Вклад очистителей сточных вод в производство водорода
Изучена практическая целесообразность электролиза грязной воды, очищенной водоочистителями. Затраты снижены на 47 %
Используйте альтернативные источники воды, такие как восстановленная вода из городских и промышленных сточных вод, чтобы сделать производство электролитического водорода более устойчивым и интегрированным. Эта идея оценена в новом научном исследовании, подписанном Принстонским университетом. Здесь группа инженеров под руководством профессора З. Джейсона Рена попыталась решить одну из главных задач новая водородная экономика: использование пресной воды.
Альтернативы использованию пресной воды
Большинству коммерческих электролизеров для работы требуются большие объемы воды высокой чистоты. По данным самих инженеров Принстона, для процесса требуется в среднем примерно 10 кг воды на каждый кг H2, образующегося при Технология PEM (протонообменная мембрана). К этому добавляется еще 19,5 кг воды на кг H2 для охлаждения коммерческих систем.
Цифры, имеющие точную стоимость и неприемлемые в регионах с проблемами водоснабжения.
Вот почему в последние годы отраслевые исследования были сосредоточены на альтернативных источниках, таких как морская вода или переработанная вода. Но если первое приносит с собой дополнительные проблемы, как на энергетическом, так и на экологическом уровне, связанные с технологиями опреснения, то второе страдает от глубокого пробела в знаниях. Пробел, который новое исследование намерено заполнить.
Электролиз восстановленной воды, основной механизм разложения
Ученые продемонстрировали возможность получения водорода из сточных вод рекуперационных установок с помощью электролизеров PEM. Эксперимент, хотя и в лабораторном масштабе, дал удовлетворительные результаты.
«Водородная инфраструктура обычно конкурирует с местным использованием пресной воды», объяснил Рен, профессор гражданского и экологического строительства в Центре энергетики и окружающей среды Андлингера. «Но в каждом городе есть станция очистки сточных вод, и она представляет собой широко распространенный источник воды для водородной экономики».
Обратите внимание: вода, взятая из очистителей, все еще содержит примеси, препятствующие электролизу. Как? До вчерашнего дня было сложно ответить на этот вопрос своевременно. Наиболее распространенная гипотеза заключалась в том, что присутствующие анионы (например, Cl– и NO3–) может отравить катализатор или катионы (Na+Са2+ и Fe3+) смогли прервать транспорт протонов через мембрану.
Поэтому первой задачей команды было определить наиболее важные пути разложения, вызванные примесями. С помощью экспериментального и модельного анализа они определили, что ионы кальция и магния являются основной причиной потери производительности. Эти ионы прилипают к мембране, блокируя проход и превращая его в прочный барьер.
Решение
Как только проблема была выявлена, команда нашла решение: сделать воду более кислой.
«Мы подкислили вход восстановленной воды, чтобы удалить катионные примеси и улучшить транспорт протонов, продлив срок службы электролизера с менее 8 часов до более 300 часов», мы читаем в публикации о водных исследованиях.
В ходе эксперимента была введена серная кислота, которая действует как богатый источник протонов, вытесняющий другие ионы, поддерживая ионную проводимость и обеспечивая непрерывное производство водорода.
«Удаление всех этих ионов для получения сверхчистой воды в электролизере обходится дорого», добавил профессор. «Теперь вы просто немного подкисляете его, помещаете в электролизер воду, содержащую ионы, и он работает более 300 часов без видимых проблем».
Водород из сточных вод: от лаборатории к реальности
Ученые подсчитали, что производство водорода из очищенных сточных вод может снизить стоимость очистки воды для производства водорода примерно на 47 процентов, а затраты энергии на такую очистку примерно на 62 процента. Сегодня группа работает с промышленными партнерами, чтобы проверить, как новый подход работает в больших масштабах.
Прочитать исследование Электролитическое производство водорода из подкисленных сточных вод опубликовано на Исследования воды.