Умное устройство эффективно выделяет водород и литий из морской воды

Одна из проблем с возобновляемым источником водорода заключается в том, что он использует пресную воду, а поскольку четверть населения мира уже сталкивается с острой нехваткой воды по крайней мере один месяц в году, пресная вода становится все более исчерпаемым и ценным ресурсом. Таким образом, технологии, которые могут электролизовать водород из обильной морской воды, покрывающей большую часть планеты, являются жизненно важной областью исследований.

Можно опреснить морскую воду, а затем разделить ее, но это не лучшее решение. Большая часть входной энергии теряется в процессе опреснения, и это увеличивает цену водорода, который производится. Существует также множество машин для прямого электролиза морской воды, но большинство из них ломается слишком быстро, чтобы быть полезными в коммерческом смысле: ионы хлорида в сложном океанском вареве превращаются в высококоррозионный газообразный хлор на аноде, который разъедает электроды и разрушает катализаторы, пока машина не перестанет работать.

Исследователи из Нанкинского технологического университета Китая считают, что нашли способ обойти эту проблему. В исследовании, опубликованном в журнале Nature, команда из Нанкина продемонстрировала установку для прямого электролиза морской воды, которая безотказно работала более 3200 часов (133 дня). По их словам, он эффективен, масштабируем и работает так же, как разделитель пресной воды «без заметного увеличения эксплуатационных расходов».

Электролизер команды полностью отделяет морскую воду от концентрированного электролита гидроксида калия и электродов с использованием дешевых, водонепроницаемых, воздухопроницаемых мембран на основе ПТФЭ, предотвращающих биообрастание. Эти мембраны не пропускают жидкую воду, но пропускают водяной пар. Разница в давлении водяного пара между стороной морской воды и стороной электролита «обеспечивает движущую силу для спонтанной газификации (испарения) морской воды».

Таким образом, получается чистая вода, быстро испаряющаяся из морской воды без каких-либо дополнительных затрат энергии, затем пересекающая мембрану из ПТФЭ и поглощающуюся электролитом в виде жидкости. По словам команды из Нанкина, он пропускает воду и блокирует 100% других ионов, которые могут повредить электроды или мембрану.

Команда протестировала компактный электролизер с 11 ячейками размером с пару чемоданов среднего размера в морской воде залива Шэньчжэнь. Он произвел около 386 литров газообразного водорода в час в течение 133-дневного испытания, что звучит много, но при стандартном атмосферном давлении, 386 литров представляют собой всего 31,652 грамма водорода. Если рассматривать это в контексте электромобиля на топливных элементах и предположить, что автомобиль проезжает около 100 км на 1 кг водорода, то это 11-ячеечное устройство вырабатывает достаточно водорода в час, чтобы проехать на автомобиле около 3,2 км. Тем не менее, это всего лишь небольшой тестовый образец.

С точки зрения эффективности электролизер потреблял около 5 кВтч на каждый нормальный кубический метр (Нм3) произведенного водорода. Поскольку водород несет около 3,544 кВтч энергии на Нм3, этот электролизер морской воды работает с эффективностью около 71%. Это находится на уровне многих современных технологий электролизеров, хотя и не поспевает за некоторыми появляющимися сверхэффективными конструкциями, такими как конструкция капиллярной подачи Hysata с эффективностью 95%.

Важно отметить, что устройство все еще работало на полную мощность после четырех с небольшим месяцев в морской воде, а анализ после испытаний не показал «явного увеличения содержания примесных ионов» в электролите, «предполагая 100% эффективность блокировки ионов» мембраны из ПТФЭ, и на слоях катализатора не было видно коррозии. Исследователи говорят, что теперь, когда доказан основной принцип извлечения пресной воды из морской воды, открыто множество путей для повышения производительности.

Команда из Нанкина провела небольшое тестирование и увидела, как их процесс испарения влияет на концентрацию лития в морской воде. Они обнаружили значительное 42-кратное увеличение через пару сотен часов и смогли выделить несколько кристаллов карбоната лития, предполагая, что при дальнейшем развитии машины смогут получать доход как от водорода, это может стать огромным импульсом с точки зрения коммерческого внедрения и масштабирования.