能源、电力

从海洋中生产可再生氢燃料

通常用于电解槽的反渗透(RO)处理过程中的净化水膜,用于去除水中的盐,帮助将海水转化为氢燃料。

蒂姆•Schley 2020年10月9日,
根据宾夕法尼亚州立大学研究人员的说法,使用这种设计的海水电解槽可以将海水转化为氢燃料。Courtesy: Tyler Henderson, Penn State University

太阳能、风能和海洋的力量可能很快会结合在一起,产生清洁燃烧的氢燃料。宾夕法尼亚州立大学的一个研究小组将水净化技术集成到一个新的概念验证设计中,这是一个海水电解器,它使用电流来分离水分子中的氢和氧。这种“海水分解”的方法可以使风能和太阳能更容易转化为可储存和便携式燃料。

“氢是一种很棒的燃料,但你必须自己制造,”凯普环境工程教授、埃文·普大学教授布鲁斯·洛根(Bruce Logan)说。“做到这一点的唯一可持续的方法是使用可再生能源,从水中生产。你还需要使用人们不想用于其他用途的水,那就是海水。因此,生产氢的关键是将沿海和近海环境中的海水、风能和太阳能结合起来。”

尽管海水丰富,但它并不常用来分解水。除非在进入电解槽之前对海水进行脱盐(这是一个昂贵的额外步骤),否则海水中的氯离子会变成有毒的氯气,这会降解设备并渗入环境。

为了防止这种情况发生,研究人员在反渗透(RO)处理过程中插入了一层薄的半透膜,这种膜最初是用于净化水的。反渗透膜取代了电解槽常用的离子交换膜。

洛根说:“反渗透膜的原理是,你对水施加非常高的压力,让它穿过膜,让氯离子留在膜后。”

在电解槽中,海水不再被推过反渗透膜,而是被它所包含。膜被用来帮助分离两个浸没的电极附近发生的反应——一个带正电的阳极和一个带负电的阴极,这两个电极由外部电源连接。当电源接通时,水分子开始在阳极处分裂,释放出微小的氢离子,即质子,并产生氧气。然后质子穿过薄膜,与阴极上的电子结合,形成氢气。

插入RO膜后,海水保持在阴极侧,氯离子过大无法通过膜到达阳极,避免了氯气的产生。

但洛根指出,在水分解过程中,其他的盐被有意地溶解在水中,以帮助水导电。通过电荷过滤离子的离子交换膜允许盐离子通过。反渗透膜则不然。

“反渗透膜抑制盐的运动,但在电路中产生电流的唯一方式是由于水中的带电离子在两个电极之间移动,”Logan说。

随着较大离子的运动受到反渗透膜的限制,研究人员需要看看是否有足够的微小质子通过孔来保持高电流。

“基本上,我们必须证明看起来像土路的东西可能是州际公路,”洛根说。“我们必须证明,当两个电极之间有一层不允许盐离子来回移动的薄膜时,我们可以通过两个电极获得大电流。”

通过最近发表在《能源与环境科学》(Energy & Environmental Science)上的一系列实验,研究人员测试了两种市面上的反渗透膜和两种阳离子交换膜,阳离子交换膜是一种允许系统中所有正电荷离子运动的离子交换膜。

分别测试了膜对离子运动的阻力、完成反应所需的能量、氢气和氧气的产生、与氯离子的相互作用和膜的恶化。

洛根解释说,虽然一种反渗透膜被证明是“土路”,但与阳离子交换膜相比,另一种表现得很好。研究人员仍在调查为什么这两种反渗透膜之间存在如此大的差异。

“这个想法是可行的,”他说。“我们不知道为什么这两种膜的功能如此不同,但这是我们将要弄清楚的事情。”

研究人员得到了30万美元国家科学基金会继续研究海水电解。洛根希望他们的研究能在减少全球二氧化碳排放方面发挥关键作用。

“全世界都在寻找可再生的氢,”他说。例如,沙特阿拉伯计划建造一个50亿美元的氢设施,该设施将使用海水。现在,他们必须淡化海水。也许他们可以用这个方法。”


蒂姆Schley
作者简介:Tim Schley,宾夕法尼亚州立大学