Hydro nước biển

CÁC KHOA HỌC đã phát triển một hệ thống có thể sản xuất hydro xanh trực tiếp từ nước biển mà không cần bất kỳ quy trình xử lý trước nào như khử muối. Nhóm đứng đằng sau sự phát triển, bao gồm việc đưa lớp axit Lewis vào chất xúc tác oxit kim loại chuyển tiếp, cho biết phương pháp này cho thấy tiềm năng ứng dụng thương mại cao.

Hơn 97% lượng nước trên bề mặt Trái đất là nước mặn trong các đại dương, 2% được lưu trữ dưới dạng nước ngọt ở các chỏm băng, sông băng và dãy núi phủ tuyết, và chỉ 1% có sẵn cho nhu cầu cung cấp nước hàng ngày của chúng ta.

 
Nước mặn có thể được sản xuất thành nước uống được thông qua quá trình gọi là khử muối, một kỹ thuật mà một số khu vực trên thế giới dựa vào để sản xuất nước ngọt cho con người, sinh hoạt và công nghiệp. Nhưng khử muối là một quá trình đòi hỏi nhiều năng lượng, và tệ hơn nữa là nó thường được cung cấp năng lượng từ các nguồn năng lượng không bền vững.

Việc chia nước thành các phần cấu thành của nó cũng được hiểu rõ. Quá trình này – được gọi là điện phân – sử dụng dòng điện một chiều giữa hai điện cực nhúng trong chất điện phân để tách nước thành hydro và oxy. Hydro được hình thành ở cực âm hoặc điện cực âm và oxy được hình thành ở cực dương hoặc cực dương.

Vì hỗn hợp khí có thể phát nổ nên hầu hết các máy điện phân đều tách cực dương và cực âm bằng một tấm nhựa dày, xốp và các chất xúc tác kim loại như niken và sắt được sử dụng để tăng tốc độ phản ứng.

Việc kết hợp cả hai quá trình này với nhau, cụ thể là khử muối trong nước biển, sau đó tách nó ra để tạo ra hydro từ lâu đã được ca ngợi là một trong những giải pháp tốt nhất để cung cấp nhiên liệu sạch và giá cả phải chăng cho năng lượng, từ đó có thể cung cấp năng lượng cho mọi thứ từ điện của thành phố cho đến sản xuất. thép, sản xuất phân bón và thậm chí làm nhiên liệu cho máy bay – danh sách các ứng dụng tiềm năng còn rất dài.

Tuy nhiên, một trong những lý do khiến chúng ta chưa sử dụng nhiên liệu hydro để bay vòng quanh thế giới là nước mặn và các tạp chất khác làm ăn mòn các điện cực, rút ​​ngắn tuổi thọ của chúng. Vì những thành phần đó thường được làm bằng kim loại quý hiếm như bạch kim nên chi phí thay thế chúng sẽ rất cao. Các ion clorua trong nước biển cũng là một vấn đề và các phản ứng oxy hóa điện clo (ClOR) cạnh tranh với phản ứng tiến hóa oxy (OER) trên cực dương trong quá trình điện phân. Phản ứng này dẫn đến việc giải phóng các loại clo độc hại và ăn mòn như hypochlorite. Hypochlorite tương đối không ổn định, nó có thể giải phóng khí clo độc hại khi trộn với amoniac hoặc axit và nó cũng có thể ăn mòn thép không gỉ.

Để giải quyết vấn đề này, nước biển có thể được khử muối và tinh chế trước khi xử lý, nhưng điều này không phải lúc nào cũng khả thi về mặt tài chính. Một lựa chọn khác là phủ các điện cực bằng polyanion để ngăn chặn sự ăn mòn, nhưng điều này cũng có thể tốn kém.

Rất ít giải pháp khí hậu không có nhược điểm. Hydro "xanh", được tạo ra bằng cách sử dụng năng lượng tái tạo để phân tách các phân tử nước, có thể cung cấp năng lượng cho các phương tiện hạng nặng và khử cacbon cho các ngành công nghiệp như sản xuất thép mà không thải ra một lượng khí carbon dioxide. Nhưng vì máy tách nước hay máy điện phân được thiết kế để hoạt động với nước tinh khiết nên việc tăng quy mô hydro xanh có thể làm trầm trọng thêm tình trạng thiếu nước ngọt trên toàn cầu. Hiện nay, một số nhóm nghiên cứu đang báo cáo những tiến bộ trong việc sản xuất hydro trực tiếp từ nước biển, nước có thể trở thành nguồn hydro xanh vô tận.

Ngày nay, gần như toàn bộ hydro được tạo ra bằng cách phân tách khí mê-tan, đốt nhiên liệu hóa thạch để tạo ra nhiệt và áp suất cần thiết. Cả hai bước đều giải phóng carbon dioxide. Hydro xanh có thể thay thế loại hydro bẩn này, nhưng hiện tại nó có giá cao hơn gấp đôi, khoảng 5 USD/kg. Điều đó một phần là do chi phí cao của máy điện phân, vốn dựa vào chất xúc tác làm từ kim loại quý. Bộ Năng lượng Hoa Kỳ gần đây đã phát động một nỗ lực kéo dài hàng thập kỷ nhằm cải tiến máy điện phân và hạ giá thành hydro xanh xuống còn 1 USD/kg.

Nếu họ thành công và sản lượng hydro xanh tăng vọt, áp lực có thể đè nặng lên nguồn cung cấp nước ngọt của thế giới. Để tạo ra 1 kg hydro bằng phương pháp điện phân cần khoảng 10 kg nước. Theo Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế, việc vận hành xe tải và các ngành công nghiệp chủ chốt sử dụng hydro xanh có thể cần khoảng 25 tỷ mét khối nước ngọt mỗi năm, tương đương với lượng nước tiêu thụ của một quốc gia với 62 triệu dân.

Nước biển gần như vô hạn, nhưng việc chia tách nó đi kèm với những vấn đề riêng. Máy điện phân được chế tạo giống như pin, với một cặp điện cực được bao quanh bởi chất điện phân dạng nước. Trong một thiết kế, chất xúc tác ở cực âm phân tách các phân tử nước thành các ion hydro (H+) và hydroxyl (OH-). Các electron dư thừa ở cực âm kết nối các cặp ion hydro thành khí hydro (H2), khí này sủi bọt ra khỏi nước. Trong khi đó, các ion OH- di chuyển qua màng giữa các điện cực để đến cực dương, nơi các chất xúc tác kết hợp oxy thành khí oxy (O2) được giải phóng.

Tuy nhiên, khi sử dụng nước biển, cú sốc điện tương tự tạo ra O2 ở cực dương cũng chuyển đổi các ion clorua trong nước mặn thành khí clo có tính ăn mòn cao, ăn mòn các điện cực và chất xúc tác. Điều này thường khiến máy điện phân hỏng chỉ sau vài giờ khi chúng có thể hoạt động bình thường trong nhiều năm.

Hydro là một hóa chất đa năng được sử dụng để sản xuất nhiều sản phẩm, bao gồm cả phân bón. Hydro cũng là thành phần chính của công nghệ pin nhiên liệu, khai thác điện được sản xuất từ ​​các nguồn năng lượng tái tạo nhưng không liên tục như năng lượng mặt trời và gió. Hầu hết hydro được sản xuất trên toàn thế giới đều bắt nguồn từ quá trình trong đó khí mê-tan tiếp xúc với nhiệt và hơi nước để tạo ra hydro.

Hydro cũng có thể được sản xuất từ ​​quá trình điện phân nước, sử dụng điện để phân tách các phân tử nước thành hydro và oxy được cung cấp bởi các nguồn tái tạo như năng lượng mặt trời và gió. Nhưng có một nhược điểm. Quá trình điện phân yêu cầu nước rất sạch đã được khử ion, nghĩa là tất cả các tạp chất, khoáng chất và các hạt tích điện trước tiên phải được loại bỏ. Quy trình lọc nước thông thường đòi hỏi thiết bị đắt tiền và có thể dẫn đến thất thoát năng lượng.

Các nhà nghiên cứu tại Khoa Kỹ thuật và Sức khỏe Môi trường của Đại học Johns Hopkins, phối hợp với Đại học bang Pennsylvania, đã tìm ra cách sử dụng nước biển làm nguồn hydro trực tiếp mà không cần khử muối sơ bộ. Kết quả của họ xuất hiện trong Khoa học & Công nghệ Môi trường.

“Chúng tôi nhận thấy rằng có thể sử dụng màng composite màng mỏng, vốn được sử dụng để lọc nước muối, trong máy điện phân nước, tách nước thành khí hydro và oxy, đồng thời tránh tạo ra khí clo có hại, điều xảy ra với các loại màng khác.”
Trong nghiên cứu của mình, Rossi và các đồng nghiệp đã thử nghiệm màng tổng hợp màng mỏng trực tiếp trong máy điện phân - một thiết bị sử dụng điện để tách nước thành hydro và oxy - hoàn thành cả quá trình lọc nước và sản xuất hydro trong một bước duy nhất. Họ phát hiện ra rằng cấu trúc vi mô xốp của vật liệu chỉ cho phép các proton và ion hydroxit nhỏ di chuyển qua màng, loại bỏ các tạp chất và các ion khác có thể tạo ra các phản ứng không mong muốn. Các nhà nghiên cứu cho biết phương pháp mới này có thể thay thế các hệ thống thông thường, trong đó màng trao đổi ion đắt tiền được sử dụng kết hợp với nguồn cấp nước siêu tinh khiết.

Rossi cho biết: “Màng khử muối nước giá rẻ có thể là giải pháp thay thế cho màng gốc polymer đắt tiền hơn và có thể được sử dụng để sản xuất hydro từ các nguồn nước cấp thấp như nước biển”. “Kết quả là một quy trình sản xuất hydro hiệu quả từ các nguồn năng lượng tái tạo giúp loại bỏ nhu cầu lọc nước.”

Ông lưu ý rằng nước biển khó sử dụng trong máy điện phân vì độ mặn cao. Tuy nhiên, nó rất phong phú và có sẵn ở những địa điểm như khu vực ven biển, nơi có thể tạo ra điện tái tạo như năng lượng mặt trời và gió, nhưng ở những nơi có ít nước ngọt. Ở những địa điểm như vậy, các nguồn nước cấp thấp khác như nước thải có thể được sử dụng thay vì nước biển trong quá trình này.

Nhóm nghiên cứu do Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ tài trợ đã tích hợp công nghệ lọc nước vào một thiết kế thử nghiệm mới cho máy điện phân nước biển, sử dụng dòng điện để tách hydro và oxy trong các phân tử nước.

Theo Bruce Logan, một kỹ sư môi trường, phương pháp mới để "tách nước biển" này có thể giúp biến năng lượng gió và mặt trời thành nhiên liệu có thể lưu trữ và di động dễ dàng hơn.

Logan nói: “Hydro là một loại nhiên liệu tuyệt vời, nhưng bạn phải tạo ra nó. "Cách bền vững duy nhất để làm điều đó là sử dụng năng lượng tái tạo và sản xuất nó từ nước. Bạn cũng cần sử dụng loại nước mà mọi người không muốn sử dụng cho mục đích khác và đó sẽ là nước biển. Vì vậy, chén thánh của việc sản xuất hydro sẽ là sự kết hợp giữa nước biển, gió và năng lượng mặt trời có trong môi trường ven biển và ngoài khơi."

Mặc dù có lượng nước biển dồi dào nhưng nó không được sử dụng phổ biến để tách nước. Trừ khi nước được khử muối trước khi đưa vào máy điện phân, một bước bổ sung tốn kém, các ion clorua trong nước biển sẽ biến thành khí clo độc hại, làm hỏng thiết bị và thấm vào môi trường.

Để ngăn chặn điều này, các nhà nghiên cứu đã chèn một màng mỏng bán thấm, ban đầu được phát triển để lọc nước trong quy trình xử lý thẩm thấu ngược. Màng thẩm thấu ngược thay thế màng trao đổi ion thường được sử dụng trong máy điện phân.
Logan cho biết: “Ý tưởng đằng sau quá trình thẩm thấu ngược là bạn tạo áp lực rất cao lên nước và đẩy nó qua màng và giữ lại các ion clorua phía sau”.

Thông qua một loạt thí nghiệm được công bố trên tạp chí Khoa học Năng lượng & Môi trường, các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm hai màng thẩm thấu ngược có bán trên thị trường và hai màng trao đổi cation, một loại màng trao đổi ion cho phép chuyển động của tất cả các ion tích điện dương trong hệ thống.

Năng lượng sạch là ưu tiên hàng đầu của các quốc gia trên toàn thế giới. Trong khi năng lượng thông thường phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch như than đá, khí đốt tự nhiên và dầu thì năng lượng sạch có nhiều dạng khác nhau như năng lượng mặt trời, gió, địa nhiệt, thủy điện và sinh khối.

Hydro cũng là lựa chọn lưu trữ năng lượng hàng đầu cho năng lượng tái tạo và có thể giúp giảm lượng khí thải carbon cao.
Nghiên cứu hiện tại cho thấy điện phân nước mặn – quá trình tách nước thành oxy và hydro – là một giải pháp khả thi cho những thách thức chung của điện phân nước ngọt. Điện phân nước biển có thể tạo ra hydro bền vững mà không làm trầm trọng thêm tình trạng thiếu nước ngọt toàn cầu

Theo Trung tâm Dữ liệu Nhiên liệu Thay thế của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, hydro tinh khiết là nguyên tố dồi dào trên Trái đất cho thấy nhiều hứa hẹn trong việc hỗ trợ quá trình chuyển đổi sang năng lượng sạch, bền vững và tái tạo.

Sau khi hydro được sản xuất, nó có thể tạo ra điện trong pin nhiên liệu và chỉ thải ra hơi nước và không khí ấm. Vì hydro không thải ra bất kỳ khí nhà kính, oxit nitơ, hydrocacbon hoặc các hạt vật chất khác nên nó không ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường.
Hydro còn có những lợi ích khác giúp tạo ra nền kinh tế năng lượng sạch. Đó là giải pháp năng lượng tối ưu ở những khu vực thường khó khử cacbon. Nó làm tăng độ tin cậy và khả năng phục hồi của lưới điện hiện đại. Nó cũng có thể cải thiện sức khỏe cộng đồng và tình trạng môi trường.

Ngoài ra, nó có thể tăng số lượng cơ hội việc làm và an ninh năng lượng trong các ngành công nghiệp toàn cầu. Nó có thể giúp ngành vận tải trở nên bền vững hơn và hỗ trợ việc chuyển đổi sang xe điện (EV). Và nó có thể góp phần tăng doanh thu và củng cố nền kinh tế thế giới.

Một thách thức làm tăng chi phí liên quan đến sản xuất hydro xanh là máy điện phân cần nước siêu tinh khiết. Điều này gây khó khăn cho quá trình điện phân nước mặn truyền thống vì nhiều nguồn nước chứa đầy chất gây ô nhiễm.
Mặc dù EPA có các yêu cầu nghiêm ngặt đối với nước do sự hiện diện của chì, clo và vi khuẩn, nhưng điều đó không nhất thiết có nghĩa là tất cả nước đều không có chất gây ô nhiễm.

Điện phân nước biển
Nghiên cứu điện phân nước biển xuất hiện vào đầu thế kỷ 19. Mặc dù các nhà khoa học đã có những tiến bộ trong sản xuất hydro nhưng nó chưa bao giờ thu hút được sự chú ý hoặc trở thành một giải pháp năng lượng khả thi. Vào thế kỷ 20, hydro chủ yếu được chiết xuất từ ​​​​khí tự nhiên và được sử dụng để cung cấp năng lượng cho ô tô, xe buýt, khí cầu và tên lửa.

Mặc dù việc sử dụng hydro này là khả thi nhưng việc sản xuất nó tiêu tốn nhiều năng lượng và góp phần tạo ra lượng khí thải carbon, một trong những nguyên nhân chính gây ra biến đổi khí hậu. Ngoài ra, một số thành phố lọc chất thải rắn đô thị bằng công nghệ pin nhiên liệu hydro, tạo ra hydro và ngăn ngừa ô nhiễm do chất thải gây ra trong nguồn cung cấp nước địa phương.

Nhiều nhà nghiên cứu và nhà khoa học đang phát triển các công nghệ tiên tiến sử dụng điện phân nước biển để tránh những thách thức này. Nếu những công nghệ này hoạt động hiệu quả, chúng sẽ sản xuất hydro bền vững mà không cần sử dụng tài nguyên nước ngọt hoặc góp phần phát thải carbon.

Sản phẩm được bán ở mọi vùng của Trung Quốc và xuất khẩu sang các nước trên thế giới. Chúng đã được bán ở hơn 20 quốc gia và khu vực bao gồm Hoa Kỳ, Đức, Maroc, Kenya, Ả Rập Saudi, Việt Nam, Algeria, Ấn Độ, Tanzania và Đài Loan. Cung cấp thành công cho các doanh nghiệp nổi tiếng như China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group và các doanh nghiệp nổi tiếng khác. Có nhiều trạm hydro hóa hydro xanh như Wulanchabu, Hải Khẩu, Hải Nam, Hải Nam Hải Khẩu, Vân Nam Côn Minh, v.v. cung cấp các dự án sản xuất hydro và xanh.