Scienty

Фото: img.freepik.com

Сотрудники Принстонского университета в США добились значительного прогресса, предложив способ получения водородного топлива из сточных вод. Данная технология позволяет уменьшить как высокую стоимость, так и воздействие на экологию, которые обычно связаны с использованием чистой воды, необходимой для производства водорода.

По словам ведущего автора исследования, профессора гражданской и экологической инженерии Джейсона Рена, водородная инфраструктура зачастую конкурирует за использование пресной воды в региональном масштабе. Тем не менее, в каждом населенном пункте имеются очистные сооружения, которые могут служить широкодоступным источником воды для водородной экономики. Зеленый водород, получаемый посредством электролиза воды с использованием возобновляемой электроэнергии, характеризуется существенно меньшими выбросами углерода по сравнению с альтернативными технологиями. Однако традиционно для этого процесса требуется вода высокой степени очистки, чтобы избежать повреждения специализированной мембраны в электролизере из-за содержания в ней примесей.

Ученые стремились найти способ избежать дорогостоящей очистки воды, необходимой для производства зеленого водорода. В рамках этого устойчивого подхода вместо водопроводной воды проводились испытания так называемой восстановленной сточной воды – очищенной воды, пригодной для сброса или для использования в непитьевых целях, например, для орошения или промышленного охлаждения. Предыдущие попытки использования сточных вод оказались безуспешными. Анализ причины отказа в стандартном коммерческом электролизере позволил команде разработать конструкцию их нового решения.

Для проведения эксперимента был задействован протонообменный мембранный электролизер – распространенная коммерческая технология, применяемая с использованием ультрачистой воды. Ранее предпринятые попытки оказались неудачными из-за ионов кальция и магния, содержащихся в сточных водах. Эти ионы осаждались на протонообменной мембране электролизера, препятствуя движению ионов и приводя к резкому падению эффективности.

Для решения этой задачи специалисты Принстонского университета использовали подкисление восстановленной сточной воды с помощью серной кислоты. Полученный буферный раствор предоставляет большое количество протонов, которые вытесняют ионы кальция и магния, вызывающие затруднения. Этот прием позволяет поддерживать ионную проводимость через мембрану, сохранять необходимый электрический ток и, как следствие, обеспечивать стабильное производство водорода без перебоев в работе системы. По словам профессора Рена, теперь достаточно слегка подкислить воду, содержащую эти ионы, и подать ее в электролизер, чтобы система функционировала более 300 часов без каких-либо заметных неполадок. Применяемая кислота постоянно циркулирует внутри системы, то есть не выбрасывается, что дает как экологические выгоды, так и экономит ресурсы.

Использование восстановленных сточных вод вместо очищенной воды может существенно снизить затраты на подготовку воды для производства водорода, приблизительно на 47 процентов. Кроме того, энергопотребление, необходимое для этой подготовки, может быть уменьшено примерно на 62 процента. В настоящее время группа специалистов сотрудничает с промышленными партнерами для проведения испытаний подхода в более крупных масштабах и с использованием предварительно обработанной морской воды. Они также занимаются стратегическим планированием, ранее опубликовав исследование, в котором были определены наиболее подходящие места на территории Соединенных Штатов для интеграции водородных установок с очистными сооружениями. Данное исследование способствует повышению перспективности водорода как средства сокращения выбросов углерода в секторах, которые сложно электрифицировать, например, в производстве стали и удобрений.

Результаты исследования были в журнале Water Research.