По словам Брюса Логана, профессора экологической инженерии в Каппе и профессора Университета Эвана Пью, этот новый метод «расщепления морской воды» может упростить превращение энергии ветра и солнца в пригодное для хранения и портативное топливо.
«Водород – отличное топливо, но его нужно добывать», – сказал Логан. "Единственный устойчивый способ добиться этого – использовать возобновляемые источники энергии и производить ее из воды.
Вам также необходимо использовать воду, которую люди не хотят использовать для других целей, и это будет морская вода. Итак, святым Граалем производства водорода было бы объединение морской воды, энергии ветра и солнца, имеющейся в прибрежных и морских средах."
Несмотря на обилие морской воды, он обычно не используется для разделения воды. Если вода не опресняется перед подачей в электролизер – дорогостоящий дополнительный этап – ионы хлора 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 (RO). Мембрана обратного осмоса заменила ионообменную мембрану, обычно используемую в электролизерах.
«Идея обратного осмоса заключается в том, что вы оказываете действительно высокое давление на воду, проталкиваете ее через мембрану и удерживаете ионы хлорида позади», – сказал Логан.
В электролизере морская вода больше не проталкивается через мембрану обратного осмоса, а сдерживается ею.
Мембрана используется, чтобы помочь разделить реакции, которые происходят рядом с двумя погруженными электродами – положительно заряженным анодом и отрицательно заряженным катодом, подключенных к внешнему источнику питания. При включении питания молекулы воды начинают расщепляться на аноде, высвобождая крошечные ионы водорода, называемые протонами, и образуя газообразный кислород.
Затем протоны проходят через мембрану и объединяются с электронами на катоде с образованием газообразного водорода.
При вставленной мембране обратного осмоса морская вода остается на катодной стороне, а ионы хлора слишком велики, чтобы пройти через мембрану и достичь анода, что предотвращает образование газообразного хлора.
Но при расщеплении воды, как заметил Логан, другие соли намеренно растворяются в воде, чтобы сделать ее проводящей. Ионообменная мембрана, которая фильтрует ионы по электрическому заряду, позволяет ионам соли проходить через.
Мембрана обратного осмоса не.
«Мембраны обратного осмоса препятствуют движению соли, но единственный способ генерировать ток в цепи – это потому, что заряженные ионы в воде перемещаются между двумя электродами», – сказал Логан.
Поскольку движение более крупных ионов ограничено мембраной обратного осмоса, исследователям необходимо было проверить, достаточно ли крошечных протонов, движущихся через поры, чтобы поддерживать высокий электрический ток.
«По сути, мы должны были показать, что то, что выглядело как грунтовая дорога, могло быть межгосударственным», – сказал Логан. «Нам пришлось доказать, что мы можем пропускать большой ток через два электрода, когда между ними была мембрана, которая не позволяла ионам соли перемещаться вперед и назад."
В ходе серии экспериментов, недавно 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.
Каждый из них был протестирован на устойчивость мембраны к движению ионов, количество энергии, необходимое для завершения реакций, образование газообразного водорода и кислорода, взаимодействие с ионами хлорида и износ мембраны.
Логан объяснил, что, хотя одна мембрана обратного осмоса оказалась «грунтовой дорогой», другая показала хорошие результаты по сравнению с катионообменными мембранами. Исследователи все еще изучают, почему между двумя мембранами обратного осмоса была такая разница.
«Идея может сработать», – сказал он. "Мы не знаем точно, почему эти две мембраны функционируют так по-разному, но это то, что мы собираемся выяснить."
Недавно исследователи получили грант в размере 300000 долларов от Национального научного фонда (NSF) на продолжение исследований электролиза морской воды. Логан надеется, что их исследования сыграют решающую роль в сокращении выбросов углекислого газа во всем мире.
«Мир ищет возобновляемый водород», – сказал он. «Например, Саудовская Аравия планировала построить водородный завод стоимостью 5 миллиардов долларов, который будет использовать морскую воду.
Прямо сейчас им нужно опреснять воду. Может быть, они могут использовать этот метод вместо."