Πηγή Εικόνας: wikimedia commonsΤα λύματα μπορούν να αντικαταστήσουν το καθαρό νερό ως πηγή παραγωγής υδρογόνου, εξαλείφοντας ένα σημαντικό μειονέκτημα του καυσίμου υδρογόνου και μειώνοντας το κόστος επεξεργασίας του νερού έως και 47%, σύμφωνα με νέα έρευνα του Princeton Engineering.
Τα ευρήματα, που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Water Research, αποτελούν ένα βήμα προς την κατεύθυνση της μετατροπής του υδρογόνου σε μια πρακτική λύση για την απανθρακοποίηση βιομηχανιών που είναι δύσκολο να ηλεκτροδοτηθούν, όπως η παραγωγή χάλυβα και λιπασμάτων.
Ο επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης καθηγητής στη Σχολή Πολιτικών Μηχανικών και Μηχανικών Περιβάλλοντος του Πανεπιστημίου και του Κέντρου Andlinger για την Ενέργεια και το Περιβάλλον Z. Jason Ren, δήλωσε, σύμφωνα με την ανακοίνωση του Πανεπιστημίου, ότι η τρέχουσα ηλεκτρολυτική παραγωγή υδρογόνου απαιτεί μεγάλη ποσότητα καθαρού νερού, αυξάνοντας το κόστος και επιβαρύνοντας τις τοπικές παροχές νερού. Η ερευνητική του ομάδα ήθελε να διαπιστώσει εάν το επεξεργασμένο νερό από εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων θα μπορούσε να αντικαταστήσει το καθαρό νερό.
Η παραγωγή υδρογόνου με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, γνωστή ως πράσινο υδρογόνο, βασίζεται στην ηλεκτρόλυση για τη διάσπαση του νερού σε υδρογόνο και οξυγόνο. Το νερό ρέει σε έναν ηλεκτρολύτη, όπου το ηλεκτρικό ρεύμα προκαλεί τη μετακίνηση θετικά φορτισμένων ιόντων υδρογόνου (πρωτονίων) από μια άνοδο μέσω μιας ειδικής μεμβράνης προς μια κάθοδο, όπου τα πρωτόνια συνδυάζονται με ηλεκτρόνια για να σχηματίσουν υδρογόνο.
Το μεγαλύτερο μέρος του υδρογόνου που παράγεται σήμερα στις ΗΠΑ είναι γνωστό ως μπλε υδρογόνο, στο οποίο το φυσικό αέριο παρέχει την ενέργεια για τη διαδικασία και τουλάχιστον μέρος του διοξειδίου του άνθρακα που παράγεται συλλέγεται και αποθηκεύεται υπόγεια — καθιστώντας το μπλε υδρογόνο μια πηγή ενέργειας με χαμηλότερες εκπομπές άνθρακα από ό,τι η άμεση χρήση φυσικού αερίου.
Η ηλεκτρολύση πράσινου υδρογόνου χρησιμοποιεί ανανεώσιμη ηλεκτρική ενέργεια και παράγει πολύ χαμηλότερες εκπομπές άνθρακα. Ωστόσο, απαιτεί συνήθως πολύ καθαρό νερό, το οποίο δημιουργείται με την επεξεργασία του νερού της βρύσης ή των υπόγειων υδάτων με διαδικασίες όπως η αντίστροφη όσμωση, προκειμένου να αφαιρεθούν οι ακαθαρσίες που θα μπορούσαν να παρεμποδίσουν τη διαδικασία.
Η ομάδα του Πρίνστον εξέτασε αν θα μπορούσε να παρακάμψει τη διαδικασία καθαρισμού χρησιμοποιώντας επεξεργασμένα λύματα αντί για νερό της βρύσης. Σε αυτό το σενάριο, τα λύματα «ανακτώνται», δηλαδή υποβάλλονται σε επεξεργασία σε βαθμό που να μπορούν να απορριφθούν σε υδροφορείς ή να χρησιμοποιηθούν για άρδευση ή βιομηχανική ψύξη.
Η μέθοδος είχε δοκιμαστεί στο παρελθόν, αλλά συνήθως αποτύγχανε μετά από περιορισμένο χρονικό διάστημα. Για να εντοπίσει τον λόγο της αποτυχίας, ο Lin Du, διδακτορικός φοιτητής στο εργαστήριο του Ren, πραγματοποίησε προσεκτικά σχεδιασμένα διαγνωστικά πειράματα σε έναν ηλεκτρολύτη νερού με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων — την ίδια τεχνολογία που χρησιμοποιείται σήμερα εμπορικά με υπερκαθαρό νερό.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν έναν συνδυασμό ηλεκτροχημικών δοκιμών και προηγμένης μικροσκοπικής απεικόνισης για να συγκρίνουν την απόδοση του καθαρού νερού με τα ανακτημένα λύματα στους αντιδραστήρες. Παρατήρησαν ότι η απόδοση του συστήματος μειώθηκε ραγδαία με το ανακυκλωμένο νερό, ενώ η ίδια διάταξη με καθαρό νερό συνέχισε να λειτουργεί σταθερά. Μέσω πειραματικών αναλύσεων και αναλύσεων μοντελοποίησης, εντόπισαν τα ιόντα ασβεστίου και μαγνησίου — τα ίδια μέταλλα που προκαλούν συσσώρευση αλάτων στις βρύσες και τους βραστήρες των νοικοκυριών — ως την κύρια αιτία της απώλειας απόδοσης. Αυτά τα ιόντα προσκολλώνται στη μεμβράνη, εμποδίζοντας τη μεταφορά ιόντων και μετατρέποντάς την από πορώδη οδό σε στερεό φράγμα.
Για να αντιμετωπίσουν αυτό το πρόβλημα, οι ερευνητές βρήκαν μια απλή λύση: την οξύνιση του νερού με θειικό οξύ. Το προκύπτον όξινο ρυθμιστικό διάλυμα λειτουργεί ως πλούσια πηγή πρωτονίων που υπερισχύουν των άλλων ιόντων, διατηρώντας την αγωγιμότητα των ιόντων, διατηρώντας το ηλεκτρικό ρεύμα και επιτρέποντας τη συνεχή παραγωγή υδρογόνου.
«Είναι ακριβό να αφαιρέσεις όλα αυτά τα ιόντα, ώστε να έχεις υπερκαθαρό νερό που εισέρχεται στον ηλεκτρολύτη», είπε ο Ren. «Τώρα, μπορείτε απλά να το οξυνίσετε λίγο και στη συνέχεια να βάλετε νερό που περιέχει ιόντα στον ηλεκτρολύτη, και αυτό διαρκεί για περισσότερες από 300 ώρες χωρίς εμφανή προβλήματα» πρόσθεσε.
Η ομάδα του υπολόγισε ότι η χρήση ανακυκλωμένων λυμάτων αντί για καθαρό νερό θα μπορούσε να μειώσει το κόστος παραγωγής νερού κατά περίπου 47% και το ενεργειακό κόστος επεξεργασίας νερού κατά περίπου 62%.
Το κρίσιμο, σύμφωνα με τον Ren, είναι ότι «αυτό το οξύ ανακυκλώνεται, οπότε δεν βγαίνει ποτέ από το σύστημα», κάτι που είναι σημαντικό τόσο από περιβαλλοντική όσο και από οικονομική άποψη. Ομοίως, τα ιόντα ασβεστίου και μαγνησίου παραμένουν σε διαλυτή φάση χωρίς να παρεμβαίνουν στην κυκλοφορία.
Ο Ren και η ομάδα του συνεργάζονται με εταίρους του κλάδου για να δοκιμάσουν πώς λειτουργεί η προσέγγισή τους σε μεγαλύτερη κλίμακα, καθώς και πώς θα μπορούσε να λειτουργήσει με προ-επεξεργασμένο θαλασσινό νερό ως εισροή.
