Vihreä" vety, joka on valmistettu käyttämällä uusiutuvaa energiaa vesimolekyylien pilkkomiseen, voisi toimia raskaiden ajoneuvojen voimanlähteenä ja vähentää hiilidioksidipäästöjä teollisuudessa, kuten teräksenvalmistuksessa, ilman, että se vuotaa hiilidioksidia. Mutta koska vedenjakamiskoneet tai elektrolysaattorit on suunniteltu toimimaan puhtaan veden kanssa, vihreän vedyn lisääminen voi pahentaa maailmanlaajuista makean veden puutetta. Nyt useat tutkimusryhmät raportoivat edistymisestä vedyn tuotannossa suoraan merivedestä, josta voi tulla ehtymätön vihreän vedyn lähde.

Nykyään lähes kaikki vety valmistetaan hajottamalla metaania, polttamalla fossiilisia polttoaineita tarvittavan lämmön ja paineen tuottamiseksi. Molemmat vaiheet vapauttavat hiilidioksidia. Vihreä vety voisi korvata tämän likaisen vedyn, mutta tällä hetkellä se maksaa yli kaksi kertaa niin paljon, noin 5 dollaria kilolta. Tämä johtuu osittain jalometalleista valmistettuihin katalyytteihin perustuvien elektrolyysilaitteiden korkeista kustannuksista. Yhdysvaltain energiaministeriö käynnisti äskettäin vuosikymmenen mittaisen hankkeen parantaakseen elektrolyysilaitteita ja alentaakseen vihreän vedyn hintaa 1 dollariin kilolta.

Jos ne onnistuvat ja vihreän vedyn tuotanto kasvaa pilviin, paine voi nousta maailman makean veden varastoihin. Yhden kilon vetyä tuottamaan elektrolyysillä kuluu noin 10 kiloa vettä. Kuorma-autot ja keskeiset teollisuudenalat vihreällä vedyllä voivat tarvita noin 25 miljardia kuutiometriä makeaa vettä vuodessa, mikä vastaa 62 miljoonan asukkaan maan vedenkulutusta Kansainvälisen uusiutuvan energian järjestön mukaan.

Merivesi on lähes rajatonta, mutta sen halkeamiseen liittyy omat ongelmansa. Elektrolysaattorit on rakennettu akkujen tapaan, ja elektrodiparilla on vetinen elektrolyytti. Yhdessä mallissa katodissa olevat katalyytit jakavat vesimolekyylejä vety- (H+)- ja hydroksyyli- (OH-)-ioneiksi. Katodin ylimääräiset elektronit yhdistävät vetyioniparit vetykaasuksi (H2), joka kuplii vedestä. OH-ionit puolestaan ​​kulkevat elektrodien välisen kalvon läpi saavuttaakseen anodin, jossa katalyytit yhdistävät hapen vapautuvaksi happikaasuksi (O2).

Merivettä käytettäessä sama sähköinen tärinä, joka tuottaa O2:ta anodilla, muuttaa kuitenkin myös suolaveden kloridi-ionit erittäin syövyttäväksi kloorikaasuksi, joka syö elektrodit ja katalyytit. Tämä aiheuttaa tyypillisesti elektrolyysilaitteiden epäonnistumisen muutamassa tunnissa, kun ne voivat normaalisti toimia vuosia.

Vety on monipuolinen kemikaali, jota käytetään monien tuotteiden, mukaan lukien lannoitteiden, valmistukseen. Vety on myös keskeinen osa polttokennoteknologiaa, jossa hyödynnetään uusiutuvien mutta ajoittaisten energialähteiden, kuten auringon ja tuulen, tuottamaa sähköä. Suurin osa maailmanlaajuisesti tuotetusta vedystä on peräisin prosessista, jossa metaani altistetaan lämmölle ja höyrylle, jolloin saadaan vetyä.

Vetyä voidaan tuottaa myös veden elektrolyysillä, joka käyttää sähköä vesimolekyylien jakamiseen vedyksi ja hapeksi uusiutuvien lähteiden, kuten auringon ja tuulen, avulla. Mutta siinä on saalis. Elektrolyysi vaatii erittäin puhdasta vettä, joka on deionisoitu, eli kaikki epäpuhtaudet, mineraalit ja elektronisesti varautuneet hiukkaset on ensin poistettava. Perinteiset vedenpuhdistusprosessit vaativat kalliita laitteita ja voivat johtaa energiahäviöön.

Johns Hopkinsin yliopiston ympäristöterveyden ja -tekniikan laitoksen tutkijat ovat yhteistyössä Penn State Universityn kanssa löytäneet tavan käyttää merivettä suorana vedyn lähteenä ilman, että alustavaa suolanpoistoa tarvitaan. Niiden tulokset näkyvät Environmental Science & Technology -lehdessä.

"Huomasimme, että voimme käyttää ohutkalvokomposiittikalvoja, joita käytetään suolaveden puhdistamiseen, vesielektrolysaattoreissa jakaen veden vetykaasuksi ja hapeksi, samalla kun vältetään haitallisen kloorikaasun tuottaminen, mitä tapahtuu muilla kalvotyypeillä."
Rossi ja kollegat testasivat tutkimuksessaan ohutkalvokomposiittikalvoja suoraan elektrolysaattorissa - laitteessa, joka käyttää sähköä veden jakamiseen vedyksi ja hapeksi, mikä suoritti yhdessä vaiheessa sekä vedenpuhdistuksen että vedyn tuotannon. He havaitsivat, että materiaalin huokoinen mikrorakenne mahdollisti vain pienten protonien ja hydroksidi-ionien kulkemisen kalvon läpi, mikä hylkäsi epäpuhtaudet ja muut ionit, jotka voivat aiheuttaa ei-toivottuja reaktioita. Tutkijat sanovat, että tämä uusi lähestymistapa voisi korvata perinteiset järjestelmät, joissa käytetään kalliita ioninvaihtokalvoja yhdessä ultrapuhtaan veden kanssa.

"Halvat veden suolanpoistokalvot voivat olla vaihtoehto kalliimmille polymeeripohjaisille kalvoille, ja niitä voidaan käyttää vedyn tuotantoon heikkolaatuisista vesilähteistä, kuten merivedestä", Rossi sanoi. "Tuloksena on tehokas vedyn tuotantoprosessi uusiutuvista energialähteistä, joka eliminoi vedenpuhdistuksen tarpeen."

Hän huomautti, että merivettä on haastavaa käyttää elektrolysaattoreissa sen korkean suolapitoisuuden vuoksi. Sitä on kuitenkin runsaasti ja sitä on saatavilla esimerkiksi rannikkoalueilla, joilla voidaan tuottaa uusiutuvaa sähköä, kuten aurinko- ja tuulivoimaa, mutta joissa makean veden saatavuus on heikko. Tällaisissa paikoissa meriveden sijasta voitaisiin mahdollisesti käyttää muita huonolaatuisia vesilähteitä, kuten jätevettä.

Yhdysvaltain kansallisen tiedesäätiön rahoittama tiimi integroi vedenpuhdistustekniikan uuteen merivesielektrolysaattoriin, joka käyttää sähkövirtaa jakaakseen vedyn ja hapen vesimolekyyleissä.

Ympäristöinsinööri Bruce Loganin mukaan tämä uusi menetelmä "meriveden jakamiseen" voisi helpottaa tuuli- ja aurinkoenergian muuttamista varastoitavaksi ja kannettavaksi polttoaineeksi.

"Vety on loistava polttoaine, mutta sinun täytyy valmistaa se", Logan sanoi. "Ainoa kestävä tapa tehdä se on käyttää uusiutuvaa energiaa ja tuottaa sitä vedestä. On myös käytettävä vettä, jota ihmiset eivät halua käyttää muuhun, ja se olisi merivettä. Vedyn tuotannon pyhä malja siis. olisi yhdistää merivesi sekä tuuli- ja aurinkoenergia rannikko- ja offshore-ympäristöissä."

Huolimatta meriveden runsaudesta, sitä ei yleisesti käytetä veden jakamiseen. Ellei vedestä poisteta suolaa ennen elektrolysaattoriin tuloa, mikä on kallis lisävaihe, meriveden kloridi-ionit muuttuvat myrkyksi kloorikaasuksi, joka hajottaa laitteiston ja tihkuu ympäristöön.

Tämän estämiseksi tutkijat lisäsivät ohuen, puoliläpäisevän kalvon, joka alun perin kehitettiin veden puhdistamiseen käänteisosmoosikäsittelyssä. Käänteisosmoosikalvo korvasi elektrolysaattoreissa yleisesti käytetyn ioninvaihtokalvon.
"Käänteisosmoosin ideana on, että asetat todella korkean paineen veteen ja työnnät sen kalvon läpi ja pidät kloridi-ionit takana", Logan sanoi.

Energy & Environmental Science -lehdessä julkaistujen kokeiden avulla tutkijat testasivat kahta kaupallisesti saatavilla olevaa käänteisosmoosikalvoa ja kahta kationinvaihtokalvoa, eräänlaista ioninvaihtokalvoa, joka mahdollistaa kaikkien positiivisesti varautuneiden ionien liikkumisen järjestelmässä.

Puhdas energia on maailman maiden etusijalla. Vaikka perinteinen sähkö perustuu fossiilisiin polttoaineisiin, kuten hiileen, maakaasuun ja öljyyn, puhdasta energiaa on eri muodoissa, kuten aurinko-, tuuli-, geoterminen, vesivoima ja biomassa.

Myös vety on uusiutuvien energialähteiden johtava energian varastointivaihtoehto, ja se voi auttaa vähentämään korkeita hiilidioksidipäästöjä.
Nykyiset tutkimukset viittaavat siihen, että suolaisen veden elektrolyysi – prosessi, jossa vesi jaetaan hapeksi ja vedyksi – on toteuttamiskelpoinen ratkaisu makean veden elektrolyysin yleisiin haasteisiin. Meriveden elektrolyysi voisi tuottaa kestävää vetyä pahentamatta maailmanlaajuista makean veden puutetta.

Yhdysvaltain energiaministeriön vaihtoehtoisten polttoaineiden tietokeskuksen mukaan puhdas vety on runsas alkuaine maapallolla, ja se näyttää lupaavalta tukea siirtymistä puhtaaseen, kestävään ja uusiutuvaan energiaan.

Kun vetyä on tuotettu, se voi tuottaa sähköä polttokennossa ja päästää vain vesihöyryä ja lämmintä ilmaa. Koska vety ei vapauta kasvihuonekaasuja, typen oksideja, hiilivetyjä tai muita hiukkasia, se ei vaikuta negatiivisesti ympäristöön.
Vetyllä on muita etuja, jotka auttavat luomaan puhdasta energiataloutta. Se on optimaalinen energiaratkaisu tyypillisesti haastavilla alueilla hiilidioksidin poistamiseksi. Se lisää nykyaikaisen sähköverkon luotettavuutta ja kestävyyttä. Se voi myös parantaa kansanterveyttä ja ympäristön tilaa.

Lisäksi se voi lisätä työllistymismahdollisuuksien määrää ja energiavarmuutta globaaleilla teollisuudenaloilla. Se voi auttaa kuljetusalaa muuttumaan kestävämmiksi ja tukea siirtymistä sähköajoneuvoihin (EV). Ja se voi osaltaan lisätä tuloja ja vahvistaa maailmantaloutta.

Yksi haaste, joka nostaa vihreän vedyn tuotantoon liittyviä kustannuksia, on se, että elektrolysaattorit vaativat erittäin puhdasta vettä. Tämä tekee perinteisestä suolaveden elektrolyysistä vaikeaa, koska monet vesilähteet ovat täynnä epäpuhtauksia.
Vaikka EPA:lla on tiukat vaatimukset vedelle lyijyn, kloorin ja bakteerien vuoksi, se ei välttämättä tarkoita, että kaikki vesi olisi vapaata epäpuhtauksista.

Meriveden elektrolyysi
Meriveden elektrolyysitutkimus syntyi 1800-luvun alussa. Vaikka tutkijat edistyivät vedyn tuotannossa, se ei koskaan saanut vetoa tai siitä ei tullut kannattavaa energiaratkaisua. 1900-luvulla vetyä uutettiin enimmäkseen maakaasusta, ja sitä käytettiin autojen, linja-autojen, räjähdysten ja rakettien voimanlähteenä.

Vaikka tämän vedyn käyttö oli mahdollista, sen tuotanto oli energiaintensiivistä ja lisäsi hiilidioksidipäästöjä, joka on yksi ilmastonmuutoksen tärkeimmistä syistä. Lisäksi jotkin kaupungit suodattavat kiinteää yhdyskuntajätettä vetypolttokennoteknologialla, joka tuottaa vetyä ja estää jätteistä peräisin olevan saastumisen paikallisissa vesihuollossa.

Useat tutkijat ja tiedemiehet kehittävät edistyksellisiä teknologioita meriveden elektrolyysillä välttääkseen nämä haasteet. Jos nämä tekniikat toimivat oikein, ne tuottavat kestävää vetyä käyttämättä makean veden resursseja tai lisäämättä hiilidioksidipäästöjä.

Tuotteita myydään kaikilla Kiinan alueilla ja viedään maihin ympäri maailmaa. Niitä on myyty yli 20 maassa ja alueella, mukaan lukien Yhdysvallat, Saksa, Marokko, Kenia, Saudi-Arabia, Vietnam, Algeria, Intia, Tansania ja Taiwan. Onnistuneesti toimitettuja tunnettuja yrityksiä, kuten China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group ja muut tunnetut yritykset. On monia vihreitä vetyvetyhydrausasemia, kuten Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming jne. tarjoavat vihreitä ja vetyä tuottavia projekteja.