能源、电力

从海中产生可再生氢气

最初用于净化水中的膜在反渗透(RO)处理过程中,常用于电解槽中,用于从水中除去盐,以帮助将海水变成氢燃料。

蒂姆•Schley 2020年10月9日,
宾夕法尼亚州立大学的研究人员表示,使用这种海水电解器设计,海水可以转化为氢燃料。Courtesy: Tyler Henderson, Penn State University

太阳,风和海的力量很快就会结合生产清洁燃烧的氢气燃料。宾夕法尼亚州立大学的一支队伍将水净化技术综合到海水电解槽的新概念证明设计中,它使用电流分开氢气和水分子中的氧气。这种“海水分裂”方法可以使风和太阳能变成可容易的燃料。

“氢是一种巨大的燃料,但你必须制造它,”布鲁斯·洛根,卡普·普国普夫大学教授哈普·洛根教授说。“唯一可持续的方法是使用可再生能源并从水中生产它。您还需要使用人们不想用于其他东西的水,这将是海水。因此,生产氢气的圣杯将是将海水和风能和太阳能在沿海和近海环境中发现的。“

尽管海水丰富,但它并不常用来分解水。除非海水在进入电解槽之前被脱盐——这是一个昂贵的额外步骤——海水中的氯离子会转化成有毒的氯气,这会使设备退化并渗透到环境中。

为了防止这种情况,研究人员插入了一种薄的半透膜,这种膜最初是为反渗透(RO)处理过程中的净化水而开发的。反渗透膜取代了电解槽中常用的离子交换膜。

洛根说:“RO背后的想法是,你对水施加很大的压力,推动它穿过膜,并保持氯离子在后面。”

在电解槽中,海水不再被推过RO膜,而是被RO膜所控制。膜是用来帮助分离发生在两个浸没电极附近的反应-一个带正电的阳极和一个带负电的阴极-通过外部电源连接。当电源接通时,水分子在阳极处开始分裂,释放出微小的氢离子,即质子,并产生氧气。然后,质子穿过薄膜,与阴极上的电子结合,形成氢气。

通过插入RO膜,海水保持在阴极侧,氯离子太大而不能通过膜并到达阳极,避免氯气的产生。

但洛根指出,在水分解过程中,其他的盐被有意地溶解在水中,以帮助它导电。离子交换膜通过电荷过滤离子,允许盐离子通过。反渗透膜没有。

“RO膜抑制盐运动,但是您在电路中产生电流的唯一方法是因为水中的电极在两个电极之间移动,”Logan表示。

由于反渗透膜限制了更大离子的运动,研究人员需要观察是否有足够多的微小质子通过小孔来保持高电流。

“基本上,我们不得不表明看起来像泥土可能是一个州际公路,”洛根说。“当它们之间存在膜时,我们必须证明我们可以通过两个电极获得大量电流,这不会让盐离子来回移动。”

通过最近发表在《能源与环境科学》(Energy & Environmental Science)杂志上的一系列实验,研究人员测试了两种商用反渗透膜和两种阳离子交换膜。阳离子交换膜是一种允许系统中所有带正电荷的离子移动的离子交换膜。

分别测试了膜对离子移动的阻力、完成反应所需的能量、氢气和氧气的产生、与氯离子的相互作用以及膜的劣化。

Logan解释说,虽然一种RO膜被证明是一条“土路”,但与阳离子交换膜相比,另一种RO膜表现良好。研究人员仍在研究为什么这两种反渗透膜之间会有如此大的差异。

“这个想法是可行的,”他说。“我们不确切知道为什么这两种膜的功能如此不同,但这是我们将要弄清楚的事情。”

研究人员得到了30万美元国家科学基金会授予继续调查海水电解。洛根希望他们的研究将在减少世界各地的二氧化碳排放方面发挥着关键作用。

“全世界都在寻找可再生的氢,”他说。他说:“例如,沙特阿拉伯计划耗资50亿美元建造一个使用海水的氢设施。现在,他们必须淡化海水。也许他们可以用这种方法来代替。”


蒂姆斯克利
作者生物:Tim Schley,宾夕法尼亚州立大学