Volgens een groep onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania kan de kracht van zon, wind en zee binnenkort samenkomen om milieuvriendelijke waterstof als brandstof te produceren. Het team integreerde waterzuiveringstechnologie in een nieuw experimenteel project zeewater elektrolyser, die een elektrische stroom gebruikt om waterstof en zuurstof in watermoleculen te scheiden.
Volgens Bruce Logan, professor milieutechniek aan Kappa en professor aan de Evan Pugh University, zou deze nieuwe methode van "zeewatersplitsing" de omzetting van wind- en zonne-energie in opslagbare en draagbare brandstoffen kunnen vergemakkelijken.
"Waterstof is een geweldige brandstof, maar je moet het krijgen," zei Logan. - De enige duurzame manier om dit te doen is door gebruik te maken van hernieuwbare energie en deze op te wekken uit water. Je moet ook water gebruiken dat mensen niet voor andere doeleinden willen gebruiken, en dat zou zeewater zijn. Dus de heilige graal van de waterstofproductie moest zeewater, wind en zonne-energie combineren die in kust- en mariene omgevingen te vinden is."
Ondanks de overvloed aan zeewater wordt het meestal niet gebruikt voor waterscheiding. Als het water niet wordt ontzilt voordat het in de elektrolyseur wordt geleid - een dure extra stap - veranderen de chloorionen in het zeewater in giftig chloorgas, dat de apparatuur vernielt en in het milieu terechtkomt.
Om dit te voorkomen, plaatsten de onderzoekers een dun, semi-permeabel membraan dat oorspronkelijk was ontworpen om water te zuiveren bij een behandeling met omgekeerde osmose (RO). Het omgekeerde osmose-membraan heeft het ionenuitwisselingsmembraan vervangen dat gewoonlijk wordt gebruikt in elektrolyzers.
"Het idee achter omgekeerde osmose is dat je heel hoge druk uitoefent op het water, het door het membraan duwt en de chloorionen achterhoudt", zei Logan.
In de electrolyzer zal het zeewater niet meer door het omgekeerde osmosemembraan dringen, maar wordt het vastgehouden. Het membraan wordt gebruikt om reacties te scheiden die plaatsvinden in de buurt van twee ondergedompelde elektroden - een positief geladen anode en een negatief geladen kathode - die zijn aangesloten op een externe stroombron. Wanneer de stroom wordt ingeschakeld, beginnen watermoleculen te splitsen bij de anode, waardoor kleine waterstofionen, protonen genaamd, vrijkomen en zuurstofgas wordt gevormd. De protonen gaan vervolgens door het membraan en combineren met elektronen aan de kathode om waterstofgas te vormen.
Als er een omgekeerde osmose-membraan is geïnstalleerd, blijft het zeewater aan de kathodezijde en zijn de chloorionen te groot om door het membraan te gaan en de anode te bereiken, waardoor de vorming van chloorgas wordt voorkomen.
Maar bij het splitsen van water, zoals Logan opmerkte, worden andere zouten opzettelijk in het water opgelost om het geleidend te maken. Het ionenuitwisselingsmembraan, dat ionen filtert door elektrische lading, laat zoutionen er doorheen gaan. Er is geen membraan voor omgekeerde osmose.
Omdat de beweging van grotere ionen wordt beperkt door het RO-membraan, moesten de onderzoekers testen of de kleine protonen die door de poriën bewegen voldoende waren om een hoge elektrische stroom te handhaven.
In een reeks experimenten testten de onderzoekers twee in de handel verkrijgbare omgekeerde osmose-membranen en twee kationenuitwisselingsmembranen, een soort ionenuitwisselingsmembraan dat de beweging van alle positief geladen ionen in het systeem mogelijk maakt. Elk van hen werd getest op de weerstand van het membraan tegen de beweging van ionen. Ook werd de hoeveelheid energie berekend die nodig was om de reacties te voltooien, de vorming van gasvormige waterstof en zuurstof werd gevolgd, de interactie met chloorionen en schade aan het membraan werd geanalyseerd.
De onderzoekers ontvingen onlangs een subsidie van $ 300 van de National Science Foundation (NSF) om het onderzoek naar zeewaterelektrolyse voort te zetten. Logan hoopt dat hun onderzoek een cruciale rol zal spelen bij het wereldwijd terugdringen van de uitstoot van kooldioxide.
Lees ook:
- TSMC: in 2021 verschijnen testkopieën van 3nm-processors
- Zwaartekracht veroorzaakt de uniformiteit van het universum