אלקטרוליזה של מים לייצור H2 ו- O2
אנודות טיטניום, חלקי המפתח של ציוד מימן וחמצן אלקטרוליטי, הינן בעלות איכות יציבה, ידידותיות לסביבה ואין להן זיהום משני, פוטנציאל יתר נמוך, אפקט טוב לחיסכון באנרגיה, ויכולות לחסוך 15-20% מהאנרגיה. ישנן צורות צלחת, רשת, צינורות וחלקים בעלי צורה מיוחדת.
1. התקדמות המחקר על ייצור מימן על ידי אלקטרוליזה של מים ייצור מימן על ידי אלקטרוליזה של מים הוא אמצעי חשוב להשגת הכנה תעשייתית ובעלות נמוכה של H2, ויכול לייצר מוצרים בטוהר של 99% עד 99.9%. מדי שנה, צריכת החשמל של המדינה שלי לייצור מימן על ידי אלקטרוליזה של מים מגיעה ליותר מ-(1.5×107) קילוואט שעה. כאשר זרם עובר בין האלקטרודות, מימן מיוצר בקתודה, חמצן מיוצר באנודה ומים עוברים אלקטרוליזה [2]. החלק המרכזי בציוד לייצור מימן לאלקטרוליזה במים הוא התא האלקטרוליטי, וחומר האלקטרודה הוא המפתח לתא האלקטרוליטי. איכות ביצועי האלקטרודה קובעת במידה רבה את מתח התא וצריכת האנרגיה של אלקטרוליזה במים, ומשפיעה ישירות על העלות. היעילות של אספקת חשמל לפירוק מים להפקת מימן היא בדרך כלל 75% עד 85%. התהליך פשוט ונטול זיהום, אך צריכת החשמל גדולה, כך שהיישום שלו כפוף להגבלות מסוימות. האלקטרוליזה של המים מתבצעת בתא אלקטרוליטי, אשר מלא באלקטרוליט ומחולק לתא אנודה ולתא קתודה באמצעות דיאפרגמה. אלקטרודות ממוקמות בכל תא. מאחר למים מוליכות נמוכה מאוד, משתמשים בתמיסה מימית (ריכוז של כ-15%) עם אלקטרוליט. כאשר זרם עובר בין האלקטרודות במתח מסוים, מימן מיוצר בקתודה ומיוצר חמצן באנודה, ובכך משיג אלקטרוליזה של מים. תיאורטית, מתכות פלטינה הן המתכות האידיאליות ביותר עבור אלקטרודות אלקטרוליזה במים, אך בפועל, לרוב נעשה שימוש באלקטרודות ברזל מצופות ניקל כדי להפחית את עלויות הציוד והייצור. כאשר מים עוברים אלקטרוליזה, נוסחת תגובת האלקטרודה היא כדלקמן [3]. בתמיסה חומצית, תגובת קתודה: 4H++4e=2H2∏=0V תגובת האנודה: 2H2O =4H++O2+4e∏ =1.23V בתמיסה אלקלית, תגובת קתודה: 4H2O +4e=2H2+4OH∏=-0.828V תגובת האנודה: 4OH-=2 H2O+O2+4e∏=0.401V כפי שניתן לראות מהנוסחה לעיל, התגובה הכוללת של אלקטרוליזה במים היא כדלקמן, בין אם בתמיסה חומצית או אלקלית. 2H2O=2H2+O2 למתח הפירוק התיאורטי של מים אין שום קשר לערך ה-pH, ולכן ניתן להשתמש בתמיסות חומציות או אלקליות כאלקטרוליטים. עם זאת, מנקודת המבט של מבנה התא האלקטרוליטי ובחירת החומרים, השימוש בתמיסות חומציות חשוף לתקלות שונות. לכן, פתרונות אלקליין משמשים כיום בתעשייה.
(1) טכנולוגיית אלקטרוליזה אלקלינית מסורתית אלקטרוליזה של מים אלקליין היא כיום שיטה נפוצה ובוגרת להכנת מימן. שיטה זו אינה מצריכה ציוד גבוה, וההשקעה מתרכזת בעיקר בציוד; המימן המיוצר הוא בטוהר גבוה, אך היעילות אינה גבוהה במיוחד. התהליך גם יחסית ידידותי לסביבה וללא זיהום, אך הוא צורך הרבה חשמל ולכן נתון למגבלות מסוימות. הלחץ של אלקטרוליזה מים בתעשייה הוא בדרך כלל בין 1.65 ל-2.2 וולט. חיי השירות של חומר האלקטרודה וצריכת האנרגיה של אלקטרוליזה במים הם גורמי מפתח בהערכת האיכות של חומרי אלקטרודה אלקטרוליזה מים אלקליין. כאשר צפיפות הזרם אינה גדולה, הגורם המשפיע העיקרי הוא פוטנציאל היתר; כאשר צפיפות הזרם עולה, פוטנציאל היתר וירידה במתח ההתנגדות הופכים לגורמים העיקריים של צריכת האנרגיה. ביישומים מעשיים, אלקטרודות תעשייתיות צריכות להיות בעלות התכונות הבאות [3]: (1) שטח פנים גבוה; (2) מוליכות גבוהה; (3) פעילות אלקטרוקטליטית טובה; (4) יציבות מכנית וכימית לטווח ארוך; (5) משקעי בועות קטנות; (6) סלקטיביות גבוהה; (7) קל להשגה ובעלות נמוכה; (8) בטיחות. אלקטרוליזה של מים דורשת לעיתים קרובות צפיפות זרם גדולה יותר (מעל 4000 A/m2), ולכן נקודות 2 ו-4 חשובות יותר. מכיוון שמוליכות גבוהה יכולה להפחית את אובדן האנרגיה הנגרם מקיטוב אוהם, יציבות גבוהה מבטיחה את אורך החיים הארוך של חומרי האלקטרודה. 1 ו-3 הם הדרישות להפחתת פוטנציאל היתר של התפתחות מימן וחמצן, והם גם אינדיקטורים חשובים להערכת ביצועי האלקטרודות.
(2) אלקטרוליט פולימר מוצק טכנולוגיית אלקטרוליזת מים SPE מכיוון שהאלקטרוליזטור עם נוזל כאלקטרוליט הוא בעל יעילות נמוכה, לא נוח להזזה ולעיתים קרובות דורש תחזוקה, אנשים מחפשים באופן אקטיבי אחר אלקטרוליטים חדשים, מה שגרם לפיתוח ומחקר יישום של פולימר מוצק אלקטרוליט (SPE), הידוע גם בשם ממברנת חילופי פרוטונים (PEM). נכון לעכשיו, האלקטרוליזר משתמש בממברנת חומצה פרפלואורוסולפונית מוצקה של Nafion כאלקטרוליט. האלקטרודה משתמשת במתכות יקרות או בתחמוצות שלהן בעלות ביצועים קטליטיים גבוהים, אשר נעשות בצורת אבקה עם שטח פנים ספציפי גדול, והן מחוברות ונלחצות משני צידי הממברנה של Nafion באמצעות טפלון ליצירת שילוב יציב של ממברנה ואלקטרודה.
(3) תהליך אלקטרוליזה בקיטור בטמפרטורה גבוהה שיטה נוספת להפקת מימן באמצעות אלקטרוליזה במים היא אלקטרוליזה בקיטור בטמפרטורה גבוהה. זוהי שיטה הנגזרת מתאי דלק תחמוצת מוצק. תא האלקטרוליזה משתמש בדרך כלל ב-Y2O3-מיוצב ב-ZrO2 בתור האלקטרוליט. ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, ההתנגדות נמוכה יותר. עם זאת, מנקודת המבט של עמידות החום של החומר, גבול הטמפרטורה העליון הוא רצוי 1000 מעלות. בדרך כלל, גוף סינטר מעורב של ניקל וקרמיקה משמש כקתודה, ותחמוצת סידן טיטניום מורכבת מוליכה משמשת כאנודה.
2. פיתוח ייצור מימן ביולוגי הנושא של שימוש במיקרואורגניזמים לייצור מימן נחקר במשך עשרות שנים. בשנות ה-30 דווח על הדיווח הראשון על תסיסה כהה חיידקית לייצור מימן. לאחר מכן, בשנת 1942, גפרון ורובין דיווחו כי אצות ירוקות השתמשו באנרגיית אור לייצור מימן, ובשנת 1949 גילו גסט וקמן חיידקים פוטטרופיים המייצרים מימן. Spruit אישרה בשנת 1958 שאצות יכולות לייצר מימן באמצעות פוטוליזה ישירה ללא צורך בקיבוע של פחמן דו חמצני. המחקר של Healy (1970) הראה שכאשר עוצמת האור גבוהה מדי, תהליך ייצור המימן של Chlamydomonas moewsuii יעוכב עקב ייצור חמצן. במהלך משבר האנרגיה בשנות ה-70, נעשו מחקרים רבים על ייצור ביו-מימן ברחבי העולם. תאואר ציין ב-1976 שהתסיסה כהה הייתה קשה ליישום בייצור בפועל מכיוון שהיא יכולה לייצר רק 4 מול מימן ו-2 מול חומצה אצטית ממול 1 גלוקוז לכל היותר. חיידקים פוטטרופיים יכולים להמיר לחלוטין מצעים כמו חומצות אורגניות למימן, ולכן מאז, המחקר על ייצור ביו-מימן התמקד בעצם בפוטופרמנטציה. בתחילת שנות ה-80, התמיכה באנרגיה מתחדשת בתוכניות מחקר ופיתוח (מו"פ) ברחבי העולם ירדה בהדרגה. בתחילת שנות ה-90, בעיות סביבתיות הפכו יותר ויותר חמורות, ותשומת הלב של האנשים התמקדה באנרגיה חלופית. עם תמיכה של מו"פ לייצור ביומימן בגרמניה, יפן וארצות הברית, תחום האצות המשתמשות באנרגיית אור להפקת מימן ממים נחקר רבות. עם זאת, יעילות המרת האנרגיה הסולארית הכוללת בתהליך זה עדיין נמוכה מאוד. מצד שני, תסיסה כהה וחיידקים פוטוטרופיים יכולים לייצר מימן ממצעים זולים או מפסולת אורגנית. מכיוון שהוא יכול גם לייצר אנרגיה נקייה וגם לטפל בפסולת אורגנית, ממשלות ארה"ב ויפן תמכו במספר תוכניות מחקר ארוכות טווח. צפוי שהיישום המעשי של טכנולוגיית ייצור הביו-מימן יתממש באמצע המאה ה-21. חלפה יותר מחצי מאה מאז גילוי ייצור המימן המיקרוביאלי, אך ייצור ביומימן לא יושם בפועל. בעיות טכניות רבות, כמו סינון מיקרואורגניזמים, תכנון כורים ואופטימיזציה של תנאי ההפעלה, נותרו לפתור, וגם העלות של טכנולוגיה זו זכתה לתשומת לב. מבחינה כלכלית, טכנולוגיית ייצור מימן ביו לא יכולה להתחרות בטכנולוגיית ייצור מימן כימית מסורתית בעתיד הקרוב. עם זאת, מנקודת המבט של הגנת הסביבה, הסיכויים לייצור ביומימן יהיו רחבים מאוד. ייצור ביו-מימן כולל: מערכת לייצור ביו-מימן פוטוסינתטי (הידועה גם כמערכת ייצור מימן ביופוטוליזה ישירה); מערכת ייצור ביו-מימן בפוטוליזה (הידועה גם כמערכת ייצור מימן ביו-פוטוליזה עקיפה); חיידקים הטרוטרופיים פוטוסינתטיים המרה גז מים מערכת ייצור מימן; מערכת ייצור ביו מימן פוטו-תסיסה; מערכת ייצור ביו-מימן תסיסה אנאירובית (הידועה גם כמערכת ייצור ביו-מימן תסיסה כהה); מערכת ייצור ביומימן היברידית של פוטוסינתזה-תסיסה; מערכת ייצור ביו-מימן של הידרוגנז במבחנה וכו'. אנרגיית מימן היא מקור אנרגיה נקי ובעל ערך קלורי גבוה. שימוש במשאבי מים מתחדשים בטבע להפקת מימן היא ללא ספק השיטה המועדפת על האנושות בעתיד.
לאחר יותר מחצי מאה של מחקר, למרות שייצור מימן באלקטרוליזה במים וטכנולוגיית ייצור ביו-מימן התקדמו מאוד, הם עדיין בעצם בשלב הפיתוח וטרם הוכנסו לשימוש מעשי. גורמים מגבילים שונים כגון יעילות המרת אנרגיה סולארית נמוכה, צריכת אנרגיה גבוהה של ייצור מימן אלקטרוליזה במים, עיכוב מוצר, תנאי הפעלה וכו' הופכים את קצב ייצור המימן של מערכות ייצור מימן קיימות לא גבוה מספיק או לא חסכוני, וצווארי בקבוק רבים אחרים צריכים לפרוץ עוד יותר. על מנת להוזיל עוד יותר את עלויות הייצור ולהרחיב את יעילות הייצור, נתכונן לפעילות מסחרית עתידית.
חברה: Baoji Dynamic Trading Co., Ltd
מדינה: סין
הוסף: דרך באוטי, ג'ינטאי, עיר באוג'י, שאאנשי, סין
Cel:+86 18391894207(WHATSAPP)
Gmail:alisa@jmyunti.com
אתר אינטרנט: www.jm-titanium.com
