Hydrogen Dŵr Môr

Mae GWYDDONWYR wedi datblygu system sy'n gallu cynhyrchu hydrogen gwyrdd yn uniongyrchol o ddŵr y môr heb fod angen unrhyw brosesau cyn-driniaeth fel dihalwyno. Mae'r tîm y tu ôl i'r datblygiad, sy'n cynnwys cyflwyno haen asid Lewis ar gatalydd metel ocsid trawsnewidiol, yn dweud bod y dull yn dangos potensial uchel ar gyfer defnydd masnachol.

Mae dros 97% o'r dŵr ar wyneb y Ddaear yn ddŵr hallt yn y cefnforoedd, mae 2% yn cael ei storio fel dŵr ffres mewn capiau iâ, rhewlifoedd a mynyddoedd â chapiau eira, a dim ond 1% sydd ar gael ar gyfer ein hanghenion cyflenwad dŵr dyddiol.

 
Gellir troi dŵr hallt yn ddŵr yfed trwy broses a elwir yn ddihalwyno, techneg y mae rhai ardaloedd ledled y byd yn dibynnu arni i gynhyrchu dŵr ffres i'w fwyta gan bobl ac at ddefnydd domestig a diwydiannol. Ond mae dihalwyno yn broses sy'n gofyn am ynni, ac yn waeth byth mae'n aml yn cael ei bweru gan ffynonellau ynni anghynaliadwy.

Deallir yn dda hefyd hollti dŵr i'w rannau cyfansoddol. Mae’r broses – a elwir yn electrolysis – yn defnyddio cerrynt uniongyrchol rhwng dau electrod sydd wedi’u trochi mewn electrolyt i hollti dŵr yn hydrogen ac ocsigen. Mae hydrogen yn cael ei ffurfio yn y catod, neu'r electrod negyddol, ac ocsigen yn yr electrod positif, neu'r anod.

Oherwydd y gall cymysgedd o nwyon ffrwydro, mae'r rhan fwyaf o electrolyswyr yn gwahanu'r anod a'r catod â dalen blastig drwchus, mandyllog, a defnyddir catalyddion metel fel nicel a haearn i gyflymu adweithiau.

Mae rhoi’r ddwy broses hyn at ei gilydd, sef dihalwyno dŵr y môr, ac yna ei hollti i greu hydrogen wedi cael ei ystyried ers tro fel un o’r atebion gorau i ddarparu tanwydd glân a fforddiadwy ar gyfer ynni, a allai yn ei dro bweru popeth o drydan dinas i wneud. dur, yn cynhyrchu gwrtaith, a hyd yn oed fel tanwydd ar gyfer awyrennau – mae’r rhestr o ddefnyddiau posibl yn un hir.

Fodd bynnag, un o'r rhesymau nad ydym eisoes yn defnyddio tanwydd hydrogen i hedfan o gwmpas y byd, yw bod dŵr halen ac amhureddau eraill yn cyrydu electrodau, gan fyrhau eu hoes. Gan fod y cydrannau hynny fel arfer wedi'u gwneud o fetelau prin fel platinwm, mae'n costio gormod i barhau i gael rhai newydd yn eu lle. Mae ïonau clorid mewn dŵr môr hefyd yn broblem ac mae adweithiau electro-ocsidiad clorin (ClOR) yn cystadlu ag adwaith esblygiad ocsigen (OER) ar yr anod yn ystod electrolysis. Mae'r adwaith hwn yn arwain at ryddhau rhywogaethau clorin gwenwynig a chyrydol fel hypoclorit. Mae hypoclorit yn gymharol ansefydlog, gall ryddhau nwy clorin gwenwynig wrth ei gymysgu ag amonia neu asid a gall hefyd fwyta i ffwrdd ar ddur di-staen.

I fynd o gwmpas hyn, gellid dihalwyno a phuro dŵr y môr cyn ei brosesu, ond nid yw hyn bob amser yn ariannol hyfyw ychwaith. Opsiwn arall yw gorchuddio'r electrodau â polyanionau i atal cyrydiad, ond gall hyn hefyd fod yn gostus.

Ychydig iawn o atebion hinsawdd sy'n dod heb anfanteision. Gallai hydrogen "gwyrdd", sy'n cael ei wneud trwy ddefnyddio ynni adnewyddadwy i hollti moleciwlau dŵr, bweru cerbydau trwm a datgarboneiddio diwydiannau fel gwneud dur heb sbaddu swp o garbon deuocsid. Ond oherwydd bod y peiriannau hollti dŵr, neu'r electrolyzers, wedi'u cynllunio i weithio gyda dŵr pur, gallai cynyddu hydrogen gwyrdd waethygu prinder dŵr croyw byd-eang. Nawr, mae sawl tîm ymchwil yn adrodd am ddatblygiadau mewn cynhyrchu hydrogen yn uniongyrchol o ddŵr môr, a allai ddod yn ffynhonnell ddihysbydd o hydrogen gwyrdd.

Heddiw, mae bron yr holl hydrogen yn cael ei wneud trwy dorri methan yn ddarnau, gan losgi tanwyddau ffosil i gynhyrchu'r gwres a'r pwysau angenrheidiol. Mae'r ddau gam yn rhyddhau carbon deuocsid. Gallai hydrogen gwyrdd ddisodli'r hydrogen budr hwn, ond ar hyn o bryd mae'n costio mwy na dwywaith cymaint, tua $5 y cilogram. Mae hynny'n rhannol oherwydd cost uchel electrolyzers, sy'n dibynnu ar gatalyddion wedi'u gwneud o fetelau gwerthfawr. Yn ddiweddar, lansiodd Adran Ynni yr Unol Daleithiau ymdrech ddegawd o hyd i wella electrolyzers a dod â chost hydrogen gwyrdd i lawr i $1 y cilogram.

Os byddan nhw'n llwyddo a chynhyrchiant hydrogen gwyrdd yn yr awyr, gallai pwysau adeiladu ar gyflenwadau dŵr croyw'r byd. Mae cynhyrchu 1 cilogram o hydrogen gan ddefnyddio electrolysis yn cymryd tua 10 cilogram o ddŵr. Gallai rhedeg tryciau a diwydiannau allweddol ar hydrogen gwyrdd fod angen tua 25 biliwn metr ciwbig o ddŵr ffres y flwyddyn, sy'n cyfateb i ddefnydd dŵr gwlad â 62 miliwn o bobl, yn ôl yr Asiantaeth Ynni Adnewyddadwy Rhyngwladol.

Mae dŵr môr bron yn ddiderfyn, ond mae ei hollti yn dod â'i broblemau ei hun. Mae electrolyteswyr yn debyg iawn i fatris, gyda phâr o electrodau wedi'u hamgylchynu gan electrolyt dyfrllyd. Mewn un dyluniad, mae catalyddion yn y catod yn hollti moleciwlau dŵr yn ïonau hydrogen (H+) a hydrocsyl (OH-). Mae electronau gormodol yn y catod yn pwytho parau o ïonau hydrogen i mewn i nwy hydrogen (H2), sy'n byrlymu allan o'r dŵr. Yn y cyfamser, mae'r ïonau OH- yn teithio trwy bilen rhwng yr electrodau i gyrraedd yr anod, lle mae catalyddion yn gwau'r ocsigen yn nwy ocsigen (O2) sy'n cael ei ryddhau.

Fodd bynnag, pan ddefnyddir dŵr môr, mae'r un jolt trydanol sy'n cynhyrchu O2 yn yr anod hefyd yn trosi'r ïonau clorid mewn dŵr halen yn nwy clorin cyrydol iawn, sy'n bwyta'r electrodau a'r catalyddion i ffwrdd. Mae hyn fel arfer yn achosi i electrolyzers fethu mewn ychydig oriau pan fyddant yn gallu gweithredu fel arfer am flynyddoedd.

Mae hydrogen yn gemegyn amlbwrpas a ddefnyddir i gynhyrchu llawer o gynhyrchion, gan gynnwys gwrtaith. Mae hydrogen hefyd yn elfen allweddol o dechnoleg celloedd tanwydd, sy'n harneisio'r trydan a gynhyrchir gan ffynonellau ynni adnewyddadwy ond ysbeidiol fel solar a gwynt. Mae'r rhan fwyaf o'r hydrogen a gynhyrchir yn fyd-eang yn deillio o broses lle mae methan yn agored i wres a stêm i gynhyrchu hydrogen.

Gellir cynhyrchu hydrogen hefyd o electrolysis dŵr, sy'n defnyddio trydan i hollti moleciwlau dŵr yn hydrogen ac ocsigen sy'n cael ei bweru gan ffynonellau adnewyddadwy fel solar a gwynt. Ond mae dal. Mae electrolysis yn gofyn am ddŵr glân iawn sydd wedi'i ddad-ïoneiddio, sy'n golygu bod yn rhaid tynnu'r holl amhureddau, mwynau a gronynnau â gwefr electronig yn gyntaf. Mae angen offer drud ar brosesau puro dŵr confensiynol a gallant arwain at golli ynni.

Mae ymchwilwyr yn Adran Iechyd yr Amgylchedd a Pheirianneg Prifysgol Johns Hopkins, mewn cydweithrediad â Phrifysgol Talaith Penn, wedi dod o hyd i ffordd o ddefnyddio dŵr môr fel ffynhonnell uniongyrchol o hydrogen, heb unrhyw angen am ddihalwyno rhagarweiniol. Mae eu canlyniadau yn ymddangos yn yr Amgylchedd Gwyddoniaeth a Thechnoleg.

"Canfuom y gallwn ddefnyddio pilenni cyfansawdd ffilm tenau, a ddefnyddir i buro dŵr halen, mewn electrolyzers dŵr, gan rannu'r dŵr yn nwy hydrogen ac ocsigen, tra'n osgoi cynhyrchu nwy clorin niweidiol, sy'n digwydd gyda mathau eraill o bilen."
Yn eu hastudiaeth, profodd Rossi a chydweithwyr bilenni cyfansawdd ffilm denau yn uniongyrchol yn yr electrolyzer - dyfais sy'n defnyddio trydan i hollti dŵr yn hydrogen ac ocsigen-gyflawni mewn un cam puro dŵr a chynhyrchu hydrogen. Canfuwyd bod microstrwythur mandyllog y deunydd yn caniatáu dim ond protonau bach ac ïonau hydrocsid i fudo ar draws y bilen, gan wrthod amhureddau ac ïonau eraill a all gynhyrchu adweithiau annymunol. Mae'r ymchwilwyr yn dweud y gallai'r dull newydd hwn ddisodli systemau confensiynol, lle mae pilenni cyfnewid ïon drud yn cael eu defnyddio mewn cyfuniad â phorthiant dŵr pur iawn.

“Gall pilenni dihalwyno dŵr rhad fod yn ddewis arall yn lle pilenni polymer drutach a gellir eu defnyddio ar gyfer cynhyrchu hydrogen o ffynonellau dŵr gradd isel fel dŵr môr,” meddai Rossi. "Y canlyniad yw proses gynhyrchu hydrogen effeithlon o ffynonellau ynni adnewyddadwy sy'n dileu'r angen am buro dŵr."

Nododd fod dŵr môr yn heriol i'w ddefnyddio mewn electrolyzers oherwydd ei halltedd uchel. Fodd bynnag, mae'n doreithiog ac ar gael mewn lleoliadau fel ardaloedd arfordirol, lle gellir cynhyrchu trydan adnewyddadwy fel solar a gwynt, ond lle mae argaeledd dŵr croyw yn isel. Mewn lleoliadau o'r fath, mae'n bosibl y gellid defnyddio ffynonellau dŵr gradd isel eraill fel dŵr gwastraff yn lle dŵr môr yn y broses hon.

Fe wnaeth tîm a ariannwyd gan Sefydliad Gwyddoniaeth Cenedlaethol yr Unol Daleithiau integreiddio technoleg puro dŵr i mewn i ddyluniad prawf-cysyniad newydd ar gyfer electrolyzer dŵr môr, sy'n defnyddio cerrynt trydan i wahanu'r hydrogen a'r ocsigen mewn moleciwlau dŵr.

Gallai'r dull newydd hwn ar gyfer "hollti dŵr môr" ei gwneud hi'n haws troi ynni gwynt a solar yn danwydd y gellir ei storio a chludadwy, yn ôl Bruce Logan, peiriannydd amgylcheddol.

"Mae hydrogen yn danwydd gwych, ond mae'n rhaid i chi ei wneud," meddai Logan. "Yr unig ffordd gynaliadwy o wneud hynny yw defnyddio ynni adnewyddadwy a'i gynhyrchu o ddŵr. Mae angen i chi hefyd ddefnyddio dŵr nad yw pobl eisiau ei ddefnyddio ar gyfer pethau eraill, a dŵr môr fyddai hwnnw. Felly, y greal sanctaidd o gynhyrchu hydrogen fyddai cyfuno dŵr y môr ac ynni gwynt a solar a geir mewn amgylcheddau arfordirol ac alltraeth."

Er gwaethaf y digonedd o ddŵr môr, nid yw'n cael ei ddefnyddio'n gyffredin ar gyfer hollti dŵr. Oni bai bod y dŵr yn cael ei ddihalwyno cyn mynd i mewn i'r electrolyzer, cam ychwanegol drud, mae'r ïonau clorid mewn dŵr môr yn troi'n nwy clorin gwenwynig, sy'n diraddio'r offer ac yn diferu i'r amgylchedd.

Er mwyn atal hyn, mewnosododd yr ymchwilwyr bilen denau, lled-hydraidd, a ddatblygwyd yn wreiddiol ar gyfer puro dŵr yn y broses o drin osmosis gwrthdro. Disodlodd y bilen osmosis gwrthdro'r bilen cyfnewid ïon a ddefnyddir yn gyffredin mewn electrolyzers.
“Y syniad y tu ôl i osmosis gwrthdro yw eich bod chi'n rhoi pwysau uchel iawn ar y dŵr ac yn ei wthio trwy'r bilen a chadw'r ïonau clorid y tu ôl,” meddai Logan.

Trwy gyfres o arbrofion a gyhoeddwyd yn Energy & Environmental Science, profodd yr ymchwilwyr ddwy bilen osmosis gwrthdro oedd ar gael yn fasnachol a dwy bilen cyfnewid cation, math o bilen cyfnewid ïon sy'n caniatáu symud yr holl ïonau â gwefr bositif yn y system.

Mae ynni glân yn brif flaenoriaeth i wledydd ledled y byd. Er bod pŵer confensiynol yn dibynnu ar danwydd ffosil fel glo, nwy naturiol, ac olew, mae ynni glân yn dod mewn amrywiol ffurfiau megis solar, gwynt, geothermol, trydan dŵr, a biomas.

Mae hydrogen hefyd yn opsiwn storio ynni blaenllaw ar gyfer ynni adnewyddadwy a gallai helpu i leihau'r lefelau uchel o allyriadau carbon.
Mae ymchwil cyfredol yn awgrymu bod electrolysis dŵr hallt – y broses o hollti dŵr yn ocsigen a hydrogen – yn ateb ymarferol i heriau cyffredin electrolysis dŵr croyw. Gallai electrolysis dŵr môr gynhyrchu hydrogen cynaliadwy heb waethygu'r prinder dŵr croyw byd-eang.

Yn ôl Canolfan Data Tanwydd Amgen Adran Ynni yr Unol Daleithiau, mae hydrogen pur yn elfen helaeth ar y Ddaear sy'n dangos addewid mawr wrth gefnogi'r newid i ynni glân, cynaliadwy ac adnewyddadwy.

Ar ôl cynhyrchu hydrogen, gall gynhyrchu trydan mewn cell danwydd a dim ond yn allyrru anwedd dŵr ac aer cynnes. Gan nad yw hydrogen yn rhyddhau unrhyw nwyon tŷ gwydr, ocsidau nitrogen, hydrocarbonau, neu ddeunydd gronynnol arall, nid yw'n effeithio'n negyddol ar yr amgylchedd.
Mae gan hydrogen fanteision eraill a fydd yn helpu i greu economi ynni glân. Mae'n ateb ynni gorau posibl mewn meysydd heriol nodweddiadol i ddatgarboneiddio. Mae'n cynyddu dibynadwyedd a gwydnwch y grid pŵer modern. Gall hefyd wella iechyd y cyhoedd a chyflwr yr amgylchedd.

Yn ogystal, gall gynyddu nifer y cyfleoedd cyflogaeth a sicrwydd ynni mewn diwydiannau byd-eang. Gall helpu'r diwydiant trafnidiaeth i ddod yn fwy cynaliadwy a chefnogi'r newid i gerbydau trydan (EVs). A gall gyfrannu at fwy o refeniw a chryfhau economi'r byd.

Un her sy'n cynyddu costau sy'n gysylltiedig â chynhyrchu hydrogen gwyrdd yw bod angen dŵr pur iawn ar electrolyzers. Mae hyn yn gwneud electrolysis dŵr halen traddodiadol yn anodd oherwydd bod llawer o ffynonellau dŵr wedi'u llenwi â halogion.
Er bod gan yr EPA ofynion llym ar gyfer dŵr oherwydd presenoldeb plwm, clorin a bacteria, nid yw o reidrwydd yn golygu bod pob dŵr yn rhydd o halogion.

Electrolysis dŵr môr
Daeth ymchwil electrolysis dŵr môr i'r amlwg yn gynnar yn y 19eg ganrif. Er bod gwyddonwyr wedi gwneud datblygiadau ym maes cynhyrchu hydrogen, ni chafodd erioed tyniant na dod yn ddatrysiad ynni hyfyw. Yn yr 20fed ganrif, roedd hydrogen yn cael ei dynnu'n bennaf o nwy naturiol a'i ddefnyddio i bweru ceir, bysiau, blimps a rocedi.

Er ei bod yn bosibl defnyddio'r hydrogen hwn, roedd yn cynhyrchu llawer o ynni ac yn cyfrannu at allyriadau carbon, un o brif achosion newid yn yr hinsawdd. Yn ogystal, mae rhai dinasoedd yn hidlo gwastraff solet trefol gyda thechnoleg celloedd tanwydd hydrogen, sy'n cynhyrchu hydrogen ac yn atal halogiad sy'n deillio o wastraff mewn cyflenwadau dŵr lleol.

Mae ymchwilwyr a gwyddonwyr amrywiol yn datblygu technolegau uwch gan ddefnyddio electrolysis dŵr môr i osgoi'r heriau hyn. Os bydd y technolegau hyn yn gweithio'n iawn, byddant yn cynhyrchu hydrogen cynaliadwy heb ddefnyddio adnoddau dŵr croyw na chyfrannu at allyriadau carbon.

Mae cynhyrchion yn cael eu gwerthu ym mhob rhanbarth o Tsieina a'u hallforio i wledydd ledled y byd. Maent wedi cael eu gwerthu mewn mwy nag 20 o wledydd a rhanbarthau gan gynnwys yr Unol Daleithiau, yr Almaen, Moroco, Kenya, Saudi Arabia, Fietnam, Algeria, India, Tanzania, a Taiwan. Wedi darparu mentrau adnabyddus yn llwyddiannus fel China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group a mentrau adnabyddus eraill. Mae yna lawer o orsafoedd gwyrdd hydrogeniad hydrogen hydrogen megis Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming, ac ati yn darparu prosiectau gwyrdd a gwneud hydrogen.