Hidrogen d'aigua de mar

ELS CIENTÍFICS han desenvolupat un sistema que pot produir hidrogen verd directament a partir de l'aigua de mar sense necessitat de cap procés de pretractament com la dessalinització. L'equip darrere del desenvolupament, que implica la introducció d'una capa d'àcid de Lewis en un catalitzador d'òxids de metalls de transició, diu que el mètode mostra un gran potencial d'aplicació comercial.

Més del 97% de l'aigua de la superfície de la Terra és aigua salina als oceans, el 2% s'emmagatzema com a aigua dolça en casquets de gel, glaceres i serralades nevades, i només l'1% està disponible per a les nostres necessitats diàries de subministrament d'aigua.

 
L'aigua salina es pot convertir en aigua potable mitjançant un procés anomenat dessalinització, una tècnica de la qual depenen algunes zones del món per produir aigua dolça per al consum humà i per a ús domèstic i industrial. Però la dessalinització és un procés que requereix energia i, pitjor encara, sovint s'alimenta amb fonts d'energia que no són sostenibles.

També s'entén bé la divisió de l'aigua en les seves parts constituents. El procés, conegut com a electròlisi, utilitza un corrent continu entre dos elèctrodes submergits en un electròlit per dividir l'aigua en hidrogen i oxigen. L'hidrogen es forma al càtode, o elèctrode negatiu, i l'oxigen a l'elèctrode positiu, o ànode.

Com que una barreja de gasos pot explotar, la majoria dels electròlitzadors separen l'ànode i el càtode amb una làmina de plàstic gruixuda i porosa, i s'utilitzen catalitzadors metàl·lics com el níquel i el ferro per accelerar les reaccions.

Combinar aquests dos processos, és a dir, dessalar l'aigua de mar, i després dividir-la per crear hidrogen, fa temps que s'ha considerat com una de les millors solucions per proporcionar combustible net i assequible per a l'energia, que al seu torn podria alimentar tot, des de l'electricitat d'una ciutat fins a la fabricació. acer, produir fertilitzants i fins i tot com a combustible per a avions: la llista d'usos potencials és llarga.

Tanmateix, una de les raons per les quals encara no estem utilitzant combustible d'hidrogen per volar arreu del món, és que l'aigua salada i altres impureses corroeixen els elèctrodes, escurçant-los la vida. Com que aquests components solen estar fets de metalls rars com el platí, costa massa seguir substituint-los. Els ions clorur a l'aigua de mar també són un problema i les reaccions d'electrooxidació del clor (ClOR) competeixen amb la reacció d'evolució d'oxigen (OER) a l'ànode durant l'electròlisi. Aquesta reacció dóna lloc a l'alliberament d'espècies de clor tòxiques i corrosives com l'hipoclorit. L'hipoclorit és relativament inestable, pot alliberar gas clor tòxic quan es barreja amb amoníac o àcid i també pot menjar l'acer inoxidable.

Per evitar-ho, l'aigua de mar es podria dessalar i purificar abans de processar-la, però això tampoc sempre és viable econòmicament. Una altra opció és recobrir els elèctrodes amb polianions per suprimir la corrosió, però això també pot ser costós.

Poques solucions climàtiques vénen sense inconvenients. L'hidrogen "verd", elaborat mitjançant l'ús d'energia renovable per dividir les molècules d'aigua, podria alimentar vehicles pesants i descarbonitzar indústries com la fabricació d'acer sense emetre una mica de diòxid de carboni. Però com que les màquines de divisió d'aigua, o electròlitzadors, estan dissenyades per treballar amb aigua pura, augmentar l'hidrogen verd podria agreujar l'escassetat global d'aigua dolça. Ara, diversos equips d'investigació estan informant dels avenços en la producció d'hidrogen directament a partir d'aigua de mar, que podria convertir-se en una font inesgotable d'hidrogen verd.

Avui en dia, gairebé tot l'hidrogen es fa descompondre el metà, cremant combustibles fòssils per generar la calor i la pressió necessàries. Tots dos passos alliberen diòxid de carboni. L'hidrogen verd podria substituir aquest hidrogen brut, però de moment costa més del doble, aproximadament 5 dòlars per quilogram. Això es deu en part a l'alt cost dels electròlitzadors, que es basen en catalitzadors fets de metalls preciosos. El Departament d'Energia dels Estats Units va llançar recentment un esforç d'una dècada per millorar els electrolitzadors i reduir el cost de l'hidrogen verd a 1 $ per quilogram.

Si tenen èxit i la producció d'hidrogen verd es dispara, la pressió podria augmentar sobre els subministraments d'aigua dolça del món. Per generar 1 quilo d'hidrogen mitjançant electròlisi es necessiten uns 10 quilos d'aigua. Fer funcionar camions i indústries clau amb hidrogen verd podria requerir aproximadament 25.000 milions de metres cúbics d'aigua dolça a l'any, l'equivalent al consum d'aigua d'un país amb 62 milions de persones, segons l'Agència Internacional d'Energies Renovables.

L'aigua de mar és gairebé il·limitada, però dividir-la comporta els seus propis problemes. Els electrolitzadors es construeixen com les bateries, amb un parell d'elèctrodes envoltats per un electròlit aquós. En un disseny, els catalitzadors del càtode divideixen les molècules d'aigua en ions hidrogen (H+) i hidroxil (OH-). L'excés d'electrons al càtode uneixen parells d'ions d'hidrogen en gas hidrogen (H2), que surt de l'aigua amb bombolles. Mentrestant, els ions OH- viatgen a través d'una membrana entre els elèctrodes per arribar a l'ànode, on els catalitzadors uneixen l'oxigen en gas d'oxigen (O2) que s'allibera.

Quan s'utilitza aigua de mar, però, la mateixa sacsejada elèctrica que genera O2 a l'ànode també converteix els ions clorur de l'aigua salada en gas de clor altament corrosiu, que consumeix els elèctrodes i els catalitzadors. Això normalment fa que els electrolitzadors fallin en poques hores quan normalment poden funcionar durant anys.

L'hidrogen és un producte químic versàtil utilitzat per a la producció de molts productes, inclosos els fertilitzants. L'hidrogen també és un component clau de la tecnologia de les piles de combustible, que aprofita l'electricitat produïda per fonts d'energia renovables però intermitents com la solar i l'eòlica. La major part de l'hidrogen produït a tot el món deriva d'un procés en què el metà s'exposa a la calor i al vapor per produir hidrogen.

L'hidrogen també es pot produir a partir de l'electròlisi de l'aigua, que utilitza l'electricitat per dividir les molècules d'aigua en hidrogen i oxigen alimentats per fonts renovables com el solar i el vent. Però hi ha una trampa. L'electròlisi requereix aigua molt neta que ha estat desionitzada, és a dir, totes les impureses, minerals i partícules carregades electrònicament s'han d'eliminar primer. Els processos convencionals de purificació d'aigua requereixen equips cars i poden provocar pèrdues d'energia.

Investigadors del Departament de Salut i Enginyeria Ambientals de la Universitat Johns Hopkins, en col·laboració amb la Universitat Estatal de Penn, han trobat una manera d'utilitzar l'aigua de mar com a font directa d'hidrogen, sense necessitat de dessalinització preliminar. Els seus resultats apareixen a Ciència i tecnologia ambientals.

"Hem trobat que podem utilitzar membranes compostes de pel·lícula prima, que s'utilitzen per purificar l'aigua salada, en electrolitzadors d'aigua, dividint l'aigua en gas hidrogen i oxigen, alhora que s'evita la producció de gas clor nociu, que passa amb altres tipus de membranes".
En el seu estudi, Rossi i els seus col·legues van provar membranes compostes de pel·lícula prima directament a l'electrolitzador, un dispositiu que utilitza electricitat per dividir l'aigua en hidrogen i oxigen, aconseguint en un sol pas tant la purificació d'aigua com la producció d'hidrogen. Van trobar que la microestructura porosa del material només permetia que els petits protons i ions hidròxid migren a través de la membrana, rebutjant impureses i altres ions que poden produir reaccions no desitjades. Els investigadors diuen que aquest nou enfocament podria substituir els sistemes convencionals, on s'utilitzen membranes d'intercanvi d'ions cares en combinació amb alimentacions d'aigua ultrapura.

"Les membranes de dessalinització d'aigua barates poden ser una alternativa a les membranes basades en polímers més cares i es poden utilitzar per a la producció d'hidrogen a partir de fonts d'aigua de baix grau com l'aigua de mar", va dir Rossi. "El resultat és un procés eficient de producció d'hidrogen a partir de fonts d'energia renovables que elimina la necessitat de purificar l'aigua".

Va assenyalar que l'aigua de mar és difícil d'utilitzar en electrolitzadors a causa de la seva alta salinitat. No obstant això, és abundant i disponible en llocs com les zones costaneres, on es pot generar electricitat renovable com la solar i l'eòlica, però on hi ha poca disponibilitat d'aigua dolça. En aquests llocs, es podrien utilitzar altres fonts d'aigua de baix grau, com ara les aigües residuals, en lloc de l'aigua de mar en aquest procés.

L'equip finançat per la National Science Foundation dels EUA va integrar la tecnologia de purificació d'aigua en un nou disseny de prova de concepte per a un electrolitzador d'aigua de mar, que utilitza un corrent elèctric per separar l'hidrogen i l'oxigen de les molècules d'aigua.

Aquest nou mètode per a la "divisió de l'aigua de mar" podria facilitar la conversió de l'energia eòlica i solar en un combustible emmagatzemat i portàtil, segons Bruce Logan, enginyer ambiental.

"L'hidrogen és un gran combustible, però l'has de fer", va dir Logan. "L'única manera sostenible de fer-ho és utilitzar energia renovable i produir-la a partir d'aigua. També cal utilitzar aigua que la gent no vol utilitzar per a altres coses, i això seria aigua de mar. Per tant, el sant grial de produir hidrogen seria combinar l'aigua de mar i l'energia eòlica i solar que es troben en entorns costaners i offshore".

Malgrat l'abundància d'aigua de mar, no s'utilitza habitualment per dividir l'aigua. A menys que l'aigua sigui dessalinitzada abans d'entrar a l'electrolitzador, un pas addicional car, els ions de clor de l'aigua de mar es converteixen en gas clor tòxic, que degrada l'equip i es filtra al medi ambient.

Per evitar-ho, els investigadors van inserir una membrana fina i semipermeable, desenvolupada originalment per a la purificació d'aigua en el procés de tractament d'osmosi inversa. La membrana d'osmosi inversa va substituir la membrana d'intercanvi iònic que s'utilitza habitualment en els electrolitzadors.
"La idea darrere de l'osmosi inversa és que poseu una pressió molt alta a l'aigua i la empenyeu a través de la membrana i mantingueu els ions de clorur enrere", va dir Logan.

Mitjançant una sèrie d'experiments publicats a Energy & Environmental Science, els investigadors van provar dues membranes d'osmosi inversa disponibles comercialment i dues membranes d'intercanvi catiònic, un tipus de membrana d'intercanvi iònic que permet el moviment de tots els ions carregats positivament del sistema.

L'energia neta és una prioritat per als països d'arreu del món. Mentre que l'energia convencional depèn de combustibles fòssils com el carbó, el gas natural i el petroli, l'energia neta es presenta en diverses formes, com ara solar, eòlica, geotèrmica, hidroelèctrica i biomassa.

L'hidrogen també és una opció líder d'emmagatzematge d'energia per a les renovables i podria ajudar a reduir els alts nivells d'emissions de carboni.
La investigació actual suggereix que l'electròlisi d'aigua salada, el procés de dividir l'aigua en oxigen i hidrogen, és una solució viable als reptes comuns de l'electròlisi d'aigua dolça. L'electròlisi de l'aigua de mar podria produir hidrogen sostenible sense empitjorar l'escassetat mundial d'aigua dolça.

Segons el Centre de dades de combustibles alternatius del Departament d'Energia dels Estats Units, l'hidrogen pur és un element abundant a la Terra que mostra una gran promesa per donar suport a la transició cap a una energia neta, sostenible i renovable.

Un cop produït l'hidrogen, pot generar electricitat en una pila de combustible i només emet vapor d'aigua i aire calent. Com que l'hidrogen no emet gasos d'efecte hivernacle, òxids de nitrogen, hidrocarburs o altres partícules, no afecta negativament el medi ambient.
L'hidrogen té altres beneficis que ajudaran a crear una economia d'energia neta. És una solució energètica òptima en àrees típicament difícils de descarbonitzar. Augmenta la fiabilitat i la resistència de la xarxa elèctrica moderna. També pot millorar la salut pública i l'estat del medi ambient.

A més, pot augmentar el nombre d'oportunitats d'ocupació i la seguretat energètica a les indústries globals. Pot ajudar la indústria del transport a ser més sostenible i donar suport al canvi als vehicles elèctrics (EV). I pot contribuir a augmentar els ingressos i enfortir l'economia mundial.

Un repte que augmenta els costos associats a la producció d'hidrogen verd és que els electròlitzadors requereixen aigua ultrapura. Això dificulta l'electròlisi tradicional d'aigua salada perquè moltes fonts d'aigua estan plenes de contaminants.
Tot i que l'EPA té requisits estrictes per a l'aigua a causa de la presència de plom, clor i bacteris, no vol dir necessàriament que tota l'aigua estigui lliure de contaminants.

Electròlisi d'aigua de mar
La investigació sobre l'electròlisi de l'aigua de mar va sorgir a principis del segle XIX. Tot i que els científics van fer avenços en la producció d'hidrogen, mai va guanyar tracció ni es va convertir en una solució energètica viable. Al segle XX, l'hidrogen s'extreia principalment del gas natural i s'utilitzava per alimentar cotxes, autobusos, dirigibles i coets.

Si bé l'ús d'aquest hidrogen era factible, la seva producció era intensiva en energia i contribuïa a les emissions de carboni, una de les principals causes del canvi climàtic. A més, algunes ciutats filtren els residus sòlids municipals amb la tecnologia de piles de combustible d'hidrogen, que produeix hidrogen i evita la contaminació derivada dels residus en els subministraments d'aigua locals.

Diversos investigadors i científics estan desenvolupant tecnologies avançades mitjançant l'electròlisi d'aigua de mar per evitar aquests reptes. Si aquestes tecnologies funcionen correctament, produiran hidrogen sostenible sense utilitzar recursos d'aigua dolça ni contribuir a les emissions de carboni.

Els productes es venen a totes les regions de la Xina i s'exporten a països de tot el món. S'han venut a més de 20 països i regions, inclosos els Estats Units, Alemanya, el Marroc, Kenya, l'Aràbia Saudita, Vietnam, Algèria, l'Índia, Tanzània i Taiwan. Va proporcionar amb èxit empreses conegudes com China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group i altres empreses conegudes. Hi ha moltes estacions d'hidrogenació d'hidrogen verd com Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming, etc. ofereixen projectes verds i de fabricació d'hidrogen.