به گفته گروهی از محققان دانشگاه پنسیلوانیا، نیروی خورشید، باد و دریا ممکن است به زودی برای تولید سوخت هیدروژنی سازگار با محیط زیست گرد هم آیند. این تیم فناوری تصفیه آب را در یک پروژه آزمایشی جدید ادغام کرد الکترولیز آب دریاکه از جریان الکتریکی برای جداسازی هیدروژن و اکسیژن در مولکول های آب استفاده می کند.
به گفته بروس لوگان، استاد مهندسی محیط زیست در کاپا و استاد دانشگاه ایوان پوگ، این روش جدید «شکاف آب دریا» می‌تواند تبدیل انرژی باد و خورشید به سوخت‌های قابل ذخیره و قابل حمل را تسهیل کند.
لوگان گفت: «هیدروژن یک سوخت عالی است، اما شما باید آن را دریافت کنید. - تنها راه پایدار برای این کار استفاده از انرژی های تجدیدپذیر و تولید آن از آب است. شما همچنین باید از آبی استفاده کنید که مردم نمی خواهند برای مقاصد دیگر استفاده کنند و آن آب دریا خواهد بود. بنابراین جام مقدس تولید هیدروژن باید آب دریا، باد و انرژی خورشیدی موجود در محیط‌های ساحلی و دریایی را ترکیب می‌کرد.
با وجود فراوانی آب دریا، معمولاً از آن برای جداسازی آب استفاده نمی شود. اگر آب قبل از وارد شدن به الکترولیز نمک زدایی نشود - یک مرحله اضافی گران قیمت - یون های کلر موجود در آب دریا به گاز کلر سمی تبدیل می شوند که تجهیزات را از بین می برد و به محیط نفوذ می کند.
برای جلوگیری از این امر، محققان یک غشای نازک و نیمه تراوا را وارد کردند که در ابتدا برای تصفیه آب در تصفیه اسمز معکوس (RO) طراحی شده بود. غشای اسمز معکوس جایگزین غشای تبادل یونی شده است که معمولاً در الکترولیزها استفاده می شود.
لوگان می گوید: «ایده پشت اسمز معکوس این است که شما فشار بسیار بالایی بر روی آب وارد می کنید، آن را از طریق غشاء فشار می دهید و یون های کلر را پشت سر نگه می دارید.
در الکترولیز، آب دریا دیگر از غشای اسمز معکوس عبور نمی کند، بلکه توسط آن حفظ می شود. این غشاء برای جداسازی واکنش‌هایی که در نزدیکی دو الکترود غوطه‌ور هستند - یک آند با بار مثبت و یک کاتد با بار منفی - که به یک منبع انرژی خارجی متصل هستند، استفاده می‌شود. هنگامی که برق روشن می شود، مولکول های آب شروع به شکافتن در آند می کنند و یون های هیدروژن ریزی به نام پروتون آزاد می کنند و گاز اکسیژن تشکیل می دهند. سپس پروتون ها از غشاء عبور کرده و با الکترون ها در کاتد ترکیب می شوند و گاز هیدروژن را تشکیل می دهند.
با نصب غشای اسمز معکوس، آب دریا در سمت کاتد باقی می ماند و یون های کلر برای عبور از غشا و رسیدن به آند بسیار بزرگ هستند و از تشکیل گاز کلر جلوگیری می کنند.
اما در شکافتن آب، همانطور که لوگان اشاره کرد، نمک های دیگر به عمد در آب حل می شوند تا آن را رسانا کنند. غشای تبادل یونی که یون ها را با بار الکتریکی فیلتر می کند، به یون های نمک اجازه عبور از آن را می دهد. غشای اسمز معکوس وجود ندارد.
از آنجایی که حرکت یون‌های بزرگ‌تر توسط غشای RO محدود می‌شود، محققان باید آزمایش کنند که آیا پروتون‌های کوچکی که در منافذ حرکت می‌کنند برای حفظ جریان الکتریکی بالا کافی هستند یا خیر.
در یک سری آزمایش، محققان دو غشای اسمز معکوس تجاری موجود و دو غشای تبادل کاتیونی را آزمایش کردند که نوعی غشای تبادل یونی است که امکان حرکت تمام یون‌های دارای بار مثبت در سیستم را فراهم می‌کند. هر یک از آنها برای مقاومت غشاء در برابر حرکت یون ها آزمایش شدند. مقدار انرژی مورد نیاز برای تکمیل واکنش ها نیز محاسبه شد، تشکیل هیدروژن و اکسیژن گازی پایش شد، برهمکنش با یون های کلر و آسیب به غشا آنالیز شد.
محققان اخیرا کمک مالی 300 دلاری از بنیاد ملی علوم (NSF) برای ادامه تحقیقات در مورد الکترولیز آب دریا دریافت کردند. لوگان امیدوار است که تحقیقات آنها نقش مهمی در کاهش انتشار دی اکسید کربن در سراسر جهان داشته باشد.
همچنین بخوانید:
- TSMC: در سال 2021، نسخه های آزمایشی پردازنده های 3 نانومتری ظاهر می شود
- جاذبه باعث یکنواختی جهان می شود