Ученые из Принстонского университета в США совершили прорыв, разработав метод производства водородного топлива из сточных вод. Этот подход позволяет снизить высокую стоимость и нагрузку на окружающую среду, связанные с использованием чистой воды, которая традиционно необходима для производства водорода.
Как пояснил старший автор исследования, профессор гражданской и экологической инженерии Джейсон Рен, инфраструктура водорода обычно конкурирует с местным использованием пресной воды. Однако в каждом городе есть очистные сооружения, что представляет собой широко распределенный источник воды для водородной экономики. Зеленый водород, производимый с помощью возобновляемого электричества, которое расщепляет воду на водород и кислород в процессе электролиза, имеет значительно более низкие выбросы углерода по сравнению с другими методами. Однако этот процесс традиционно требует дорогой ультрачистой воды для предотвращения повреждения специальной мембраны в электролизере примесями.
Исследователи работали над тем, чтобы обойти дорогостоящий процесс очистки воды для зеленого водорода. Для этого устойчивого метода вместо водопроводной воды тестировалась так называемая восстановленная сточная вода, которая представляет собой очищенную воду, пригодную для сброса или для непитьевых нужд, таких как орошение или промышленное охлаждение. Ранее уже предпринимались попытки использования сточных вод, но они быстро заканчивались неудачей. Команда проанализировала причину сбоя системы в стандартном коммерческом электролизере, что и подсказало конструкцию их нового решения.
В эксперименте был использован протонообменный мембранный электролизер, который является стандартной коммерческой технологией, используемой с ультрачистой водой. Выяснилось, что предыдущие попытки провалились из-за ионов кальция и магния, присутствующих в сточных водах, которые прилипали к протонообменной мембране в электролизере. Это блокировало транспорт ионов и вызывало быстрое снижение производительности.
Принстонская команда решила эту проблему путем подкисления восстановленной сточной воды серной кислотой. Этот буфер служит богатым источником протонов, которые вытесняют проблемные ионы кальция и магния. Данный шаг успешно поддерживает ионную проводимость через мембрану, сохраняет необходимый электрический ток и, в конечном счете, обеспечивает непрерывное производство водорода без сбоев системы. Как отметил профессор Рен, теперь можно просто немного подкислить воду, содержащую ионы, подать ее в электролизер, и система будет работать более 300 часов без видимых проблем. Используемая кислота непрерывно рециркулирует, то есть никогда не покидает систему, что обеспечивает как экологические преимущества, так и экономию средств.
Что интересно, выбор в пользу использования восстановленных сточных вод вместо очищенной воды может сократить стоимость подготовки воды для производства водорода примерно на 47 процентов. С другой стороны, энергозатраты на эту подготовку воды могут быть снижены примерно на 62 процента. В настоящее время команда работает с промышленными партнерами над испытанием подхода в более крупном масштабе и с предварительно обработанной морской водой. Они также занимаются стратегическим планированием, ранее опубликовав исследование, в котором были определены идеальные местоположения по всей территории Соединенных Штатов для объединения водородных установок с очистными сооружениями. Это исследование способствует повышению жизнеспособности водорода для сокращения выбросов углерода в таких трудно поддающихся электрификации секторах, как производство стали и удобрений.