Hidrogen Air Laut

PARA saintis telah membangunkan sistem yang boleh menghasilkan hidrogen hijau terus daripada air laut tanpa memerlukan sebarang proses pra-rawatan seperti penyahgaraman. Pasukan di sebalik pembangunan itu, yang melibatkan pengenalan lapisan asid Lewis pada pemangkin oksida logam peralihan, berkata kaedah itu menunjukkan potensi tinggi untuk aplikasi komersial.

Lebih 97% daripada air di permukaan Bumi adalah air masin di lautan, 2% disimpan sebagai air tawar dalam tudung ais, glasier dan banjaran gunung yang dilitupi salji, dan hanya 1% tersedia untuk keperluan bekalan air harian kita.

 
Air masin boleh dijadikan air yang boleh diminum melalui proses yang dipanggil penyahgaraman, teknik yang bergantung pada beberapa kawasan di seluruh dunia untuk menghasilkan air tawar untuk kegunaan manusia dan untuk kegunaan domestik dan industri. Tetapi penyahgaraman adalah proses yang memerlukan tenaga, dan lebih teruk lagi ia sering dikuasakan oleh sumber tenaga yang tidak mampan.

Membahagikan air kepada bahagian konstituennya juga difahami dengan baik. Proses - dikenali sebagai elektrolisis - menggunakan arus terus antara dua elektrod yang direndam dalam elektrolit untuk membelah air kepada hidrogen dan oksigen. Hidrogen terbentuk pada katod, atau elektrod negatif, dan oksigen pada elektrod positif, atau anod.

Oleh kerana campuran gas boleh meletup, kebanyakan elektrolisis memisahkan anod dan katod dengan kepingan plastik yang tebal dan berliang, dan pemangkin logam seperti nikel dan besi digunakan untuk mempercepatkan tindak balas.

Menggabungkan kedua-dua proses ini, iaitu penyahgaraman air laut, dan kemudian membelahnya untuk menghasilkan hidrogen telah lama dipuji sebagai salah satu penyelesaian terbaik untuk menyediakan bahan api yang bersih dan mampu milik untuk tenaga, yang seterusnya boleh menggerakkan segala-galanya daripada tenaga elektrik bandar, hingga membuat keluli, menghasilkan baja, dan juga sebagai bahan api untuk kapal terbang - senarai kegunaan yang berpotensi adalah panjang.

Walau bagaimanapun, salah satu sebab kami belum lagi menggunakan bahan api hidrogen untuk terbang ke seluruh dunia, ialah air masin dan kekotoran lain menghakis elektrod, memendekkan hayat mereka. Memandangkan komponen tersebut lazimnya diperbuat daripada logam jarang seperti platinum, kos terlalu mahal untuk terus menggantikannya. Ion klorida dalam air laut juga menjadi masalah dan tindak balas elektro-pengoksidaan klorin (ClOR) bersaing dengan tindak balas evolusi oksigen (OER) pada anod semasa elektrolisis. Tindak balas ini mengakibatkan pembebasan spesies klorin toksik dan menghakis seperti hipoklorit. Hipoklorit agak tidak stabil, ia boleh membebaskan gas klorin toksik apabila dicampur dengan ammonia atau asid dan ia juga boleh memakan keluli tahan karat.

Untuk mengatasi masalah ini, air laut boleh dinyahgarin dan disucikan sebelum memprosesnya, tetapi ini juga tidak selalu berdaya maju dari segi kewangan. Pilihan lain ialah menyalut elektrod dengan polianion untuk menyekat kakisan, tetapi ini juga boleh mahal.

Beberapa penyelesaian iklim datang tanpa kelemahan. Hidrogen "hijau", dibuat dengan menggunakan tenaga boleh diperbaharui untuk membelah molekul air, boleh menggerakkan kenderaan berat dan menyahkarbon industri seperti pembuatan keluli tanpa mengeluarkan sedikit pun karbon dioksida. Tetapi kerana mesin pemisah air, atau elektrolisis, direka untuk berfungsi dengan air tulen, meningkatkan hidrogen hijau boleh memburukkan lagi kekurangan air tawar global. Kini, beberapa pasukan penyelidik melaporkan kemajuan dalam menghasilkan hidrogen terus daripada air laut, yang boleh menjadi sumber hidrogen hijau yang tidak habis-habis.

Hari ini, hampir semua hidrogen dibuat dengan memecahkan metana, membakar bahan api fosil untuk menjana haba dan tekanan yang diperlukan. Kedua-dua langkah membebaskan karbon dioksida. Hidrogen hijau boleh menggantikan hidrogen yang kotor ini, tetapi pada masa ini ia berharga lebih daripada dua kali ganda, kira-kira $5 sekilogram. Ini sebahagiannya disebabkan oleh kos elektrolisis yang tinggi, yang bergantung pada pemangkin yang diperbuat daripada logam berharga. Jabatan Tenaga AS baru-baru ini melancarkan usaha selama sedekad untuk menambah baik elektrolisis dan menurunkan kos hidrogen hijau kepada $1 sekilogram.

Jika mereka berjaya dan pengeluaran hidrogen hijau meroket, tekanan boleh membina bekalan air tawar dunia. Menjana 1 kilogram hidrogen menggunakan elektrolisis memerlukan kira-kira 10 kilogram air. Menjalankan trak dan industri utama pada hidrogen hijau boleh memerlukan kira-kira 25 bilion meter padu air tawar setahun, bersamaan dengan penggunaan air sebuah negara dengan 62 juta orang, menurut Agensi Tenaga Boleh Diperbaharui Antarabangsa.

Air laut hampir tidak terhad, tetapi membelah ia datang dengan masalahnya sendiri. Elektroliser dibina sama seperti bateri, dengan sepasang elektrod dikelilingi oleh elektrolit berair. Dalam satu reka bentuk, pemangkin pada katod membelah molekul air kepada ion hidrogen (H+) dan hidroksil (OH-). Lebihan elektron pada katod mencantumkan pasangan ion hidrogen ke dalam gas hidrogen (H2), yang menggelegak keluar dari air. Ion OH- pula, bergerak melalui membran antara elektrod untuk mencapai anod, di mana pemangkin mengait oksigen menjadi gas oksigen (O2) yang dibebaskan.

Apabila air laut digunakan, walau bagaimanapun, hentakan elektrik yang sama yang menghasilkan O2 pada anod juga menukar ion klorida dalam air masin kepada gas klorin yang sangat menghakis, yang memakan elektrod dan pemangkin. Ini biasanya menyebabkan elektrolisis gagal dalam beberapa jam sahaja apabila ia biasanya boleh beroperasi selama bertahun-tahun.

Hidrogen adalah bahan kimia serba boleh yang digunakan untuk pengeluaran banyak produk, termasuk baja. Hidrogen juga merupakan komponen utama teknologi sel bahan api, yang memanfaatkan tenaga elektrik yang dihasilkan oleh sumber tenaga boleh diperbaharui tetapi terputus-putus seperti solar dan angin. Kebanyakan hidrogen yang dihasilkan di seluruh dunia berasal daripada proses di mana metana terdedah kepada haba dan wap untuk menghasilkan hidrogen.

Hidrogen juga boleh dihasilkan daripada elektrolisis air, yang menggunakan elektrik untuk memecah molekul air kepada hidrogen dan oksigen yang dikuasakan oleh sumber yang boleh diperbaharui seperti solar dan angin. Tetapi ada tangkapan. Elektrolisis memerlukan air yang sangat bersih yang telah dinyahion, bermakna semua kekotoran, mineral, dan zarah bercas elektronik mesti disingkirkan terlebih dahulu. Proses penulenan air konvensional memerlukan peralatan yang mahal dan boleh mengakibatkan kehilangan tenaga.

Penyelidik di Jabatan Kesihatan dan Kejuruteraan Persekitaran Universiti Johns Hopkins, dengan kerjasama Penn State University, telah menemui cara untuk menggunakan air laut sebagai sumber langsung hidrogen, tanpa memerlukan penyahgaraman awal. Keputusan mereka muncul dalam Sains & Teknologi Alam Sekitar.

"Kami mendapati bahawa kami boleh menggunakan membran komposit filem nipis, yang digunakan untuk membersihkan air masin, dalam elektrolisis air, membelah air menjadi gas hidrogen dan oksigen, sambil mengelak daripada menghasilkan gas klorin yang berbahaya, yang berlaku dengan jenis membran lain."
Dalam kajian mereka, Rossi dan rakan sekerja menguji membran komposit filem nipis secara langsung dalam elektrolisis-peranti yang menggunakan elektrik untuk memisahkan air kepada hidrogen dan mencapai oksigen dalam satu langkah kedua-dua penulenan air dan pengeluaran hidrogen. Mereka mendapati bahawa struktur mikro berliang bahan membenarkan hanya proton kecil dan ion hidroksida untuk berhijrah merentasi membran, menolak kekotoran dan ion lain yang boleh menghasilkan tindak balas yang tidak diingini. Para penyelidik mengatakan bahawa pendekatan baru ini boleh menggantikan sistem konvensional, di mana membran pertukaran ion yang mahal digunakan dalam kombinasi dengan suapan air ultratulen.

"Membran penyahgaraman air yang murah boleh menjadi alternatif kepada membran berasaskan polimer yang lebih mahal dan boleh digunakan untuk pengeluaran hidrogen daripada sumber air gred rendah seperti air laut," kata Rossi. "Hasilnya ialah proses pengeluaran hidrogen yang cekap daripada sumber tenaga boleh diperbaharui yang menghapuskan keperluan untuk pembersihan air."

Beliau menyatakan bahawa air laut adalah mencabar untuk digunakan dalam elektrolisis kerana kemasinan yang tinggi. Walau bagaimanapun, ia banyak dan terdapat di lokasi seperti kawasan pantai, di mana tenaga elektrik boleh diperbaharui seperti solar dan angin boleh dijana, tetapi di mana terdapat kekurangan air tawar. Di lokasi sedemikian, sumber air gred rendah lain seperti air sisa berpotensi digunakan sebagai ganti air laut dalam proses ini.

Pasukan yang dibiayai oleh Yayasan Sains Kebangsaan AS menyepadukan teknologi penulenan air ke dalam reka bentuk bukti konsep baharu untuk elektrolisis air laut, yang menggunakan arus elektrik untuk memisahkan hidrogen dan oksigen dalam molekul air.

Kaedah baharu untuk "pemisahan air laut" ini boleh memudahkan untuk menukar tenaga angin dan suria menjadi bahan api yang boleh disimpan dan mudah alih, menurut Bruce Logan, seorang jurutera alam sekitar.

"Hidrogen adalah bahan api yang hebat, tetapi anda perlu membuatnya, " kata Logan. "Satu-satunya cara yang mampan untuk melakukannya ialah menggunakan tenaga boleh diperbaharui dan menghasilkannya daripada air. Anda juga perlu menggunakan air yang orang tidak mahu gunakan untuk perkara lain, dan itu adalah air laut. Jadi, cawan suci menghasilkan hidrogen adalah untuk menggabungkan air laut dan angin dan tenaga suria yang terdapat dalam persekitaran pantai dan luar pesisir."

Walaupun terdapat banyak air laut, ia tidak biasa digunakan untuk membelah air. Melainkan air dinyahgarin sebelum memasuki elektrolisis, langkah tambahan yang mahal, ion klorida dalam air laut bertukar menjadi gas klorin toksik, yang merendahkan peralatan dan meresap ke dalam persekitaran.

Untuk mengelakkan ini, para penyelidik memasukkan membran nipis, separa telap, yang asalnya dibangunkan untuk membersihkan air dalam proses rawatan osmosis terbalik. Membran osmosis songsang menggantikan membran pertukaran ion yang biasa digunakan dalam elektrolisis.
"Idea di sebalik osmosis terbalik ialah anda meletakkan tekanan yang sangat tinggi pada air dan menolaknya melalui membran dan mengekalkan ion klorida di belakang, " kata Logan.

Melalui satu siri eksperimen yang diterbitkan dalam Sains Tenaga & Alam Sekitar, para penyelidik menguji dua membran osmosis songsang yang tersedia secara komersial dan dua membran pertukaran kation, sejenis membran pertukaran ion yang membolehkan pergerakan semua ion bercas positif dalam sistem.

Tenaga bersih adalah keutamaan utama bagi negara di seluruh dunia. Walaupun kuasa konvensional bergantung kepada bahan api fosil seperti arang batu, gas asli dan minyak, tenaga bersih datang dalam pelbagai bentuk seperti solar, angin, geoterma, hidroelektrik dan biojisim.

Hidrogen juga merupakan pilihan penyimpanan tenaga yang terkemuka untuk tenaga boleh diperbaharui dan boleh membantu mengurangkan tahap pelepasan karbon yang tinggi.
Penyelidikan semasa mencadangkan bahawa elektrolisis air masin - proses membelah air kepada oksigen dan hidrogen - adalah penyelesaian yang berdaya maju kepada cabaran biasa elektrolisis air tawar. Elektrolisis air laut boleh menghasilkan hidrogen yang mampan tanpa memburukkan lagi kekurangan air tawar global.

Menurut Pusat Data Bahan Api Alternatif Jabatan Tenaga Amerika Syarikat, hidrogen tulen ialah unsur yang banyak di Bumi yang menunjukkan janji besar dalam menyokong peralihan kepada tenaga bersih, mampan dan boleh diperbaharui.

Selepas hidrogen dihasilkan, ia boleh menjana elektrik dalam sel bahan api dan hanya mengeluarkan wap air dan udara panas. Kerana hidrogen tidak membebaskan sebarang gas rumah hijau, nitrogen oksida, hidrokarbon, atau bahan zarah lain, ia tidak menjejaskan alam sekitar secara negatif.
Hidrogen mempunyai faedah lain yang akan membantu mewujudkan ekonomi tenaga bersih. Ia merupakan penyelesaian tenaga optimum di kawasan yang lazimnya mencabar untuk dinyahkarbon. Ia meningkatkan kebolehpercayaan dan daya tahan grid kuasa moden. Ia juga boleh meningkatkan kesihatan awam dan keadaan persekitaran.

Di samping itu, ia boleh meningkatkan bilangan peluang pekerjaan dan keselamatan tenaga dalam industri global. Ia boleh membantu industri pengangkutan menjadi lebih mampan dan menyokong peralihan kepada kenderaan elektrik (EV). Dan ia boleh menyumbang kepada peningkatan pendapatan dan mengukuhkan ekonomi dunia.

Satu cabaran yang meningkatkan kos yang berkaitan dengan menghasilkan hidrogen hijau ialah elektrolisis memerlukan air ultratulen. Ini menjadikan elektrolisis air masin tradisional sukar kerana banyak sumber air dipenuhi dengan bahan cemar.
Walaupun EPA mempunyai keperluan ketat untuk air kerana kehadiran plumbum, klorin dan bakteria, ini tidak semestinya bermakna semua air bebas daripada bahan cemar.

Elektrolisis air laut
Penyelidikan elektrolisis air laut muncul pada awal abad ke-19. Walaupun saintis membuat kemajuan dalam pengeluaran hidrogen, ia tidak pernah mendapat daya tarikan atau menjadi penyelesaian tenaga yang berdaya maju. Pada abad ke-20, hidrogen kebanyakannya diekstrak daripada gas asli dan digunakan untuk menggerakkan kereta, bas, blimp, dan roket.

Walaupun menggunakan hidrogen ini boleh dilaksanakan, pengeluarannya adalah intensif tenaga dan menyumbang kepada pelepasan karbon, salah satu punca utama perubahan iklim. Selain itu, sesetengah bandar menapis sisa pepejal perbandaran dengan teknologi sel bahan api hidrogen, yang menghasilkan hidrogen dan menghalang pencemaran terhasil daripada sisa dalam bekalan air tempatan.

Pelbagai penyelidik dan saintis sedang membangunkan teknologi canggih menggunakan elektrolisis air laut untuk mengelakkan cabaran ini. Jika teknologi ini berfungsi dengan betul, ia akan menghasilkan hidrogen yang mampan tanpa menggunakan sumber air tawar atau menyumbang kepada pelepasan karbon.

Produk dijual di semua wilayah China dan dieksport ke negara-negara di seluruh dunia. Mereka telah dijual di lebih daripada 20 negara dan wilayah termasuk Amerika Syarikat, Jerman, Maghribi, Kenya, Arab Saudi, Vietnam, Algeria, India, Tanzania dan Taiwan. Berjaya menyediakan perusahaan terkenal seperti China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group dan perusahaan terkenal lain. Terdapat banyak stesen penghidrogenan hidrogen hidrogen hijau seperti Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming, dll. menyediakan projek pembuatan hijau dan hidrogen.