Zeewater waterstof

WETENSCHAPPERS hebben een systeem ontwikkeld dat groene waterstof rechtstreeks uit zeewater kan produceren, zonder dat er voorbehandelingsprocessen zoals ontzilting nodig zijn. Het team achter de ontwikkeling, waarbij een Lewis-zuurlaag op een overgangsmetaaloxidekatalysator wordt aangebracht, zegt dat de methode een groot potentieel voor commerciële toepassing vertoont.

Ruim 97% van het water op het aardoppervlak is zout water in de oceanen, 2% wordt opgeslagen als zoet water in ijskappen, gletsjers en met sneeuw bedekte bergketens, en slechts 1% is beschikbaar voor onze dagelijkse watervoorzieningsbehoeften.

 
Van zout water kan drinkwater worden gemaakt via een proces dat ontzilting wordt genoemd, een techniek waar sommige gebieden in de wereld op vertrouwen om zoet water te produceren voor menselijke consumptie en voor huishoudelijk en industrieel gebruik. Maar ontzilting is een energieverslindend proces, en erger nog: het wordt vaak aangedreven door energiebronnen die niet duurzaam zijn.

Het splitsen van water in zijn samenstellende delen wordt ook goed begrepen. Het proces – bekend als elektrolyse – maakt gebruik van een gelijkstroom tussen twee elektroden die zijn ondergedompeld in een elektrolyt om water te splitsen in waterstof en zuurstof. Waterstof wordt gevormd aan de kathode, of negatieve elektrode, en zuurstof aan de positieve elektrode, of anode.

Omdat een mengsel van de gassen kan exploderen, scheiden de meeste elektrolysers de anode en kathode met een dik, poreus plastic vel, en worden metaalkatalysatoren zoals nikkel en ijzer gebruikt om reacties te versnellen.

Het combineren van deze beide processen, namelijk het ontzilten van zeewater en het vervolgens splitsen ervan om waterstof te creëren, wordt al lang geprezen als een van de beste oplossingen om schone en betaalbare brandstof voor energie te leveren, die op zijn beurt alles van de elektriciteit van een stad tot het maken van energie kan aandrijven. staal, de productie van kunstmest en zelfs als brandstof voor vliegtuigen – de lijst met mogelijke toepassingen is lang.

Een van de redenen waarom we echter nog geen waterstofbrandstof gebruiken om de wereld rond te vliegen, is dat zout water en andere onzuiverheden de elektroden aantasten, waardoor hun levensduur wordt verkort. Omdat deze onderdelen doorgaans zijn gemaakt van zeldzame metalen zoals platina, kost het te veel om ze steeds te vervangen. Chloride-ionen in zeewater vormen ook een probleem en chloorelektro-oxidatiereacties (ClOR) concurreren met zuurstofontwikkelingsreactie (OER) op de anode tijdens elektrolyse. Deze reactie resulteert in het vrijkomen van giftige en corrosieve chloorsoorten zoals hypochloriet. Hypochloriet is relatief onstabiel, kan bij vermenging met ammoniak of zuur giftig chloorgas afgeven en kan ook roestvrij staal aantasten.

Om dit te omzeilen zou het zeewater kunnen worden ontzilt en gezuiverd voordat het wordt verwerkt, maar ook dit is financieel niet altijd haalbaar. Een andere optie is om de elektroden te bedekken met polyanionen om corrosie te onderdrukken, maar ook dit kan kostbaar zijn.

Er zijn maar weinig klimaatoplossingen zonder nadelen. ‘Groene’ waterstof, gemaakt door hernieuwbare energie te gebruiken om watermoleculen te splitsen, zou zware voertuigen kunnen aandrijven en industrieën zoals de staalproductie koolstofvrij kunnen maken zonder een vleugje kooldioxide uit te blazen. Maar omdat de watersplitsende machines, of elektrolyzers, zijn ontworpen om met zuiver water te werken, zou het opschalen van groene waterstof de mondiale zoetwatertekorten kunnen verergeren. Nu melden verschillende onderzoeksteams vooruitgang bij de productie van waterstof rechtstreeks uit zeewater, wat een onuitputtelijke bron van groene waterstof zou kunnen worden.

Tegenwoordig wordt bijna alle waterstof gemaakt door methaan af te breken en fossiele brandstoffen te verbranden om de benodigde warmte en druk te genereren. Bij beide stappen komt koolstofdioxide vrij. Groene waterstof zou deze vuile waterstof kunnen vervangen, maar kost op dit moment ruim twee keer zoveel, zo'n $5 per kilogram. Dat komt deels door de hoge kosten van elektrolyzers, die afhankelijk zijn van katalysatoren gemaakt van edele metalen. Het Amerikaanse ministerie van Energie heeft onlangs een tien jaar durende inspanning gelanceerd om elektrolyzers te verbeteren en de kosten van groene waterstof terug te brengen tot $ 1 per kilogram.

Als dit lukt en de productie van groene waterstof omhoog schiet, kan de druk op de zoetwatervoorraden in de wereld toenemen. Voor het opwekken van 1 kilogram waterstof door middel van elektrolyse is ongeveer 10 kilogram water nodig. Vrachtwagens en belangrijke industrieën die op groene waterstof rijden, kunnen volgens het International Renewable Energy Agency ongeveer 25 miljard kubieke meter zoet water per jaar nodig hebben, wat overeenkomt met het waterverbruik van een land met 62 miljoen mensen.

Zeewater is vrijwel onbeperkt, maar het splitsen ervan brengt zijn eigen problemen met zich mee. Elektrolyzers zijn net als batterijen gebouwd, met een paar elektroden omgeven door een waterige elektrolyt. In één ontwerp splitsen katalysatoren aan de kathode watermoleculen in waterstof- (H+) en hydroxyl- (OH-) ionen. Overtollige elektronen aan de kathode hechten paren waterstofionen tot waterstofgas (H2), dat uit het water borrelt. De OH-ionen reizen ondertussen door een membraan tussen de elektroden om de anode te bereiken, waar katalysatoren de zuurstof samenbinden tot zuurstofgas (O2) dat vrijkomt.

Wanneer zeewater wordt gebruikt, zet dezelfde elektrische schok die O2 aan de anode genereert echter ook de chloride-ionen in zout water om in zeer corrosief chloorgas, dat de elektroden en katalysatoren aantast. Dit zorgt er doorgaans voor dat elektrolyzers binnen enkele uren defect raken, terwijl ze normaal gesproken jarenlang kunnen blijven functioneren.

Waterstof is een veelzijdige chemische stof die wordt gebruikt voor de productie van veel producten, waaronder meststoffen. Waterstof is ook een belangrijk onderdeel van de brandstofceltechnologie, die gebruik maakt van de elektriciteit die wordt geproduceerd door hernieuwbare maar intermitterende energiebronnen zoals zonne- en windenergie. Het grootste deel van de wereldwijd geproduceerde waterstof is afkomstig van een proces waarbij methaan wordt blootgesteld aan hitte en stoom om waterstof te verkrijgen.

Waterstof kan ook worden geproduceerd door de elektrolyse van water, waarbij elektriciteit wordt gebruikt om watermoleculen te splitsen in waterstof en zuurstof, aangedreven door hernieuwbare bronnen zoals zonne- en windenergie. Maar er zit een addertje onder het gras. Voor elektrolyse is zeer schoon water nodig dat is gedeïoniseerd, wat betekent dat alle onzuiverheden, mineralen en elektronisch geladen deeltjes eerst moeten worden verwijderd. Conventionele waterzuiveringsprocessen vereisen dure apparatuur en kunnen tot energieverlies leiden.

Onderzoekers van de afdeling Environmental Health and Engineering van de Johns Hopkins University hebben, in samenwerking met Penn State University, een manier gevonden om zeewater te gebruiken als directe bron van waterstof, zonder voorafgaande ontzilting. Hun resultaten verschijnen in Environmental Science & Technology.

"We ontdekten dat we dunnefilmcomposietmembranen, die worden gebruikt om zout water te zuiveren, kunnen gebruiken in waterelektrolysers, waarbij het water wordt gesplitst in waterstofgas en zuurstof, terwijl de productie van schadelijk chloorgas wordt vermeden, wat bij andere membraantypen gebeurt."
In hun onderzoek testten Rossi en collega's dunnefilmcomposietmembranen rechtstreeks in de elektrolyseur - een apparaat dat elektriciteit gebruikt om water in waterstof en zuurstof te splitsen - waardoor in één stap zowel waterzuivering als waterstofproductie wordt bereikt. Ze ontdekten dat de poreuze microstructuur van het materiaal alleen kleine protonen en hydroxide-ionen door het membraan liet migreren, waardoor onzuiverheden en andere ionen die ongewenste reacties kunnen veroorzaken, worden afgewezen. De onderzoekers zeggen dat deze nieuwe aanpak conventionele systemen zou kunnen vervangen, waarbij dure ionenuitwisselingsmembranen worden gebruikt in combinatie met ultrazuivere watertoevoer.

"Goedkope waterontziltingsmembranen kunnen een alternatief zijn voor duurdere membranen op polymeerbasis en kunnen worden gebruikt voor de productie van waterstof uit laagwaardige waterbronnen zoals zeewater", zegt Rossi. “Het resultaat is een efficiënt waterstofproductieproces uit hernieuwbare energiebronnen dat de noodzaak van waterzuivering elimineert.”

Hij merkte op dat zeewater lastig te gebruiken is in elektrolysers vanwege het hoge zoutgehalte. Het is echter overvloedig aanwezig en beschikbaar op locaties zoals kustgebieden, waar hernieuwbare elektriciteit zoals zonne- en windenergie kan worden opgewekt, maar waar de beschikbaarheid van zoet water laag is. Op dergelijke locaties zouden bij dit proces mogelijk andere laagwaardige waterbronnen zoals afvalwater kunnen worden gebruikt in plaats van zeewater.

Het door de Amerikaanse National Science Foundation gefinancierde team integreerde waterzuiveringstechnologie in een nieuw proof-of-concept-ontwerp voor een zeewater-elektrolysator, die een elektrische stroom gebruikt om de waterstof en zuurstof in watermoleculen te splitsen.

Deze nieuwe methode voor het ‘splitsen van zeewater’ zou het gemakkelijker kunnen maken om wind- en zonne-energie om te zetten in een opslagbare en draagbare brandstof, aldus Bruce Logan, een milieuingenieur.

"Waterstof is een geweldige brandstof, maar je moet het wel maken", zei Logan. “De enige duurzame manier om dat te doen is door hernieuwbare energie te gebruiken en deze uit water te produceren. Je moet ook water gebruiken dat mensen niet voor andere dingen willen gebruiken, en dat zou zeewater zijn. Dus de heilige graal van de productie van waterstof Het zou een combinatie zijn van het zeewater en de wind- en zonne-energie die je in kust- en offshore-omgevingen aantreft."

Ondanks de overvloed aan zeewater wordt het niet vaak gebruikt voor watersplitsing. Tenzij het water wordt ontzilt voordat het de elektrolysator binnengaat, een dure extra stap, veranderen de chloride-ionen in het zeewater in giftig chloorgas, dat de apparatuur aantast en in het milieu sijpelt.

Om dit te voorkomen, plaatsten de onderzoekers een dun, semi-permeabel membraan, oorspronkelijk ontwikkeld voor het zuiveren van water in het behandelingsproces met omgekeerde osmose. Het omgekeerde osmosemembraan verving het ionenuitwisselingsmembraan dat gewoonlijk in elektrolyzers wordt gebruikt.
"Het idee achter omgekeerde osmose is dat je heel hoge druk op het water uitoefent en het door het membraan duwt en de chloride-ionen achterlaat", zei Logan.

Via een reeks experimenten gepubliceerd in Energy & Environmental Science testten de onderzoekers twee in de handel verkrijgbare omgekeerde osmose-membranen en twee kationenuitwisselingsmembranen, een type ionenuitwisselingsmembraan dat de beweging van alle positief geladen ionen in het systeem mogelijk maakt.

Schone energie is een topprioriteit voor landen over de hele wereld. Terwijl conventionele energie afhankelijk is van fossiele brandstoffen zoals steenkool, aardgas en olie, bestaat schone energie in verschillende vormen, zoals zonne-energie, windenergie, geothermische energie, waterkracht en biomassa.

Ook waterstof is een toonaangevende optie voor energieopslag voor hernieuwbare energiebronnen en zou de hoge CO2-uitstoot kunnen helpen verminderen.
Uit huidig ​​onderzoek blijkt dat zoutwaterelektrolyse – het proces waarbij water in zuurstof en waterstof wordt gesplitst – een haalbare oplossing is voor de gemeenschappelijke uitdagingen van zoetwaterelektrolyse. Zeewaterelektrolyse zou duurzame waterstof kunnen produceren zonder het mondiale zoetwatertekort te verergeren.

Volgens het Alternative Fuel Data Center van het Amerikaanse ministerie van Energie is pure waterstof een overvloedig aanwezig element op aarde dat veelbelovend is bij het ondersteunen van de transitie naar schone, duurzame en hernieuwbare energie.

Nadat waterstof is geproduceerd, kan het elektriciteit opwekken in een brandstofcel en stoot het alleen waterdamp en warme lucht uit. Omdat waterstof geen broeikasgassen, stikstofoxiden, koolwaterstoffen of ander fijnstof uitstoot, heeft het geen negatieve invloed op het milieu.
Waterstof heeft nog andere voordelen die zullen helpen een schone energie-economie te creëren. Het is een optimale energieoplossing in gebieden die doorgaans moeilijk te koolstofvrij te maken zijn. Het vergroot de betrouwbaarheid en veerkracht van het moderne elektriciteitsnet. Het kan ook de volksgezondheid en de toestand van het milieu verbeteren.

Bovendien kan het het aantal werkgelegenheidskansen en de energiezekerheid in mondiale industrieën vergroten. Het kan de transportsector helpen duurzamer te worden en de verschuiving naar elektrische voertuigen (EV’s) ondersteunen. En het kan bijdragen aan hogere inkomsten en de wereldeconomie versterken.

Eén uitdaging die de kosten in verband met de productie van groene waterstof opdrijft, is dat elektrolysers ultrapuur water nodig hebben. Dit maakt traditionele zoutwaterelektrolyse moeilijk omdat veel waterbronnen gevuld zijn met verontreinigingen.
Hoewel de EPA strenge eisen stelt aan water vanwege de aanwezigheid van lood, chloor en bacteriën, betekent dit niet noodzakelijkerwijs dat al het water vrij is van verontreinigingen.

Elektrolyse van zeewater
Onderzoek naar elektrolyse van zeewater ontstond in het begin van de 19e eeuw. Hoewel wetenschappers vooruitgang boekten op het gebied van de waterstofproductie, kreeg het nooit grip en werd het nooit een levensvatbare energieoplossing. In de 20e eeuw werd waterstof grotendeels gewonnen uit aardgas en gebruikt voor het aandrijven van auto's, bussen, zeppelins en raketten.

Hoewel het gebruik van deze waterstof haalbaar was, was de productie ervan energie-intensief en droeg het bij aan de koolstofemissies, een van de belangrijkste oorzaken van klimaatverandering. Bovendien filteren sommige steden vast stedelijk afval met waterstofbrandstofceltechnologie, die waterstof produceert en verontreiniging door afval in de lokale watervoorziening voorkomt.

Verschillende onderzoekers en wetenschappers ontwikkelen geavanceerde technologieën met behulp van zeewaterelektrolyse om deze uitdagingen te vermijden. Als deze technologieën goed werken, zullen ze duurzame waterstof produceren zonder gebruik te maken van zoetwaterbronnen of bij te dragen aan de CO2-uitstoot.

Producten worden verkocht in alle regio's van China en geëxporteerd naar landen over de hele wereld. Ze zijn verkocht in meer dan 20 landen en regio's, waaronder de Verenigde Staten, Duitsland, Marokko, Kenia, Saoedi-Arabië, Vietnam, Algerije, India, Tanzania en Taiwan. Met succes bekende ondernemingen geleverd zoals China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group en andere bekende ondernemingen. Er zijn veel groene waterstofhydrogeneringsstations zoals Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming, enz. die groene en waterstofproductieprojecten bieden.