هیدروژن آب دریا

دانشمندان سیستمی را توسعه داده‌اند که می‌تواند هیدروژن سبز را مستقیماً از آب دریا بدون نیاز به فرآیندهای پیش تصفیه مانند نمک‌زدایی تولید کند. تیم سازنده این توسعه، که شامل معرفی یک لایه اسید لوئیس بر روی یک کاتالیزور اکسید فلزی واسطه است، می‌گویند که این روش پتانسیل بالایی برای کاربرد تجاری دارد.

بیش از 97 درصد از آب سطح زمین را آب شور اقیانوس ها تشکیل می دهد، 2 درصد به عنوان آب شیرین در کلاهک های یخی، یخچال های طبیعی و رشته کوه های پوشیده از برف ذخیره می شود و تنها 1 درصد برای تامین آب مورد نیاز روزانه ما در دسترس است.

 
آب شور را می توان از طریق فرآیندی به نام نمک زدایی به آب آشامیدنی تبدیل کرد، تکنیکی که برخی مناطق در سراسر جهان برای تولید آب شیرین برای مصرف انسان و مصارف خانگی و صنعتی به آن متکی هستند. اما نمک‌زدایی یک فرآیند انرژی‌زا است و بدتر از آن، اغلب توسط منابع انرژی ناپایدار تأمین می‌شود.

تقسیم آب به اجزای تشکیل دهنده آن نیز به خوبی درک شده است. این فرآیند که به عنوان الکترولیز شناخته می شود، از جریان مستقیم بین دو الکترود غوطه ور در یک الکترولیت برای تقسیم آب به هیدروژن و اکسیژن استفاده می کند. هیدروژن در کاتد یا الکترود منفی و اکسیژن در الکترود مثبت یا آند تشکیل می شود.

از آنجا که مخلوطی از گازها می تواند منفجر شود، اکثر الکترولیزها آند و کاتد را با یک ورق پلاستیکی متخلخل و ضخیم جدا می کنند و از کاتالیزورهای فلزی مانند نیکل و آهن برای سرعت بخشیدن به واکنش ها استفاده می شود.

کنار هم قرار دادن هر دوی این فرآیندها، یعنی نمک زدایی آب دریا، و سپس تقسیم آن برای تولید هیدروژن، مدت هاست که به عنوان یکی از بهترین راه حل ها برای تامین سوخت پاک و مقرون به صرفه برای انرژی مورد استقبال قرار گرفته است، که به نوبه خود می تواند همه چیز را از برق یک شهر گرفته تا ساخت را تامین کند. فولاد، تولید کود، و حتی به عنوان سوخت برای هواپیماها - لیست استفاده های بالقوه طولانی است.

با این حال، یکی از دلایلی که ما در حال حاضر از سوخت هیدروژن برای پرواز در سراسر جهان استفاده نمی کنیم، این است که آب شور و سایر ناخالصی ها الکترودها را خورده و عمر آنها را کوتاه می کند. از آنجایی که این قطعات معمولاً از فلزات کمیاب مانند پلاتین ساخته شده‌اند، تعویض آنها بسیار زیاد است. یون‌های کلرید در آب دریا نیز یک مشکل هستند و واکنش‌های الکترواکسیداسیون کلر (ClOR) با واکنش تکاملی اکسیژن (OER) روی آند در طول الکترولیز رقابت می‌کنند. این واکنش منجر به آزاد شدن گونه های سمی و خورنده کلر مانند هیپوکلریت می شود. هیپوکلریت نسبتاً ناپایدار است، وقتی با آمونیاک یا اسید مخلوط شود می تواند گاز سمی کلر آزاد کند و همچنین می تواند فولاد ضد زنگ را از بین ببرد.

برای دور زدن این موضوع، می توان آب دریا را قبل از پردازش، نمک زدایی و تصفیه کرد، اما این همیشه از نظر مالی نیز مقرون به صرفه نیست. گزینه دیگر پوشاندن الکترودها با پلی آنیون ها برای سرکوب خوردگی است، اما این نیز می تواند پرهزینه باشد.

تعداد کمی از راه حل های آب و هوایی بدون جنبه های منفی ارائه می شوند. هیدروژن "سبز" که با استفاده از انرژی های تجدیدپذیر برای تقسیم مولکول های آب ساخته شده است، می تواند وسایل نقلیه سنگین را تامین کند و صنایعی مانند فولادسازی را بدون بیرون ریختن گاز دی اکسید کربن، کربن زدایی کند. اما از آنجایی که دستگاه های تقسیم آب یا الکترولیزها برای کار با آب خالص طراحی شده اند، افزایش هیدروژن سبز می تواند کمبود آب شیرین جهانی را تشدید کند. اکنون، چندین تیم تحقیقاتی در حال گزارش پیشرفت‌هایی در تولید هیدروژن به طور مستقیم از آب دریا هستند که می‌تواند به منبع پایان ناپذیر هیدروژن سبز تبدیل شود.

امروزه تقریباً تمام هیدروژن از تجزیه متان، سوزاندن سوخت‌های فسیلی برای تولید گرما و فشار مورد نیاز ساخته می‌شود. هر دو مرحله دی اکسید کربن آزاد می کنند. هیدروژن سبز می تواند جایگزین این هیدروژن کثیف شود، اما در حال حاضر بیش از دو برابر، تقریباً 5 دلار به ازای هر کیلوگرم قیمت دارد. این تا حدودی به دلیل هزینه بالای الکترولیزها است که به کاتالیزورهای ساخته شده از فلزات گرانبها متکی هستند. وزارت انرژی ایالات متحده اخیراً تلاش یک دهه ای را برای بهبود الکترولیزها و کاهش هزینه هیدروژن سبز به 1 دلار در هر کیلوگرم آغاز کرده است.

اگر آنها موفق شوند و تولید هیدروژن سبز سر به فلک بکشد، ممکن است فشار بر منابع آب شیرین جهان ایجاد شود. تولید 1 کیلوگرم هیدروژن با استفاده از الکترولیز حدود 10 کیلوگرم آب نیاز دارد. به گفته آژانس بین‌المللی انرژی‌های تجدیدپذیر، کامیون‌ها و صنایع کلیدی با هیدروژن سبز می‌توانند تقریباً به ۲۵ میلیارد متر مکعب آب شیرین در سال نیاز داشته باشند که معادل مصرف آب کشوری با ۶۲ میلیون نفر است.

آب دریا تقریباً نامحدود است، اما شکافتن آن مشکلات خاص خود را دارد. الکترولیزها بسیار شبیه باتری ها ساخته می شوند، با یک جفت الکترود که توسط یک الکترولیت آبکی احاطه شده اند. در یک طرح، کاتالیزورهای موجود در کاتد، مولکول‌های آب را به یون‌های هیدروژن (H+) و هیدروکسیل (OH-) تقسیم می‌کنند. الکترون‌های اضافی در کاتد جفت‌های یون هیدروژن را به گاز هیدروژن (H2) می‌پیچند که از آب خارج می‌شود. در همین حال، یون‌های OH- از طریق غشایی بین الکترودها حرکت می‌کنند تا به آند برسند، جایی که کاتالیزورها اکسیژن را به گاز اکسیژن (O2) آزاد می‌کنند.

با این حال، هنگامی که از آب دریا استفاده می شود، همان تکان الکتریکی که O2 در آند تولید می کند، یون های کلرید موجود در آب شور را نیز به گاز کلر بسیار خورنده تبدیل می کند که الکترودها و کاتالیزورها را می خورد. این به طور معمول باعث می شود که الکترولیزها در چند ساعت زمانی که به طور معمول می توانند سال ها کار کنند، از کار بیفتند.

هیدروژن یک ماده شیمیایی همه کاره است که برای تولید بسیاری از محصولات از جمله کودها استفاده می شود. هیدروژن همچنین یکی از اجزای کلیدی فناوری پیل سوختی است که برق تولید شده توسط منابع انرژی تجدیدپذیر اما متناوب مانند خورشید و باد را مهار می کند. بیشتر هیدروژن تولید شده در سراسر جهان از فرآیندی ناشی می شود که در آن متان در معرض گرما و بخار قرار می گیرد تا هیدروژن تولید کند.

هیدروژن همچنین می‌تواند از الکترولیز آب تولید شود، که از الکتریسیته برای تقسیم مولکول‌های آب به هیدروژن و اکسیژن که توسط منابع تجدیدپذیر مانند خورشید و باد استفاده می‌شود، تولید می‌شود. اما یک گرفتاری وجود دارد. الکترولیز به آب بسیار تمیزی نیاز دارد که یونیزه شده باشد، به این معنی که ابتدا باید تمام ناخالصی ها، مواد معدنی و ذرات باردار الکترونیکی حذف شوند. فرآیندهای معمولی تصفیه آب به تجهیزات گران قیمت نیاز دارند و می توانند منجر به اتلاف انرژی شوند.

محققان دپارتمان مهندسی و بهداشت محیطی دانشگاه جان هاپکینز با همکاری دانشگاه پن استیت راهی برای استفاده از آب دریا به عنوان منبع مستقیم هیدروژن و بدون نیاز به نمک زدایی اولیه یافته اند. نتایج آنها در Environmental Science & Technology ظاهر می شود.

ما متوجه شدیم که می‌توانیم از غشاهای کامپوزیتی لایه نازک که برای تصفیه آب نمک استفاده می‌شود، در الکترولیزهای آب استفاده کنیم، آب را به گاز هیدروژن و اکسیژن تقسیم می‌کنیم، در حالی که از تولید گاز مضر کلر جلوگیری می‌کنیم.
در مطالعه خود، روسی و همکارانش غشاهای کامپوزیتی لایه نازک را مستقیماً در دستگاه الکترولیز آزمایش کردند - دستگاهی که از الکتریسیته برای تقسیم آب به هیدروژن و اکسیژن استفاده می کند و در یک مرحله هم تصفیه آب و هم تولید هیدروژن را انجام می دهد. آنها دریافتند که ریزساختار متخلخل این ماده تنها به پروتون‌های کوچک و یون‌های هیدروکسید اجازه می‌دهد تا در سراسر غشاء مهاجرت کنند و ناخالصی‌ها و سایر یون‌هایی را که می‌توانند واکنش‌های نامطلوب ایجاد کنند را دفع کنند. محققان می گویند که این رویکرد جدید می تواند جایگزین سیستم های معمولی شود، جایی که غشاهای تبادل یونی گران قیمت در ترکیب با تغذیه آب فوق خالص استفاده می شوند.

روسی گفت: غشاهای آب شیرین کن ارزان می توانند جایگزینی برای غشاهای گران قیمت پلیمری باشند و می توانند برای تولید هیدروژن از منابع آب کم عیار مانند آب دریا استفاده شوند. نتیجه یک فرآیند تولید هیدروژن کارآمد از منابع انرژی تجدیدپذیر است که نیاز به تصفیه آب را از بین می برد.

وی خاطرنشان کرد: استفاده از آب دریا در الکترولیزها به دلیل شوری بالا چالش برانگیز است. با این حال، در مکان‌هایی مانند مناطق ساحلی، جایی که برق تجدیدپذیر مانند خورشید و باد می‌توان تولید کرد، اما جایی که آب شیرین کم است، فراوان است و در دسترس است. در چنین مکان هایی، سایر منابع آب با عیار پایین مانند فاضلاب به طور بالقوه می توانند به جای آب دریا در این فرآیند استفاده شوند.

تیم سرمایه‌گذاری شده توسط بنیاد ملی علوم ایالات متحده، فناوری تصفیه آب را در طرحی جدید برای یک الکترولیز آب دریا که از جریان الکتریکی برای جدا کردن هیدروژن و اکسیژن موجود در مولکول‌های آب استفاده می‌کند، ادغام کرد.

به گفته بروس لوگان، مهندس محیط زیست، این روش جدید برای "شکاف آب دریا" می تواند تبدیل انرژی باد و خورشید به سوخت قابل ذخیره و قابل حمل را آسان تر کند.

لوگان گفت: «هیدروژن یک سوخت عالی است، اما شما باید آن را بسازید. تنها راه پایدار برای انجام این کار استفاده از انرژی های تجدیدپذیر و تولید آن از آب است. شما همچنین باید از آبی استفاده کنید که مردم نمی خواهند از آن برای چیزهای دیگر استفاده کنند و این می تواند آب دریا باشد. بنابراین جام مقدس تولید هیدروژن است. ترکیب آب دریا و انرژی باد و خورشید در محیط‌های ساحلی و فراساحلی است.»

با وجود فراوانی آب دریا، معمولاً برای شکافتن آب استفاده نمی شود. مگر اینکه آب قبل از ورود به الکترولیز نمک زدایی شود، که یک مرحله اضافی گران قیمت است، یونهای کلرید در آب دریا به گاز کلر سمی تبدیل می شوند که تجهیزات را تخریب می کند و به محیط نفوذ می کند.

برای جلوگیری از این امر، محققان یک غشای نازک و نیمه تراوا را وارد کردند که در ابتدا برای تصفیه آب در فرآیند تصفیه اسمز معکوس ساخته شده بود. غشای اسمز معکوس جایگزین غشای تبادل یونی شد که معمولاً در الکترولیزها استفاده می شود.
لوگان می‌گوید: «ایده پشت اسمز معکوس این است که شما فشار بسیار زیادی روی آب وارد می‌کنید و آن را از طریق غشاء فشار می‌دهید و یون‌های کلرید را پشت سر نگه می‌دارید.

از طریق مجموعه‌ای از آزمایش‌های منتشر شده در Science & Environmental Science، محققان دو غشای اسمز معکوس تجاری و دو غشای تبادل کاتیونی را آزمایش کردند که نوعی غشای تبادل یونی است که امکان حرکت همه یون‌های دارای بار مثبت را در سیستم فراهم می‌کند.

انرژی پاک اولویت اصلی کشورهای سراسر جهان است. در حالی که انرژی متعارف به سوخت های فسیلی مانند زغال سنگ، گاز طبیعی و نفت متکی است، انرژی پاک به اشکال مختلفی مانند خورشیدی، بادی، زمین گرمایی، برق آبی و زیست توده وجود دارد.

هیدروژن نیز یک گزینه پیشرو برای ذخیره انرژی برای انرژی های تجدیدپذیر است و می تواند به کاهش سطوح بالای انتشار کربن کمک کند.
تحقیقات کنونی نشان می دهد که الکترولیز آب شور – فرآیند تقسیم آب به اکسیژن و هیدروژن – راه حلی مناسب برای چالش های رایج الکترولیز آب شیرین است. الکترولیز آب دریا می تواند هیدروژن پایدار را بدون تشدید کمبود آب شیرین جهانی تولید کند.

به گفته مرکز داده سوخت جایگزین وزارت انرژی ایالات متحده، هیدروژن خالص عنصر فراوانی بر روی زمین است که در حمایت از انتقال به انرژی پاک، پایدار و تجدیدپذیر نویدبخش است.

پس از تولید هیدروژن، می تواند الکتریسیته را در پیل سوختی تولید کند و فقط بخار آب و هوای گرم ساطع می کند. از آنجایی که هیدروژن هیچ گونه گاز گلخانه ای، اکسید نیتروژن، هیدروکربن یا سایر ذرات معلق آزاد نمی کند، بر محیط زیست تأثیر منفی نمی گذارد.
هیدروژن مزایای دیگری نیز دارد که به ایجاد اقتصاد انرژی پاک کمک می کند. این یک راه حل انرژی بهینه در مناطق معمولاً چالش برانگیز برای کربن زدایی است. این قابلیت اطمینان و انعطاف پذیری شبکه برق مدرن را افزایش می دهد. همچنین می تواند سلامت عمومی و وضعیت محیط زیست را بهبود بخشد.

علاوه بر این، می تواند تعداد فرصت های شغلی و امنیت انرژی را در صنایع جهانی افزایش دهد. این می تواند به صنعت حمل و نقل کمک کند تا پایدارتر شود و از تغییر به سمت وسایل نقلیه الکتریکی (EVs) حمایت کند. و می تواند به افزایش درآمد و تقویت اقتصاد جهانی کمک کند.

یکی از چالش هایی که باعث افزایش هزینه های تولید هیدروژن سبز می شود این است که الکترولیزها به آب فوق خالص نیاز دارند. این امر الکترولیز سنتی آب شور را دشوار می کند زیرا بسیاری از منابع آب با آلاینده ها پر شده اند.
اگرچه EPA به دلیل وجود سرب، کلر و باکتری الزامات سختی برای آب دارد، اما لزوماً به این معنی نیست که تمام آب عاری از آلاینده است.

الکترولیز آب دریا
تحقیقات الکترولیز آب دریا در اوایل قرن نوزدهم پدیدار شد. اگرچه دانشمندان در تولید هیدروژن پیشرفت هایی داشتند، اما هرگز به یک راه حل انرژی قابل دوام تبدیل نشد. در قرن بیستم، هیدروژن بیشتر از گاز طبیعی استخراج می‌شد و برای تامین انرژی ماشین‌ها، اتوبوس‌ها، بالگردها و موشک‌ها استفاده می‌شد.

در حالی که استفاده از این هیدروژن امکان پذیر بود، تولید آن انرژی بر بود و به انتشار کربن، یکی از دلایل اصلی تغییرات آب و هوایی کمک کرد. علاوه بر این، برخی شهرها زباله های جامد شهری را با فناوری پیل سوختی هیدروژنی فیلتر می کنند که هیدروژن تولید می کند و از آلودگی ناشی از زباله در منابع آب محلی جلوگیری می کند.

محققان و دانشمندان مختلف در حال توسعه فناوری های پیشرفته با استفاده از الکترولیز آب دریا هستند تا از این چالش ها جلوگیری کنند. اگر این فناوری ها به درستی کار کنند، بدون استفاده از منابع آب شیرین یا کمک به انتشار کربن، هیدروژن پایدار تولید خواهند کرد.

محصولات در تمام مناطق چین به فروش می رسد و به کشورهای سراسر جهان صادر می شود. آنها در بیش از 20 کشور و منطقه از جمله ایالات متحده، آلمان، مراکش، کنیا، عربستان سعودی، ویتنام، الجزایر، هند، تانزانیا و تایوان فروخته شده اند. با موفقیت شرکت های معروفی مانند هوافضای چین، پتروچاینا، گروه هسته ای چین، بی وای دی، جیولی تخصصی، تونی الکترونیک، گروه انرژی ژنگ و سایر شرکت های معروف را ارائه کرد. بسیاری از ایستگاه های هیدروژن هیدروژن هیدروژن سبز مانند Wulanchabu، Haikou، Hainan، Hainan Haikou، Yunnan Kunming و غیره پروژه های سبز و هیدروژن سازی را ارائه می دهند.