Hidrigin Uisce Farraige

D'fhorbair eolaithe córas a fhéadfaidh hidrigin ghlas a tháirgeadh go díreach ó uisce na farraige gan aon ghá le próisis réamhchóireála cosúil le díshalannú. Deir an fhoireann atá taobh thiar den fhorbairt, a bhaineann le ciseal aigéad Lewis a thabhairt isteach ar chatalaíoch ocsaíd miotail trasdula, go léiríonn an modh ardacmhainneacht le haghaidh cur i bhfeidhm tráchtála.

Is uisce salanda sna haigéin é breis is 97% den uisce ar dhromchla an Domhain, stóráiltear 2% mar fhíoruisce i gcaipíní oighir, in oighearshruthanna agus i sléibhte le caipín sneachta, agus níl ach 1% ar fáil dár riachtanais laethúla soláthair uisce.

 
Is féidir uisce saillte a dhéanamh in uisce inólta trí phróiseas ar a dtugtar díshalannú, teicníocht a mbíonn ceantair áirithe ar fud an domhain ag brath uirthi chun uisce úr a tháirgeadh mar bhia don duine agus d’úsáid tí agus thionsclaíoch. Ach is próiseas é díshalannú a éilíonn fuinneamh, agus níos measa fós is minic a bhíonn sé faoi thiomáint ag foinsí fuinnimh nach bhfuil inbhuanaithe.

Tuigtear go maith freisin uisce a scoilteadh ina chomhchodanna. Úsáideann an próiseas – ar a dtugtar leictrealú – sruth díreach idir dhá leictreoid atá tumtha i leictrilít chun uisce a roinnt ina hidrigin agus ina ocsaigin. Déantar hidrigin ag an gcatóid, nó leictreoid dhiúltach, agus ocsaigin ag an leictreoid dhearfach, nó ag anóid.

Toisc gur féidir le meascán de na gáis pléascadh, scarann ​​an chuid is mó de leictrealaitheoirí an anóid agus an chatóid le leathán plaisteach tiubh scagach, agus úsáidtear catalaíoch miotail mar nicil agus iarann ​​chun frithghníomhartha a bhrostú.

Táthar tar éis an dá phróiseas seo a chur le chéile, eadhon uisce farraige a dhíshalannú, agus é a scoilteadh chun hidrigin a chruthú le fada an lá mar cheann de na réitigh is fearr chun breosla glan inacmhainne a sholáthar le haghaidh fuinnimh, a d'fhéadfadh cumhacht a thabhairt do gach rud ó leictreachas cathrach go cruthú. cruach, ag táirgeadh leasacháin, agus fiú mar bhreosla d'eitleáin – is fada an liosta úsáidí féideartha.

Mar sin féin, ceann de na cúiseanna nach bhfuilimid ag baint úsáide as breosla hidrigine cheana féin chun eitilt ar fud an domhain, ná go gcreimeann sáile agus neamhíonachtaí eile leictreoidí, rud a ghiorrú a saol. Toisc go ndéantar na comhpháirteanna sin de ghnáth de mhiotail neamhchoitianta mar platanam, cosnaíonn sé an iomarca iad a athsholáthar. Is fadhb freisin iad na hiain clóiríde in uisce farraige agus bíonn imoibrithe leictri-ocsaídiúcháin clóirín (ClOR) san iomaíocht le imoibriú éabhlóid ocsaigine (OER) ar an anóid le linn leictrealú. Mar thoradh ar an imoibriú seo scaoiltear speicis clóirín tocsaineach agus creimneach mar fhochlóirít. Tá an fochlóirít sách éagobhsaí, féadann sé gás clóirín tocsaineach a scaoileadh nuair a mheasctar é le amóinia nó aigéad agus is féidir é a ithe freisin ag cruach dhosmálta.

Chun dul timpeall air seo, d'fhéadfaí an t-uisce farraige a dhíshalannú agus a íonú sula ndéantar é a phróiseáil, ach ní bhíonn sé seo inmharthana ó thaobh airgeadais de ach an oiread. Rogha eile is ea na leictreoidí a chóta le polaiainiúin chun creimeadh a chosc, ach is féidir leis seo a bheith costasach freisin.

Is beag réiteach aeráide a thagann gan míbhuntáistí. D'fhéadfadh hidrigin "glas", a dhéantar trí úsáid a bhaint as fuinneamh in-athnuaite chun móilíní uisce a scoilt, cumhacht a thabhairt d'fheithiclí troma agus tionscail cosúil le déanamh cruach a dhícharbónú gan a bheith ag stealladh dé-ocsaíd charbóin. Ach toisc go bhfuil na meaisíní scoilteadh uisce, nó na leictrealaitheoirí, deartha chun oibriú le huisce íon, d'fhéadfadh méadú ar an hidrigin ghlas cur le ganntanas fíoruisce domhanda. Anois, tá roinnt foirne taighde ag tuairisciú dul chun cinn maidir le hidrigin a tháirgeadh go díreach ó uisce na farraige, a d'fhéadfadh a bheith ina fhoinse do-exhaustible de hidrigin ghlas.

Sa lá atá inniu ann, déantar beagnach gach hidrigin trí mheatán a bhriseadh as a chéile, breoslaí iontaise a dhó chun an teas agus an brú a theastaíonn a ghiniúint. Scaoileann an dá chéim dé-ocsaíd charbóin. D'fhéadfadh hidrigin ghlas ionad na hidrigin salach seo, ach faoi láthair cosnaíonn sé níos mó ná dhá uair níos mó, thart ar $5 an cileagram. Sin go páirteach mar gheall ar chostas ard na n-electrolyzers, a bhíonn ag brath ar chatalaíoch déanta as miotail lómhara. Sheol Roinn Fuinnimh na SA le déanaí iarracht ar feadh deich mbliana chun leictrealaíoch a fheabhsú agus costas na hidrigin ghlais a laghdú go $1 an cileagram.

Má éiríonn leo agus táirgeadh hidrigine glas skyrockets, d’fhéadfadh brú tógáil ar sholáthairtí fíoruisce an domhain. Teastaíonn 10 gcileagram uisce chun 1 chileagram hidrigine a ghiniúint le leictrealú. D'fhéadfadh go mbeadh thart ar 25 billiún méadar ciúbach d'uisce úr in aghaidh na bliana ag teastáil ó trucailí reatha agus príomhthionscail ar hidrigin ghlas, atá comhionann le tomhaltas uisce tíre le 62 milliún duine, de réir na Gníomhaireachta Idirnáisiúnta um Fhuinneamh In-athnuaite.

Tá uisce na farraige beagnach gan teorainn, ach tagann fadhbanna dá chuid féin dá scoilteadh. Tógtar electrolyzers i bhfad cosúil le cadhnraí, le péire leictreoidí timpeallaithe ag leictrilít uisceach. I ndearadh amháin, scoilteann catalaíoch ag an gcatóid móilíní uisce ina hiain hidrigine (H+) agus hiodrocsaile (OH-). Déanann leictreoin iomarcacha ag an gcatóid péirí iain hidrigine a phéireáil isteach i ngás hidrigine (H2), a boilgeoga amach as an uisce. Idir an dá linn, taistealaíonn na hiain OH- trí membrane idir na leictreoidí chun an anóid a bhaint amach, áit a gcníonn catalaíoch an ocsaigin isteach sa ghás ocsaigine (O2) a scaoiltear.

Nuair a úsáidtear uisce farraige, áfach, déanann an jolt leictreach céanna a ghineann O2 ag an anóid na hiain chlóiríd sa sáile a thiontú go gás clóirín an-chreimneach, a itheann na leictreoidí agus na catalaíochí. De ghnáth is cúis leis seo go dteipeann ar leictrealaitheoirí i gceann uaireanta nuair is féidir leo oibriú ar feadh na mblianta de ghnáth.

Is ceimiceán ildánach é hidrigin a úsáidtear chun go leor táirgí a tháirgeadh, lena n-áirítear leasacháin. Is cuid lárnach de theicneolaíocht na gcealla breosla é hidrigin freisin, a bhaineann leas as an leictreachas a tháirgeann foinsí fuinnimh in-athnuaite ach eatramhacha amhail an ghrian agus an ghaoth. Eascraíonn an chuid is mó den hidrigin a tháirgtear ar fud an domhain ó phróiseas ina nochtar meatán do theas agus gal chun hidrigin a tháirgeadh.

Is féidir hidrigin a tháirgeadh freisin ó leictrealú uisce, a úsáideann leictreachas chun móilíní uisce a roinnt ina hidrigin agus ocsaigine faoi thiomáint ag foinsí in-athnuaite ar nós na gréine agus na gaoithe. Ach tá ghabháil ann. Éilíonn leictrealú uisce an-ghlan atá dí-ianaithe, rud a chiallaíonn go gcaithfear na neamhíonachtaí, na mianraí agus na cáithníní a ghearrtar go leictreonach a bhaint ar dtús. Teastaíonn trealamh costasach le próisis íonú uisce traidisiúnta agus d’fhéadfadh caillteanas fuinnimh a bheith mar thoradh orthu.

D'aimsigh taighdeoirí i Roinn Sláinte Comhshaoil ​​agus Innealtóireachta Ollscoil Johns Hopkins, i gcomhar le Penn State University, bealach chun uisce farraige a úsáid mar fhoinse díreach hidrigine, gan aon ghá le díshalannú roimh ré. Tá a gcuid torthaí le feiceáil in Eolaíocht & Teicneolaíocht Comhshaoil.

"Fuair ​​​​muid gur féidir linn seicní ilchodacha tanaí-scannán a úsáid, a úsáidtear chun uisce salann a íonú, in leictrealaitheoirí uisce, ag scoilteadh an uisce ina ghás hidrigine agus ocsaigine, agus ag seachaint gás clóirín díobhálach a tháirgeadh, a tharlaíonn le cineálacha membrane eile."
Ina gcuid staidéir, rinne Rossi agus a chomhghleacaithe tástáil ar scannáin tanaí ilchodacha go díreach san electrolyzer - gléas a úsáideann leictreachas chun uisce a roinnt ina hidrigin agus ag comhlíonadh ocsaigine in aon chéim amháin íonú uisce agus táirgeadh hidrigine. Fuair ​​​​siad amach nár cheadaigh micreastruchtúr scagach an ábhair ach prótóin bheaga agus iain hiodrocsaíde chun dul ar imirce trasna an scannáin, rud a dhiúltódh neamhíonachtaí agus iain eile a d'fhéadfadh frithghníomhartha neamh-inmhianaithe a tháirgeadh. Deir na taighdeoirí go bhféadfadh an cur chuige nua seo athsholáthar a dhéanamh ar chórais thraidisiúnta, áit a n-úsáidtear seicní malairte ian costasach i gcomhcheangal le fothaí uisce ultrapure.

"Is féidir le seicní díshalannaithe uisce saor a bheith mar mhalairt ar sheicní polaiméire níos costasaí agus is féidir iad a úsáid le haghaidh táirgeadh hidrigine ó fhoinsí uisce íseal-ghrád cosúil le huisce farraige," a dúirt Rossi. "Is é an toradh ná próiseas táirgthe hidrigine éifeachtach ó fhoinsí fuinnimh in-athnuaite a chuireann deireadh leis an ngá atá le íonú uisce."

Thug sé faoi deara go bhfuil sé dúshlánach uisce farraige a úsáid i leictrealaitheoirí mar gheall ar a ard-salandacht. Mar sin féin, tá sé flúirseach agus ar fáil in áiteanna ar nós ceantair chósta, áit ar féidir leictreachas in-athnuaite mar ghrian agus gaoithe a ghiniúint, ach áit a bhfuil infhaighteacht íseal ar fhíoruisce. Ina leithéid de shuíomhanna, d’fhéadfaí foinsí eile uisce de ghrád íseal mar fhuíolluisce a úsáid in ionad uisce farraige sa phróiseas seo.

Chomhtháthaigh foireann arna maoiniú ag Fondúireacht Eolaíochta Náisiúnta na SA teicneolaíocht íonú uisce isteach i ndearadh nua cruthúnais choincheapa le haghaidh leictreailín uisce farraige, a úsáideann sruth leictreach chun an hidrigin agus an ocsaigin i móilíní uisce a scaradh óna chéile.

D'fhéadfadh an modh nua seo maidir le "scoilteadh uisce farraige" é a dhéanamh níos éasca fuinneamh gaoithe agus gréine a iompú ina bhreosla instóráilte agus iniompartha, de réir Bruce Logan, innealtóir comhshaoil.

"Is breosla iontach é hidrigin, ach caithfidh tú é a dhéanamh," a dúirt Logan. "Is é an t-aon bhealach inbhuanaithe chun é sin a dhéanamh ná fuinneamh in-athnuaite a úsáid agus é a tháirgeadh ó uisce. Ní mór duit freisin uisce a úsáid nach bhfuil daoine ag iarraidh a úsáid le haghaidh rudaí eile, agus is é sin uisce farraige. Mar sin, an soitheach naofa a bhaineann le hidrigin a tháirgeadh. an t-uisce farraige agus an fuinneamh gaoithe agus gréine a fhaightear i dtimpeallachtaí cósta agus amach ón gcósta a chomhcheangal."

In ainneoin an raidhse uisce farraige, ní úsáidtear go coitianta é le haghaidh scoilteadh uisce. Mura ndéantar an t-uisce a dhíshalannú sula dtéann sé isteach san leictrilíseoir, céim bhreise chostasach í, iompaíonn na hiain chlóiríd in uisce farraige ina ngás clóirín tocsaineach, rud a dhíghrádaíonn an trealamh agus a ídíonn isteach sa chomhshaol.

Chun é seo a chosc, chuir na taighdeoirí isteach membrane tanaí, leath-thréscaoilteach, a forbraíodh ar dtús chun uisce a íonú sa phróiseas cóireála osmosis droim ar ais. Tháinig an membrane osmosis droim ar ais in ionad an membrane malairte ian a úsáidtear go coitianta i leictrealaitheoirí.
"Is é an smaoineamh atá taobh thiar de osmosis droim ar ais ná go gcuireann tú brú ard ar an uisce agus é a bhrú tríd an scannán agus na hiain clóiríd a choinneáil taobh thiar de," a dúirt Logan.

Trí shraith turgnaimh a foilsíodh i Energy & Environmental Science, rinne na taighdeoirí tástáil ar dhá sheicní osmosis droim ar ais atá ar fáil go tráchtála agus dhá seicní malairte iarratas, cineál membrane malairte ian a ligeann do ghluaiseacht na n-ian uile atá luchtaithe go dearfach sa chóras.

Tá fuinneamh glan ina thosaíocht ag tíortha ar fud an domhain. Cé go mbraitheann cumhacht traidisiúnta ar bhreoslaí iontaise cosúil le gual, gás nádúrtha, agus ola, tagann fuinneamh glan i bhfoirmeacha éagsúla cosúil le gréine, gaoth, geoiteirmeach, hidrileictreach agus bithmhais.

Tá hidrigin, freisin, ar cheann de na príomhrogha stórála fuinnimh d’fhuinneamh in-athnuaite agus d’fhéadfadh sé cabhrú le leibhéil arda astuithe carbóin a laghdú.
Tugann taighde reatha le fios gur réiteach inmharthana é leictrealú sáile – an próiseas a scoilteadh uisce isteach i ocsaigin agus hidrigin – ar dhúshláin choiteanna leictrealú fionnuisce. D'fhéadfadh leictrealú uisce farraige hidrigin inbhuanaithe a tháirgeadh gan an ganntanas fionnuisce domhanda a dhéanamh níos measa.

De réir Ionad Sonraí Breosla Malartach Roinn Fuinnimh na Stát Aontaithe, is gné flúirseach í hidrigin íon ar an Domhan a léiríonn gealltanas mór chun tacú leis an aistriú go fuinneamh glan, inbhuanaithe agus in-athnuaite.

Tar éis hidrigin a tháirgeadh, féadann sé leictreachas a ghiniúint i gcill bhreosla agus ní scaoileann sé ach gal uisce agus aer te. Toisc nach scaoileann hidrigin aon gháis cheaptha teasa, ocsaídí nítrigine, hidreacarbóin, nó ábhar cáithníneach eile, ní chuireann sé isteach go diúltach ar an gcomhshaol.
Tá buntáistí eile ag hidrigin a chabhróidh le geilleagar fuinnimh ghlan a chruthú. Is réiteach fuinnimh optamach é i réimsí atá dúshlánach go hiondúil le dícharbónú. Méadaíonn sé iontaofacht agus athléimneacht an eangach chumhachta nua-aimseartha. Féadfaidh sé sláinte an phobail agus staid an chomhshaoil ​​a fheabhsú freisin.

Ina theannta sin, féadfaidh sé líon na ndeiseanna fostaíochta agus an tslándáil fuinnimh i dtionscail dhomhanda a mhéadú. Is féidir leis cabhrú leis an tionscal iompair a bheith níos inbhuanaithe agus tacú leis an aistriú chuig feithiclí leictreacha (EVanna). Agus is féidir leis cur le hioncam méadaithe agus neartaíonn sé geilleagar an domhain.

Dúshlán amháin atá ag ardú na gcostas a bhaineann le hidrigin ghlas a tháirgeadh ná go dteastaíonn uisce ultrapure ó leictrealaitheoirí. Déanann sé seo leictrealú sáile traidisiúnta deacair mar go bhfuil go leor foinsí uisce líonta le hábhair salaithe.
Cé go bhfuil ceanglais dhian ar uisce ag an EPA mar gheall ar láithreacht luaidhe, clóirín agus baictéir, ní gá go gciallaíonn sé go bhfuil gach uisce saor ó éillithe.

Leictrealú uisce farraige
Tháinig taighde leictrealú uisce farraige chun cinn go luath sa 19ú haois. Cé go ndearna na heolaithe dul chun cinn i dtáirgeadh hidrigine, ní bhfuair sé tarraingt riamh agus níor tháinig sé chun bheith ina réiteach fuinnimh inmharthana. Sa 20ú haois, baineadh hidrigin den chuid is mó as gás nádúrtha agus úsáideadh é chun gluaisteáin, busanna, blimps, agus roicéid a chumhachtú.

Cé go raibh sé indéanta an hidrigin seo a úsáid, bhí a táirgeadh dian ar fhuinneamh agus chuir sé le hastuithe carbóin, ceann de na príomhchúiseanna le hathrú aeráide. Ina theannta sin, déanann roinnt cathracha dramhaíl sholadach chathrach a scagadh le teicneolaíocht cille breosla hidrigine, a tháirgeann hidrigin agus a chuireann cosc ​​ar éilliú ó dhramhaíl i soláthairtí áitiúla uisce.

Tá taighdeoirí agus eolaithe éagsúla ag forbairt ardteicneolaíochtaí ag baint úsáide as leictrealú uisce farraige chun na dúshláin seo a sheachaint. Má oibríonn na teicneolaíochtaí seo i gceart, beidh siad ag táirgeadh hidrigin inbhuanaithe gan úsáid a bhaint as acmhainní fionnuisce nó cur le hastaíochtaí carbóin.

Déantar táirgí a dhíol i ngach réigiún sa tSín agus a onnmhairiú chuig tíortha ar fud an domhain. Díoladh iad i níos mó ná 20 tír agus réigiún lena n-áirítear na Stáit Aontaithe, an Ghearmáin, Maracó, an Chéinia, an Araib Shádach, Vítneam, an Ailgéir, an India, an Tansáin, agus sa Téaváin. D'éirigh le fiontair aitheanta ar nós China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group agus fiontair aitheanta eile a sholáthar go rathúil. Tá go leor stáisiúin glasa hidriginithe hidrigine hidrigine ar nós Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming, etc. a sholáthraíonn tionscadail ghlasa agus hidrigine.