خبرگزاری دانشجوآب کثیف، چشم‌انداز هیدروژن پاک را تقویت می‌کند
به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، طبق تحقیقات جدید دانشگاه پرینستون، فاضلاب می‌تواند جایگزین آب تمیز به عنوان منبع تولید هیدروژن شود و یکی از معایب اصلی سوخت هیدروژنی را از بین ببرد و هزینه‌های تصفیه آب را تا ۴۷ درصد کاهش دهد.
این یافته‌ها که در مجله Water Research گزارش شده است، گامی در جهت تبدیل هیدروژن به یک مسیر عملی برای کربن‌زدایی از صنایعی است که برق‌رسانی به آنها دشوار است، مانند تولید فولاد و کود.
جیسون رن، نویسنده ارشد این مطالعه، گفت که تولید هیدروژن الکترولیتی فعلی به مقدار زیادی آب تمیز نیاز دارد که باعث افزایش هزینه‌ها و فشار بر منابع آب محلی می‌شود. تیم تحقیقاتی او می‌خواست دریابد که آیا می‌توان آب تصفیه‌شده فرآوری‌شده توسط کارخانه‌های فاضلاب را جایگزین کرد یا خیر.
رن، استاد مهندسی عمران و محیط زیست و مرکز انرژی و محیط زیست اندلینگر، گفت: «زیرساخت‌های هیدروژنی عموماً با مصرف آب شیرین محلی رقابت می‌کنند. اما هر شهری یک تصفیه‌خانه فاضلاب دارد و این یک منبع بسیار توزیع‌شده آب برای اقتصاد هیدروژنی است.»
تولید هیدروژن با انرژی تجدیدپذیر، که به عنوان هیدروژن سبز شناخته می‌شود، به الکترولیز برای تجزیه آب به گاز هیدروژن و اکسیژن متکی است. آب به یک الکترولیز کننده جریان می‌یابد، جایی که جریان الکتریکی باعث می‌شود یون‌های هیدروژن با بار مثبت (پروتون‌ها) از یک آند در یک غشای مخصوص به یک کاتد منتقل شوند، جایی که پروتون‌ها با الکترون‌ها ترکیب می‌شوند تا گاز هیدروژن تشکیل دهند.
بیشتر هیدروژنی که در حال حاضر در ایالات متحده تولید می‌شود، به عنوان هیدروژن آبی شناخته می‌شود که در آن گاز طبیعی انرژی لازم برای فرآیند را فراهم می‌کند و حداقل مقداری از دی اکسید کربن تولید شده در زیر زمین جمع‌آوری و ذخیره می‌شود - که هیدروژن آبی را به منبع انرژی با کربن کمتر نسبت به استفاده مستقیم از گاز طبیعی تبدیل می‌کند.
الکترولیز هیدروژن سبز از برق تجدیدپذیر استفاده می‌کند و انتشار کربن بسیار کمتری تولید می‌کند. اما معمولاً به آب فوق خالص نیاز دارد که با تصفیه آب لوله‌کشی یا آب‌های زیرزمینی با فرآیند‌هایی مانند اسمز معکوس برای حذف ناخالصی‌هایی که می‌توانند در الکترولیز اختلال ایجاد کنند، ایجاد می‌شود.
فاضلاب بازیافتی تا جایی تصفیه می‌شود که بتوان آن را به سفره‌های آب زیرزمینی تخلیه کرد یا برای آبیاری یا خنک‌سازی صنعتی استفاده کرد.
تیم پرینستون برای دور زدن فرآیند تصفیه، به جای آب لوله‌کشی، از فاضلاب تصفیه‌شده استفاده کردند. در این سناریو، فاضلاب "بازیابی" می‌شود، به این معنی که تا جایی تصفیه می‌شود که بتوان آن را به سفره‌های آب زیرزمینی تخلیه کرد یا برای آبیاری یا خنک‌سازی صنعتی استفاده کرد.
رن گفت، این روش قبلاً امتحان شده بود، اما معمولاً پس از مدت زمان محدودی شکست می‌خورد. برای کشف دلیل شکست، لین دو، دانشجوی دکترا در آزمایشگاه رن، آزمایش‌های تشخیصی با طراحی دقیق را در یک الکترولیز آب غشای تبادل پروتون انجام داد - همان فناوری که در حال حاضر به صورت تجاری با آب فوق خالص استفاده می‌شود.
دو و همکارانش از ترکیبی از آزمایش‌های الکتروشیمیایی و تصویربرداری میکروسکوپی پیشرفته برای مقایسه عملکرد آب خالص با فاضلاب بازیافتی در راکتور‌ها استفاده کردند. آنها مشاهده کردند که عملکرد سیستم با آب بازیافتی به سرعت کاهش می‌یابد، در حالی که همان سیستم با آب خالص به طور پایدار به کار خود ادامه می‌دهد.
آنها از طریق تجزیه و تحلیل‌های تجربی و مدل‌سازی، یون‌های کلسیم و منیزیم - همان مواد معدنی که باعث ایجاد رسوب روی شیر‌های آب خانگی و کتری‌ها می‌شوند - را به عنوان عامل اصلی کاهش عملکرد شناسایی کردند. این یون‌ها به غشا می‌چسبند، انتقال یون را مسدود می‌کنند و آن را از یک مسیر متخلخل به یک مانع جامد تبدیل می‌کنند.
محققان یون‌های کلسیم و منیزیم را عامل اصلی افت عملکرد شناسایی کردند. این یون‌ها به غشا می‌چسبند، که در اینجا نشان داده شده است، انتقال یون را مسدود می‌کنند و آن را از یک مسیر متخلخل به یک مانع جامد تبدیل می‌کنند.
برای حل این مشکل، محققان یک راه حل ساده ارائه دادند: اسیدی کردن آب با اسید سولفوریک. بافر اسیدی حاصل به عنوان منبع غنی از پروتون‌ها عمل می‌کند که یون‌های دیگر را از میدان به در می‌کنند، رسانایی یون را حفظ می‌کنند، جریان الکتریکی را حفظ می‌کنند و تولید مداوم هیدروژن را ممکن می‌سازند.
رن گفت: «حذف تمام آن یون‌ها و در نتیجه، ورود آب فوق خالص به الکترولیزکننده پرهزینه است. اکنون، می‌توانید آن را کمی اسیدی کنید، آب حاوی یون را به الکترولیزکننده اضافه کنید و بیش از ۳۰۰ ساعت بدون هیچ مشکل ظاهری دوام می‌آورد.»
تیم او تخمین زد که استفاده از فاضلاب بازیافتی به جای آب تصفیه‌شده می‌تواند هزینه تصفیه آب برای تولید هیدروژن را حدود ۴۷ درصد و هزینه انرژی این تصفیه را حدود ۶۲ درصد کاهش دهد.
رن گفت: «این اسید دوباره به چرخه برمی‌گردد، بنابراین هرگز از سیستم خارج نمی‌شود.» که این موضوع هم از نظر زیست‌محیطی و هم از نظر هزینه مهم است. به همین ترتیب، یون‌های کلسیم و منیزیم بدون ایجاد تداخل در چرخه، در فاز محلول باقی می‌مانند.
رن و تیمش در حال همکاری با شرکای صنعتی هستند تا عملکرد رویکرد خود را در مقیاس بزرگتر و همچنین نحوه عملکرد آن با آب دریا از پیش تصفیه شده به عنوان ورودی آزمایش کنند. سال گذشته، آنها مطالعه‌ای در مورد بهینه‌سازی مصرف آب و صرفه‌جویی در هزینه در تولید هیدروژن منتشر کردند و بهترین نقاط در ایالات متحده را برای قرارگیری تأسیسات هیدروژن در کنار تأسیسات فاضلاب که در آنها آب بازیافتی فراوان است، شناسایی کردند.
رن گفت: «ما واقعاً می‌خواستیم امکان استفاده از آب بازیافتی را برای فعال کردن یک استراتژی ملی هیدروژن بررسی کنیم. ما هم تحقیقات فنی عمیق و هم کار‌های تحلیلی کلان انجام می‌دهیم تا هم نیاز‌های علمی و هم نیاز‌های صنعتی را برآورده کنیم.»
