Laut einer Gruppe von Forschern der University of Pennsylvania könnte die Kraft von Sonne, Wind und Meer bald zusammenkommen, um umweltfreundlichen Wasserstoffkraftstoff zu produzieren. Das Team integrierte Wasserreinigungstechnologie in ein neues experimentelles Projekt Meerwasser-Elektrolyseur, das einen elektrischen Strom verwendet, um Wasserstoff und Sauerstoff in Wassermolekülen zu trennen.
Laut Bruce Logan, Professor für Umwelttechnik an der Kappa und Professor an der Evan Pugh University, könnte diese neue Methode der „Meerwasserspaltung“ die Umwandlung von Wind- und Sonnenenergie in speicherbare und tragbare Brennstoffe erleichtern.
„Wasserstoff ist ein großartiger Brennstoff, aber man muss ihn bekommen“, sagte Logan. - Der einzig nachhaltige Weg, dies zu tun, ist die Nutzung erneuerbarer Energien und deren Erzeugung aus Wasser. Sie müssen auch Wasser verwenden, das die Menschen nicht für andere Zwecke verwenden möchten, und das wäre Meerwasser. Der Heilige Gral der Wasserstoffproduktion musste also Meerwasser, Wind- und Sonnenenergie kombinieren, die in Küsten- und Meeresumgebungen zu finden sind.“
Trotz des Reichtums an Meerwasser wird es normalerweise nicht zur Wassertrennung verwendet. Wird das Wasser vor der Einspeisung in den Elektrolyseur nicht entsalzt – ein teurer Zusatzschritt – verwandeln sich die Chlorionen im Meerwasser in giftiges Chlorgas, das die Anlagen zerstört und in die Umwelt sickert.
Um dies zu verhindern, fügten die Forscher eine dünne, halbdurchlässige Membran ein, die ursprünglich zur Reinigung von Wasser in der Umkehrosmose (RO)-Behandlung entwickelt wurde. Die Umkehrosmosemembran hat die üblicherweise in Elektrolyseuren verwendete Ionenaustauschermembran ersetzt.
„Die Idee hinter der Umkehrosmose ist, dass man wirklich hohen Druck auf das Wasser ausübt, es durch die Membran drückt und die Chlorionen zurückhält“, sagte Logan.
Im Elektrolyseur dringt das Meerwasser nicht mehr durch die Umkehrosmosemembran, sondern wird von ihr zurückgehalten. Die Membran wird verwendet, um Reaktionen zu trennen, die in der Nähe von zwei eingetauchten Elektroden – einer positiv geladenen Anode und einer negativ geladenen Kathode – stattfinden, die an eine externe Stromquelle angeschlossen sind. Wenn der Strom eingeschaltet wird, beginnen sich Wassermoleküle an der Anode zu spalten, wobei winzige Wasserstoffionen, sogenannte Protonen, freigesetzt werden und Sauerstoffgas entsteht. Die Protonen passieren dann die Membran und verbinden sich mit Elektronen an der Kathode zu Wasserstoffgas.
Wenn eine Umkehrosmosemembran installiert ist, bleibt das Meerwasser auf der Kathodenseite und die Chlorionen sind zu groß, um durch die Membran zu passieren und die Anode zu erreichen, wodurch die Bildung von Chlorgas verhindert wird.
Aber bei der Wasserspaltung werden, wie Logan betonte, andere Salze absichtlich im Wasser gelöst, um es leitfähig zu machen. Die Ionenaustauschmembran, die Ionen durch elektrische Ladung filtert, lässt Salzionen passieren. Es gibt keine Umkehrosmosemembran.
Da die Bewegung größerer Ionen durch die RO-Membran begrenzt ist, mussten die Forscher testen, ob die winzigen Protonen, die sich durch die Poren bewegen, ausreichen, um einen hohen elektrischen Strom aufrechtzuerhalten.
In einer Reihe von Experimenten testeten die Forscher zwei kommerziell erhältliche Umkehrosmosemembranen und zwei Kationenaustauschermembranen, eine Art Ionenaustauschermembran, die die Bewegung aller positiv geladenen Ionen im System ermöglicht. Jeder von ihnen wurde auf den Widerstand der Membran gegen die Bewegung von Ionen getestet. Außerdem wurde der Energiebedarf zur Vervollständigung der Reaktionen berechnet, die Bildung von gasförmigem Wasserstoff und Sauerstoff überwacht, die Wechselwirkung mit Chlorionen und Schäden an der Membran analysiert.
Die Forscher erhielten kürzlich von der National Science Foundation (NSF) ein Stipendium in Höhe von 300 US-Dollar, um die Forschung zur Meerwasserelektrolyse fortzusetzen. Logan hofft, dass ihre Forschung eine entscheidende Rolle bei der Reduzierung der Kohlendioxidemissionen weltweit spielen wird.
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