Сточные воды – источник чистого водорода

Новое исследование Принстонского университета предлагает революционный подход к производству чистого водорода, используя сточные воды вместо чистой воды. Этот метод может не только снизить затраты на водоподготовку до 47%, но и устранить одно из ключевых препятствий на пути к широкому применению водородного топлива.

Водород, особенно произведенный с использованием возобновляемых источников энергии (зеленый водород), считается перспективным решением для декарбонизации трудноэлектрифицируемых отраслей, таких как производство стали и удобрений. Однако существующие методы производства водорода методом электролиза требуют значительных объемов чистой воды, что создает дополнительную нагрузку на водные ресурсы и увеличивает затраты.

«Инфраструктура производства водорода зачастую конкурирует с местным потреблением пресной воды», – отмечает профессор З. Джейсон Рен, один из ведущих авторов исследования. «Но в каждом городе есть очистные сооружения, что делает сточные воды потенциально очень распространенным источником для водородной экономики».

В настоящее время большая часть водорода в США производится методом «синего» водорода, который подразумевает использование природного газа и улавливание части производимого углекислого газа. Зеленый водород, получаемый путем электролиза воды с использованием возобновляемой электроэнергии, имеет значительно меньший углеродный след, но требует ультрачистой воды, получаемой дорогостоящей очисткой водопроводной или грунтовой воды.

Команда Принстонского университета исследовала возможность использования очищенных сточных вод, прошедших этап «рекламации» – очистки до состояния, пригодного для сброса в водоносные горизонты или использования для орошения и промышленного охлаждения. Предыдущие попытки использовать такие воды часто заканчивались неудачей из-за быстрого снижения производительности.

Исследователи под руководством аспиранта Лина Ду выявили, что ионы кальция и магния, ответственные за образование накипи в бытовых приборах, являются основной причиной снижения эффективности. Эти минералы оседают на мембране электролизера, блокируя транспорт ионов и препятствуя процессу электролиза.

Ученые нашли простое решение: подкисление воды серной кислотой. Это создает кислый буфер, который насыщает раствор протонами, вытесняя мешающие ионы и поддерживая проводимость. Этот метод позволяет системе работать стабильно более 300 часов без видимых проблем.

По оценкам исследователей, использование очищенных сточных вод может сократить затраты на водоподготовку для производства водорода примерно на 47%, а затраты энергии на эту подготовку – до 62%. Важно отметить, что используемая кислота рециркулируется внутри системы, не оказывая негативного воздействия на окружающую среду и не увеличивая расходы.

В настоящее время команда Принстона сотрудничает с промышленными партнерами для тестирования своего подхода в более крупном масштабе. Также изучается возможность использования предварительно обработанной морской воды. Ранее исследователи уже опубликовали работу, посвященную оптимизации затрат и водосбережения в производстве водорода, определяя наиболее подходящие места в США для размещения водородных объектов рядом с очистными сооружениями.

«Мы стремились действительно изучить возможность использования очищенных сточных вод для реализации национальной водородной стратегии», – заключает Рен. «Мы проводим как глубокие технические исследования, так и аналитическую работу в широком масштабе, чтобы удовлетворить как научные, так и промышленные потребности».