Dengiz suvi vodorodi

OLIMLAR to'g'ridan-to'g'ri dengiz suvidan yashil vodorodni tuzsizlantirish kabi oldindan tozalash jarayonlariga muhtoj bo'lmasdan ishlab chiqaradigan tizimni ishlab chiqdilar. O'tish metall oksidi katalizatoriga Lyuis kislotasi qatlamini kiritishni o'z ichiga olgan ishlanma ortida turgan jamoa, bu usul tijorat maqsadlarida qo'llash uchun yuqori imkoniyatlarni ko'rsatadi.

Er yuzidagi suvning 97% dan ortig'i okeanlardagi sho'r suvlar, 2% muzliklar, muzliklar va qorli tog' tizmalarida chuchuk suv sifatida saqlanadi va atigi 1% kundalik suv ta'minoti ehtiyojlarimiz uchun mavjud.

 
Sho'rlangan suvni tuzsizlantirish deb ataladigan jarayon orqali ichimlik suviga aylantirish mumkin, bu usul butun dunyo bo'ylab ba'zi hududlar inson iste'moli, maishiy va sanoat ehtiyojlari uchun toza suv ishlab chiqarishga tayanadi. Ammo tuzsizlantirish energiya talab qiladigan jarayon bo'lib, eng yomoni, u ko'pincha barqaror bo'lmagan energiya manbalari tomonidan quvvatlanadi.

Suvni uning tarkibiy qismlariga bo'lish ham yaxshi tushuniladi. Elektroliz deb ataladigan jarayon suvni vodorod va kislorodga bo'lish uchun elektrolitga botirilgan ikkita elektrod o'rtasida to'g'ridan-to'g'ri oqimdan foydalanadi. Vodorod katodda yoki manfiy elektrodda, kislorod esa musbat elektrodda yoki anodda hosil bo'ladi.

Gazlar aralashmasi portlashi mumkin bo'lganligi sababli, ko'pchilik elektrolizatorlar anod va katodni qalin, g'ovakli plastik qatlam bilan ajratib turadi va reaktsiyalarni tezlashtirish uchun nikel va temir kabi metall katalizatorlar ishlatiladi.

Ushbu ikkala jarayonni birlashtirish, ya'ni dengiz suvini tuzsizlantirish va keyin uni vodorod hosil qilish uchun ajratish uzoq vaqtdan beri energiya uchun toza va arzon yoqilg'i bilan ta'minlashning eng yaxshi echimlaridan biri sifatida e'tirof etilgan. po'lat, o'g'it ishlab chiqarish va hatto samolyotlar uchun yoqilg'i sifatida - potentsial foydalanish ro'yxati uzoq.

Biroq, dunyo bo'ylab uchish uchun vodorod yoqilg'idan foydalanmayotganimizning sabablaridan biri sho'r suv va boshqa aralashmalar elektrodlarni korroziyaga olib, ularning umrini qisqartiradi. Ushbu komponentlar odatda platina kabi nodir metallardan tayyorlanganligi sababli ularni almashtirishni davom ettirish juda qimmatga tushadi. Dengiz suvidagi xlorid ionlari ham muammo hisoblanadi va xlor elektro-oksidlanish reaktsiyalari (ClOR) elektroliz paytida anoddagi kislorodning evolyutsiya reaktsiyasi (OER) bilan raqobatlashadi. Bu reaktsiya gipoxlorit kabi zaharli va korroziy xlor turlarini chiqarishga olib keladi. Gipoxlorit nisbatan beqaror, u ammiak yoki kislota bilan aralashtirilganda zaharli xlor gazini chiqarishi va zanglamaydigan po'latni ham yeyishi mumkin.

Buni bartaraf etish uchun dengiz suvini qayta ishlashdan oldin tuzsizlantirish va tozalash mumkin, ammo bu har doim ham moliyaviy jihatdan foydali emas. Yana bir variant - korroziyani bostirish uchun elektrodlarni polianionlar bilan qoplash, lekin bu ham qimmatga tushishi mumkin.

Bir nechta iqlimiy yechimlar salbiy tomonlari yo'q. Suv molekulalarini parchalash uchun qayta tiklanadigan energiyadan foydalangan holda hosil bo'lgan "yashil" vodorod og'ir transport vositalarini quvvatlantirishi va karbonat angidrid gazini chiqarmasdan po'lat ishlab chiqarish kabi sanoatni dekarbonizatsiya qilishi mumkin. Ammo suvni ajratuvchi mashinalar yoki elektrolizatorlar toza suv bilan ishlashga mo'ljallanganligi sababli, yashil vodorod miqdorini oshirish global chuchuk suv tanqisligini yanada kuchaytirishi mumkin. Endi bir nechta tadqiqot guruhlari yashil vodorodning bitmas-tuganmas manbasiga aylanishi mumkin bo'lgan dengiz suvidan to'g'ridan-to'g'ri vodorod ishlab chiqarish bo'yicha yutuqlar haqida xabar berishmoqda.

Bugungi kunda deyarli barcha vodorod metanni parchalash, zarur issiqlik va bosim hosil qilish uchun qazib olinadigan yoqilg'ilarni yoqish orqali hosil bo'ladi. Ikkala bosqich ham karbonat angidridni chiqaradi. Yashil vodorod bu iflos vodorodning o'rnini bosishi mumkin, ammo ayni paytda uning narxi ikki baravar ko'proq, har bir kilogramm uchun taxminan 5 dollar. Bu qisman qimmatbaho metallardan tayyorlangan katalizatorlarga tayanadigan elektrolizatorlarning qimmatligi bilan bog‘liq. Yaqinda AQSh Energetika vazirligi elektrolizatorlarni yaxshilash va yashil vodorod narxini kilogrammi uchun 1 dollarga tushirish bo'yicha o'n yillik sa'y-harakatlarni boshladi.

Agar ular muvaffaqiyat qozonsa va yashil vodorod ishlab chiqarish osmonga ko'tarilsa, dunyodagi chuchuk suv zaxiralariga bosim kuchayishi mumkin. Elektroliz yordamida 1 kilogramm vodorod hosil qilish uchun taxminan 10 kilogramm suv kerak bo'ladi. Xalqaro qayta tiklanadigan energiya agentligi ma'lumotlariga ko'ra, yuk mashinalari va asosiy sanoat tarmoqlari yashil vodorodda ishlashi uchun yiliga 25 milliard kubometr toza suv talab qilinishi mumkin, bu 62 million aholisi bo'lgan mamlakatning suv iste'moliga teng.

Dengiz suvi deyarli cheksizdir, lekin uni ajratish o'z muammolari bilan birga keladi. Elektrolizatorlar batareyalarga o'xshab qurilgan bo'lib, ular suvli elektrolitlar bilan o'ralgan bir juft elektrodga ega. Bir dizaynda katoddagi katalizatorlar suv molekulalarini vodorod (H+) va gidroksil (OH-) ionlariga ajratadi. Katoddagi ortiqcha elektronlar vodorod ionlarini juft qilib suvdan pufakchaga chiqadigan vodorod gaziga (H2) aylantiradi. Shu bilan birga, OH-ionlari elektrodlar orasidagi membrana orqali anodga etib boradi, bu erda katalizatorlar kislorodni ajralib chiqadigan kislorod gaziga (O2) aylantiradi.

Dengiz suvidan foydalanilganda, anodda O2 hosil qiluvchi xuddi shu elektr zarbasi, shuningdek, sho'r suvdagi xlorid ionlarini elektrodlar va katalizatorlarni yutib yuboradigan yuqori korroziv xlor gaziga aylantiradi. Bu odatda elektrolizatorlarning bir necha soat ichida ishdan chiqishiga olib keladi, ular odatda yillar davomida ishlaydi.

Vodorod ko'plab mahsulotlarni, shu jumladan o'g'itlarni ishlab chiqarish uchun ishlatiladigan ko'p qirrali kimyoviy moddadir. Vodorod, shuningdek, quyosh va shamol kabi qayta tiklanadigan, ammo uzluksiz energiya manbalari tomonidan ishlab chiqarilgan elektr energiyasidan foydalanadigan yonilg'i xujayrasi texnologiyasining asosiy tarkibiy qismidir. Butun dunyo bo'ylab ishlab chiqarilgan vodorodning ko'p qismi metan vodorodni olish uchun issiqlik va bug'ga ta'sir qilish jarayonidan kelib chiqadi.

Vodorod suvning elektrolizidan ham ishlab chiqarilishi mumkin, bu suv molekulalarini quyosh va shamol kabi qayta tiklanadigan manbalardan quvvatlanadigan vodorod va kislorodga bo'lish uchun elektr energiyasidan foydalanadi. Lekin bir narsa bor. Elektroliz deionizatsiya qilingan juda toza suvni talab qiladi, ya'ni barcha aralashmalar, minerallar va elektron zaryadlangan zarralar birinchi navbatda olib tashlanishi kerak. An'anaviy suv tozalash jarayonlari qimmat uskunalar talab qiladi va energiya yo'qotilishiga olib kelishi mumkin.

Jons Xopkins universitetining Atrof-muhit salomatligi va muhandisligi bo‘limi tadqiqotchilari Penn State universiteti bilan hamkorlikda dengiz suvidan vodorodning to‘g‘ridan-to‘g‘ri manbai sifatida foydalanish yo‘lini topdilar, bunda oldindan tuzsizlantirishga hojat yo‘q. Ularning natijalari Environmental Science & Technology jurnalida keltirilgan.

"Biz sho'r suvni tozalash uchun ishlatiladigan nozik plyonkali kompozit membranalarni suv elektrolizatorlarida ishlatishimiz mumkinligini aniqladik, suvni vodorod gazi va kislorodga bo'lish va boshqa membranalar bilan sodir bo'ladigan zararli xlor gazini ishlab chiqarishdan qochamiz."
Rossi va uning hamkasblari o'z tadqiqotida yupqa plyonkali kompozit membranalarni to'g'ridan-to'g'ri elektrolizatorda - suvni vodorod va kislorodga bo'lish uchun elektr energiyasidan foydalanadigan qurilmada sinovdan o'tkazdilar - bu suvni tozalash va vodorod ishlab chiqarishni bir bosqichda amalga oshiradi. Ular materialning g'ovakli mikro tuzilishi faqat kichik protonlar va gidroksid ionlarining membrana bo'ylab ko'chib o'tishiga imkon berishini aniqladilar va kiruvchi reaktsiyalarni keltirib chiqaradigan aralashmalar va boshqa ionlarni rad etishdi. Tadqiqotchilarning ta'kidlashicha, ushbu yangi yondashuv an'anaviy tizimlar o'rnini bosishi mumkin, bu erda qimmat ion almashinadigan membranalar o'ta toza suv bilan birgalikda ishlatiladi.

"Arzon suvni tuzsizlantirish membranalari qimmatroq polimer asosidagi membranalarga muqobil bo'lishi mumkin va dengiz suvi kabi past darajadagi suv manbalaridan vodorod ishlab chiqarish uchun ishlatilishi mumkin", dedi Rossi. “Natijada qayta tiklanadigan energiya manbalaridan samarali vodorod ishlab chiqarish jarayoni yuzaga keldi, bu esa suvni tozalash zaruriyatini bartaraf etadi”.

Uning ta'kidlashicha, dengiz suvi sho'rligi yuqori bo'lgani uchun elektrolizatorlarda foydalanish qiyin. Biroq, u quyosh va shamol kabi qayta tiklanadigan elektr energiyasi ishlab chiqarilishi mumkin bo'lgan qirg'oqbo'yi hududlari kabi joylarda juda ko'p va mavjud, ammo chuchuk suv kam mavjud. Bunday joylarda dengiz suvi o'rniga oqava suv kabi boshqa past darajadagi suv manbalaridan foydalanish mumkin.

AQSh Milliy Fan Jamg'armasi tomonidan moliyalashtiriladigan guruh suvni tozalash texnologiyasini suv molekulalarida vodorod va kislorodni ajratish uchun elektr tokidan foydalanadigan dengiz suvi elektrolizatorining yangi kontseptsiyasi loyihasiga kiritdi.

Atrof-muhandis Bryus Loganning so'zlariga ko'ra, "dengiz suvining bo'linishi" ning ushbu yangi usuli shamol va quyosh energiyasini saqlanadigan va ko'chma yoqilg'iga aylantirishni osonlashtirishi mumkin.

"Vodorod ajoyib yoqilg'i, lekin siz uni ishlab chiqishingiz kerak", dedi Logan. "Bunday qilishning yagona barqaror yo'li - qayta tiklanadigan energiyadan foydalanish va uni suvdan ishlab chiqarish. Shuningdek, odamlar boshqa maqsadlarda foydalanishni istamaydigan suvdan foydalanish kerak va bu dengiz suvi bo'lardi. Demak, vodorod ishlab chiqarishning muqaddas g'alati. Dengiz suvi va qirg'oq va dengiz muhitida joylashgan shamol va quyosh energiyasini birlashtirish bo'lar edi.

Dengiz suvining ko'pligiga qaramasdan, u odatda suvni bo'linish uchun ishlatilmaydi. Agar elektrolizatorga kirishdan oldin suv tuzsizlantirilmasa, bu qimmat qo'shimcha qadam, dengiz suvidagi xlorid ionlari zaharli xlor gaziga aylanadi, bu esa uskunani buzadi va atrof-muhitga singib ketadi.

Buning oldini olish uchun tadqiqotchilar dastlab teskari osmos bilan ishlov berish jarayonida suvni tozalash uchun ishlab chiqilgan nozik, yarim o'tkazuvchan membranani kiritdilar. Teskari osmoz membranasi elektrolizatorlarda keng qo'llaniladigan ion almashinadigan membranani almashtirdi.
"Teskari osmosning g'oyasi shundaki, siz suvga haqiqatan ham yuqori bosim o'tkazasiz va uni membranadan o'tkazasiz va xlorid ionlarini orqada saqlaysiz", dedi Logan.

Energy & Environmental Science jurnalida chop etilgan bir qator eksperimentlar orqali tadqiqotchilar tijoratda mavjud bo‘lgan ikkita teskari osmoz membranasini va tizimdagi barcha musbat zaryadlangan ionlarning harakatlanishiga imkon beruvchi ion almashinadigan membrana turi bo‘lgan ikkita kation almashinadigan membranani sinovdan o‘tkazdilar.

Toza energiya butun dunyo mamlakatlari uchun ustuvor vazifa hisoblanadi. An'anaviy energiya ko'mir, tabiiy gaz va neft kabi qazib olinadigan yoqilg'iga tayansa-da, toza energiya quyosh, shamol, geotermal, gidroelektr va biomassa kabi turli shakllarda keladi.

Vodorod ham qayta tiklanadigan manbalar uchun energiya saqlashning yetakchi variantidir va uglerod chiqindilarining yuqori darajasini kamaytirishga yordam beradi.
Hozirgi tadqiqotlar shuni ko'rsatadiki, sho'r suv elektrolizi - suvni kislorod va vodorodga bo'lish jarayoni - chuchuk suv elektrolizining umumiy muammolariga munosib yechimdir. Dengiz suvi elektrolizi global chuchuk suv tanqisligini yomonlashtirmasdan barqaror vodorod ishlab chiqarishi mumkin.

Amerika Qoʻshma Shtatlari Energetika Departamenti muqobil yoqilgʻi maʼlumotlar markazi maʼlumotlariga koʻra, sof vodorod Yer yuzida koʻp boʻlgan element boʻlib, u toza, barqaror va qayta tiklanadigan energiyaga oʻtishni qoʻllab-quvvatlashda katta vaʼda beradi.

Vodorod ishlab chiqarilgandan so'ng, u yonilg'i xujayrasida elektr energiyasini ishlab chiqarishi mumkin va faqat suv bug'i va iliq havo chiqaradi. Vodorod hech qanday issiqxona gazlari, azot oksidi, uglevodorodlar yoki boshqa zarrachalarni chiqarmagani uchun atrof-muhitga salbiy ta'sir ko'rsatmaydi.
Vodorodning boshqa afzalliklari bor, ular toza energiya iqtisodiyotini yaratishga yordam beradi. Bu odatda dekarbonizatsiya qilish qiyin bo'lgan hududlarda optimal energiya yechimidir. Bu zamonaviy elektr tarmog'ining ishonchliligi va chidamliligini oshiradi. Shuningdek, u aholi salomatligi va atrof-muhit holatini yaxshilashi mumkin.

Bundan tashqari, u global sanoatda bandlik imkoniyatlari va energiya xavfsizligini oshirishi mumkin. Bu transport sanoatining yanada barqaror bo'lishiga yordam berishi va elektr transport vositalariga (EV) o'tishni qo'llab-quvvatlashi mumkin. Va bu daromadning oshishiga hissa qo'shishi va jahon iqtisodiyotini mustahkamlashi mumkin.

Yashil vodorod ishlab chiqarish bilan bog'liq xarajatlarni oshiradigan muammolardan biri shundaki, elektrolizatorlar o'ta toza suvni talab qiladi. Bu an'anaviy sho'r suv elektrolizini qiyinlashtiradi, chunki ko'plab suv manbalari ifloslantiruvchi moddalar bilan to'ldirilgan.
EPK qo'rg'oshin, xlor va bakteriyalar mavjudligi sababli suvga nisbatan qat'iy talablarga ega bo'lsa-da, bu barcha suvda ifloslantiruvchi moddalar yo'qligini anglatmaydi.

Dengiz suvining elektrolizi
Dengiz suvi elektrolizi bo'yicha tadqiqotlar 19-asrning boshlarida paydo bo'ldi. Olimlar vodorod ishlab chiqarishda muvaffaqiyatlarga erishgan bo'lsalar ham, u hech qachon kuchga ega bo'lmagan yoki hayotiy energiya yechimiga aylanmagan. 20-asrda vodorod asosan tabiiy gazdan olinib, avtomobillar, avtobuslar, o'qlar va raketalarni quvvatlantirish uchun ishlatilgan.

Ushbu vodoroddan foydalanish mumkin bo'lsa-da, uni ishlab chiqarish energiyani ko'p talab qildi va iqlim o'zgarishining asosiy sabablaridan biri bo'lgan uglerod chiqindilariga hissa qo'shdi. Bundan tashqari, ba'zi shaharlar qattiq maishiy chiqindilarni vodorod yonilg'i xujayrasi texnologiyasi bilan filtrlaydi, bu esa vodorod ishlab chiqaradi va mahalliy suv ta'minotida chiqindilardan kelib chiqadigan ifloslanishning oldini oladi.

Turli tadqiqotchilar va olimlar ushbu qiyinchiliklardan qochish uchun dengiz suvi elektrolizidan foydalangan holda ilg'or texnologiyalarni ishlab chiqmoqdalar. Agar ushbu texnologiyalar to'g'ri ishlasa, ular chuchuk suv resurslaridan foydalanmasdan yoki uglerod chiqindilariga hissa qo'shmasdan barqaror vodorod ishlab chiqaradi.

Mahsulotlar Xitoyning barcha hududlarida sotiladi va butun dunyo mamlakatlariga eksport qilinadi. Ular AQSh, Germaniya, Marokash, Keniya, Saudiya Arabistoni, Vetnam, Jazoir, Hindiston, Tanzaniya va Tayvan kabi 20 dan ortiq mamlakat va mintaqalarda sotilgan. China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group va boshqa taniqli korxonalar kabi taniqli korxonalarni muvaffaqiyatli taqdim etdi. Vulanchabu, Xaykou, Xaynan, Xaynan Xaykou, Yunnan Kunming va boshqalar kabi ko'plab yashil vodorod vodorod gidrogenatsiya stantsiyalari yashil va vodorod ishlab chiqarish loyihalarini taqdim etadi.