Водород является важнейшим компонентом в производстве тысяч обычных продуктов, от пластика до удобрений, но производство чистого водорода дорого и энергоемко. Теперь группа исследователей из Принстонского университета использовала солнечный свет для выделения водорода из промышленных сточных вод.
В статье, опубликованной 19 февраля в журнале Energy & Environmental Science, исследователи сообщили, что их процесс удвоил принятый в настоящее время показатель для масштабируемых технологий, производящих водород путем расщепления воды.
В этом методе используется специально разработанная камера с интерфейсом из черного кремния «швейцарский сыр» для разделения воды и выделения газообразного водорода. Этому процессу способствуют бактерии, которые генерируют электрический ток при потреблении органических веществ в сточных водах; течение, в свою очередь, способствует процессу расщепления воды.
Команда под руководством Чжиёна Джейсона Рена, профессора гражданского и экологического проектирования и Центра энергетики и окружающей среды Андлингера, выбрала для теста сточные воды пивоваренных заводов. Они пропускали сточные воды через камеру, использовали лампу, имитирующую солнечный свет, и наблюдали за распадом органических соединений и образованием пузырьков водорода.
Процесс «позволяет нам очищать сточные воды и одновременно производить топливо», - сказал Цзин Гу, соавтор исследования и доцент кафедры химии и биохимии в Университете штата Сан-Диего.
Исследователи заявили, что технология может подойти нефтеперерабатывающим и химическим заводам, которые обычно производят собственный водород из ископаемого топлива и сталкиваются с высокими затратами на очистку сточных вод.
Исторически производство водорода основывалось на нефти, газе или угле, а также на энергоемком методе, который включает переработку углеводородного сырья паром. Затем производители химических веществ объединяют газообразный водород с углеродом или азотом для создания ценных химических веществ, таких как метанол и аммиак. Они входят в состав синтетических волокон, удобрений, пластмасс и чистящих средств, а также других товаров повседневного спроса.
Хотя водород можно использовать в качестве автомобильного топлива, химическая промышленность в настоящее время является крупнейшим производителем и потребителем водорода. Согласно отчету Управления энергетической информации США за 2016 год, производство химикатов в высокоразвитых странах требует больше энергии, чем производство железа, стали, металлов и продуктов питания. По оценкам отчета, производство основных химикатов останется главным потребителем энергии в промышленности в течение следующих двух десятилетий.
«Это беспроигрышная ситуация для химической и других отраслей промышленности», - сказал Лу Лу, первый автор исследования и младший научный сотрудник Центра Андлингера.«Они могут сэкономить на очистке сточных вод и сэкономить на потреблении энергии за счет этого процесса создания водорода».
По словам исследователей, это первый случай, когда настоящие сточные воды, а не лабораторные растворы, использовались для производства водорода с помощью фотокатализа. Команда производила газ непрерывно в течение четырех дней, пока не закончились сточные воды, что, по словам исследователей, важно, потому что аналогичные системы, производящие химические вещества из воды, исторически выходили из строя после пары часов использования. Исследователи измерили выработку водорода, отслеживая количество электронов, вырабатываемых бактериями, которое напрямую коррелирует с количеством вырабатываемого водорода. Измерение было на самом высоком уровне для аналогичных лабораторных экспериментов и, по словам Рена, вдвое выше, чем у технологий с потенциалом масштабирования для промышленного использования.
Рен сказал, что считает эту технологию масштабируемой, потому что камера, используемая для выделения водорода, является модульной, и несколько из них могут быть объединены друг с другом для обработки большего количества сточных вод и производства большего количества водорода.
Хотя анализ жизненного цикла еще не проведен, исследователи заявили, что процесс будет, по крайней мере, энергетически нейтральным, если не энергетически положительным, и устранит потребность в ископаемом топливе для производства водорода.
Исследователи заявили, что в будущем они, вероятно, будут экспериментировать с производством большего количества водорода и других газов и с нетерпением ждут внедрения этой технологии в промышленность.