Διάσπαση νερού σε μολυσμένα νερά

Το υδρογόνο είναι μια καθαρή πηγή ενέργειας καθώς η καύση του οδηγεί μόνο σε υδρατμούς. Αυτό είναι σε αντίθεση με την κατάσταση με τα ορυκτά καύσιμα, όπου η καύση τους οδηγεί σε επιβλαβή υποπροϊόντα κατά τη μερική ή πλήρη οξείδωση. Αυτά τα επιβλαβή υποπροϊόντα περιλαμβάνουν αέρια που έχουν ως αποτέλεσμα φαινόμενα του θερμοκηπίου και εκείνα που είναι γνωστό ότι επηρεάζουν την πνευμονική και την καρδιακή υγεία των ανθρώπων. Ως εκ τούτου, η αποδοτική παραγωγή υδρογόνου έχει αξία για την εύρεση αντικαταστατών για πηγές ενέργειας με βάση τον άνθρακα.

Επί του παρόντος, η κύρια πηγή βιομηχανικής παραγωγής υδρογόνου είναι η αναμόρφωση ορυκτών καυσίμων με ατμό. Αυτή η διαδικασία απαιτεί υψηλή θερμοκρασία και, ως εκ τούτου, είναι ταυτόχρονη με την εκπομπή ρύπων συμπεριλαμβανομένων CO και CO₂ . Δεδομένης της παγκόσμιας αφθονίας νερού, οι υδρολυτικοί παράγοντες - δηλαδή υλικά που διασπούν το νερό - που επιτρέπουν την παραγωγή υδρογόνου σε σημείο χρήσης, ελεγχόμενης ή/και υψηλής απόδοσης έχουν αξία για την τρέχουσα οικονομία. Ο τομέας της ενέργειας και της ηλεκτρικής ενέργειας θα μπορούσε να βρει νέα μέσα για αποτελεσματικές, χαμηλού ενεργειακού αποτυπώματος διεργασιών διάσπασης νερού.

Η παραγωγή υδρογόνου από το νερό με την αντίδραση μετάλλου αλουμινίου είναι γνωστή. Ωστόσο, η χρήση του μετάλλου Al και των παραγώγων του θεωρείται συνήθως προβληματική. Αυτό συμβαίνει επειδή αυτά τα υλικά παθητικοποιούνται με το σχηματισμό ενός Al₂ O₃ στρώμα στην επιφάνειά τους, το οποίο με τη σειρά του επηρεάζει τον ρυθμό υδρόλυσης. Πρόσφατα, οι ερευνητές προσπάθησαν να παρακάμψουν αυτό το πρόβλημα χρησιμοποιώντας νανοσωματίδια Al αντί για μέταλλο Al. Ωστόσο, αυτή η διαδικασία είναι μάλλον εντατική σε χημεία. Η αποθήκευση τέτοιων νανοσωματιδίων Al είναι συχνά μια πρόκληση. τη σταθερότητά τους έως ότου εξασφαλιστεί η χρήση χρησιμοποιώντας πρόσθετα μέσα κάλυψης που εμποδίζουν το σχηματισμό του στρώματος οξειδίου.

Σε αυτό το έργο, οι Malek et. al από το Ινδικό Ινστιτούτο Τεχνολογίας Madras (IITM) έχουν επιδείξει μια εναλλακτική προσέγγιση. Αυτή η προσέγγιση είναι νανο-ενεργοποιημένη και παρακάμπτει το πρόβλημα που σχετίζεται με την παθητικοποίηση. Στην πραγματικότητα, αυτή η προσέγγιση έχει αξία, καθώς επιτρέπει τη χρήση μολυσμένων υδάτων — συγκεκριμένα υδάτων μολυσμένων με Hg. Τέτοια νερά βρίσκονται σε αφθονία κοντά σε ορυχεία και συχνά χρειάζονται επεξεργασία. Αυτή η προσέγγιση θα άνοιγε έναν τρόπο για τη θεραπεία τους, ενώ ταυτόχρονα θα λάβετε ενέργεια από τέτοια νερά.

Οι ρυθμοί παραγωγής υδρογόνου χρησιμοποιώντας τη μέθοδο που αναπτύχθηκε από το IITM είναι ουσιαστικά υψηλοί σε σύγκριση με τη χρήση χύδην Al, λόγω της υψηλότερης αναλογίας επιφάνειας προς όγκο που παρέχουν τα νανοσωματίδια. Τα νανοσωματίδια κράματος με βάση το Al παράγονται in-situ, σύντομα μετά από την οποία αποδίδουν υδρογόνο μέσω διάσπασης νερού (δηλαδή υδρόλυση).

Μπορεί να σημειωθεί ότι οι περισσότερες από τις αναφορές που αφορούν τη διάσπαση του νερού χρησιμοποιούν καθαρό νερό. Ως εκ τούτου, οι τεχνικές διάσπασης νερού που επιτρέπουν τη χρήση (i) νερού βρύσης ή/και (ii) μολυσμένων λυμάτων είναι ένας σχετικός τομέας έρευνας τόσο για την ενεργειακή όσο και για την περιβαλλοντική επιστήμη. Στην πραγματικότητα, η προσέγγιση είναι σχετική γιαπαραγωγή υδρογόνου σε σημείο χρήσης .

Στην εργασία τους, η ομάδα από το IITM, που αποτελείται από τους Abdul Malek, Edamana Prasad και Tiju Thomas, έχουν επιδείξει μια επί τόπου προσέγγιση συν-μείωσης για την παραγωγή υδρογόνου από νερό μολυσμένο με υδράργυρο. Η απομάκρυνση του υδραργύρου είναι δυνατή μέσω αυτής της διαδικασίας φυσικά. Αυτή η διαδικασία ασχολείται ταυτόχρονα με τη δέσμευση και τον εμπλουτισμό του υδραργύρου με ρυθμό παραγωγής υδρογόνου ρεκόρ 720 mL/min για 0,5 g άλατος Al σε θερμοκρασία δωματίου (σε εργαστηριακή κλίμακα). Διαπιστώθηκε ότι το επί τόπου σχηματισμένο αμάλγαμα νανο-αλουμινίου παράγει υδρογόνο με υψηλότερο ρυθμό (~720 mL/min ανά 0,5 g άλατος Al) από ό,τι σε νανοσωματίδια Al που σχηματίζονται επί τόπου (600 mL/min ανά 0,5 g άλατος Al). Αυτό σημαίνει ότι μπορούν να παράγουν λίτρα υδρογόνου χρησιμοποιώντας τη διαδικασία τους σε εργαστηριακή κλίμακα. Αυτό προφανώς απαιτεί κλιμάκωση, στο οποίο εστιάζουν επί του παρόντος οι Malek και συνεργάτες.

Στην πρόσφατη πιο πρόσφατη εργασία τους για την εργασία, έδειξαν ότι η παρουσία υδραργύρου σε μολυσμένο νερό βοηθά στο σχηματισμό νανοκράματα από Al και Hg. Αυτά τα κράματα έχουν επαρκή επιφανειακή χημική ετερογένεια που προκαλεί το σχηματισμό ενός νανογαλβανικού ζεύγους που διασπά το νερό, παρακάμπτοντας με επιτυχία την παθητικοποίηση. Η προσέγγιση είναι προφανώς ενδιαφέρουσα για μια ολόκληρη σειρά βιομηχανιών, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που ειδικεύονται στην επεξεργασία νερού και την παραγωγή υδρογόνου. Οι ερευνητές που συμμετέχουν διερευνούν επί του παρόντος την κλιμάκωση της διαδικασίας. Είναι πρόθυμοι να μιλήσουν με συνεργάτες του κλάδου που μπορεί να είναι πρόθυμοι να χρησιμοποιήσουν τη γνώση που δημιουργείται. Οι συγγραφείς είναι διαθέσιμοι μέσω email για περαιτέρω συζητήσεις.

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Αποδείξεις σχηματισμού νανογαλβανικού ζεύγους σε επιτόπιες επιφάνειες αμαλγάματος νανο-αλουμινίου που σχηματίζονται επί τόπου για διάσπαση νερού με παράκαμψη παθητικοποίησης, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο International Journal of Hydrogen Energy. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Abdul Malek, Tiju Thomas και Edamana Prasad από το Indian Institute of Technology Madras.

Αναφορές:

1. Malek, A., E. Prasad, A. Subrahmanyam and T. Thomas (2017) Η Chimie douce παραγωγή υδρογόνου από μολυσμένο νερό Hg, με επιθυμητή απόδοση και ταυτόχρονη αφαίρεση Hg. International Journal of Hydrogen Energy , 42 (24), 15724-15730.
2. Malek, A. T. Thomas, and E. Prasad (2018) Αποδεικτικά στοιχεία σχηματισμού νανογαλβανικού ζεύγους σε επιτόπιες σχηματισμένες επιφάνειες αμαλγάματος νανο-αλουμινίου για διάσπαση νερού με παράκαμψη παθητικοποίησης. International Journal of Hydrogen Energy , 43, 10878-10886.
3. Malek, A. T. Thomas και E. Prasad, «Παραγωγή υδρογόνου από λύματα μέσω γαλβανικής διάβρωσης αμαλγάματος αλουμινίου που σχηματίζεται επιτόπου», Indian Patent Office, Application No. .