Hidrogênio da água do mar

OS CIENTISTAS desenvolveram um sistema que pode produzir hidrogénio verde diretamente a partir da água do mar, sem a necessidade de quaisquer processos de pré-tratamento, como a dessalinização. A equipe por trás do desenvolvimento, que envolve a introdução de uma camada de ácido de Lewis em um catalisador de óxido de metal de transição, afirma que o método apresenta alto potencial para aplicação comercial.

Mais de 97% da água na superfície da Terra é água salgada nos oceanos, 2% é armazenada como água doce nas calotas polares, glaciares e cadeias de montanhas cobertas de neve, e apenas 1% está disponível para as nossas necessidades diárias de abastecimento de água.

 
A água salina pode ser transformada em água potável através de um processo chamado dessalinização, uma técnica da qual algumas áreas ao redor do mundo dependem para produzir água doce para consumo humano e para uso doméstico e industrial. Mas a dessalinização é um processo que exige muita energia e, pior ainda, é muitas vezes alimentado por fontes de energia insustentáveis.

A divisão da água em suas partes constituintes também é bem compreendida. O processo – conhecido como eletrólise – utiliza uma corrente contínua entre dois eletrodos imersos em um eletrólito para dividir a água em hidrogênio e oxigênio. O hidrogênio é formado no cátodo, ou eletrodo negativo, e o oxigênio no eletrodo positivo, ou ânodo.

Como uma mistura de gases pode explodir, a maioria dos eletrolisadores separa o ânodo e o cátodo com uma folha plástica espessa e porosa, e catalisadores metálicos como níquel e ferro são usados ​​para acelerar as reações.

Reunir ambos os processos, nomeadamente a dessalinização da água do mar e depois dividi-la para criar hidrogénio, tem sido aclamado há muito tempo como uma das melhores soluções para fornecer combustível limpo e acessível para energia, que por sua vez poderia abastecer tudo, desde a electricidade de uma cidade, até à produção de energia. aço, produção de fertilizantes e até como combustível para aviões – a lista de utilizações potenciais é longa.

No entanto, uma das razões pelas quais ainda não utilizamos combustível de hidrogénio para voar à volta do mundo é que a água salgada e outras impurezas corroem os eléctrodos, encurtando a sua vida útil. Como esses componentes são normalmente feitos de metais raros, como a platina, é muito caro substituí-los continuamente. Os íons cloreto na água do mar também são um problema e as reações de eletrooxidação do cloro (ClOR) competem com a reação de evolução do oxigênio (REA) no ânodo durante a eletrólise. Esta reação resulta na liberação de espécies de cloro tóxicas e corrosivas, como o hipoclorito. O hipoclorito é relativamente instável, pode liberar gás cloro tóxico quando misturado com amônia ou ácido e também pode corroer o aço inoxidável.

Para contornar esta situação, a água do mar poderia ser dessalinizada e purificada antes de ser processada, mas isto também nem sempre é financeiramente viável. Outra opção é revestir os eletrodos com poliânions para suprimir a corrosão, mas isso também pode ser caro.

Poucas soluções climáticas apresentam desvantagens. O hidrogénio “verde”, produzido a partir da utilização de energia renovável para dividir as moléculas de água, poderia alimentar veículos pesados ​​e descarbonizar indústrias como a siderúrgica, sem emitir um único sopro de dióxido de carbono. Mas como as máquinas de separação de água, ou electrolisadores, são concebidas para funcionar com água pura, a expansão do hidrogénio verde poderia exacerbar a escassez global de água doce. Agora, várias equipas de investigação estão a relatar avanços na produção de hidrogénio diretamente a partir da água do mar, o que poderá tornar-se uma fonte inesgotável de hidrogénio verde.

Hoje, quase todo o hidrogénio é produzido pela decomposição do metano, queimando combustíveis fósseis para gerar o calor e a pressão necessários. Ambas as etapas liberam dióxido de carbono. O hidrogénio verde poderia substituir este hidrogénio sujo, mas neste momento custa mais do dobro, cerca de 5 dólares por quilograma. Isso se deve em parte ao alto custo dos eletrolisadores, que dependem de catalisadores feitos de metais preciosos. O Departamento de Energia dos EUA lançou recentemente um esforço de uma década para melhorar os eletrolisadores e reduzir o custo do hidrogénio verde para 1 dólar por quilograma.

Se tiverem sucesso e a produção de hidrogénio verde disparar, a pressão poderá aumentar sobre o abastecimento mundial de água doce. Gerar 1 quilograma de hidrogênio por meio da eletrólise requer cerca de 10 quilogramas de água. O funcionamento de camiões e de indústrias-chave com hidrogénio verde poderia exigir cerca de 25 mil milhões de metros cúbicos de água doce por ano, o equivalente ao consumo de água de um país com 62 milhões de habitantes, segundo a Agência Internacional de Energias Renováveis.

A água do mar é quase ilimitada, mas dividi-la traz seus próprios problemas. Os eletrolisadores são construídos como baterias, com um par de eletrodos rodeados por um eletrólito aquoso. Em um projeto, os catalisadores no cátodo dividem as moléculas de água em íons hidrogênio (H+) e hidroxila (OH-). O excesso de elétrons no cátodo junta pares de íons de hidrogênio em gás hidrogênio (H2), que borbulha para fora da água. Os íons OH-, por sua vez, viajam através de uma membrana entre os eletrodos para chegar ao ânodo, onde os catalisadores transformam o oxigênio em gás oxigênio (O2) que é liberado.

Quando a água do mar é usada, no entanto, o mesmo choque elétrico que gera O2 no ânodo também converte os íons cloreto da água salgada em gás cloro altamente corrosivo, que corrói os eletrodos e os catalisadores. Isso normalmente faz com que os eletrolisadores falhem em apenas algumas horas, quando normalmente podem operar por anos.

O hidrogênio é um produto químico versátil usado para a produção de muitos produtos, incluindo fertilizantes. O hidrogénio é também um componente chave da tecnologia de células de combustível, que aproveita a eletricidade produzida por fontes de energia renováveis ​​mas intermitentes, como a solar e a eólica. A maior parte do hidrogénio produzido em todo o mundo deriva de um processo no qual o metano é exposto ao calor e ao vapor para produzir hidrogénio.

O hidrogénio também pode ser produzido a partir da eletrólise da água, que utiliza eletricidade para dividir as moléculas de água em hidrogénio e oxigénio, alimentado por fontes renováveis, como a solar e a eólica. Mas há um problema. A eletrólise requer água muito limpa que tenha sido desionizada, o que significa que todas as impurezas, minerais e partículas eletronicamente carregadas devem primeiro ser removidas. Os processos convencionais de purificação de água requerem equipamentos caros e podem resultar em perda de energia.

Pesquisadores do Departamento de Saúde Ambiental e Engenharia da Universidade Johns Hopkins, em colaboração com a Penn State University, descobriram uma maneira de usar a água do mar como fonte direta de hidrogênio, sem necessidade de dessalinização preliminar. Seus resultados aparecem em Ciência e Tecnologia Ambiental.

“Descobrimos que podemos usar membranas compostas de película fina, que são usadas para purificar água salgada, em eletrolisadores de água, dividindo a água em gás hidrogênio e oxigênio, evitando a produção de gás cloro prejudicial, o que acontece com outros tipos de membrana.”
Em seu estudo, Rossi e colegas testaram membranas compostas de película fina diretamente no eletrolisador - um dispositivo que usa eletricidade para dividir a água em hidrogênio e oxigênio - realizando em uma única etapa a purificação da água e a produção de hidrogênio. Eles descobriram que a microestrutura porosa do material permitia que apenas pequenos prótons e íons hidróxido migrassem através da membrana, rejeitando impurezas e outros íons que podem produzir reações indesejáveis. Os pesquisadores dizem que esta nova abordagem poderia substituir os sistemas convencionais, onde membranas caras de troca iônica são usadas em combinação com alimentações de água ultrapura.

"As membranas baratas de dessalinização de água podem ser uma alternativa às membranas mais caras à base de polímeros e podem ser usadas para a produção de hidrogênio a partir de fontes de água de baixo teor, como a água do mar", disse Rossi. “O resultado é um processo eficiente de produção de hidrogênio a partir de fontes de energia renováveis ​​que elimina a necessidade de purificação de água”.

Ele observou que a água do mar é um desafio para uso em eletrolisadores devido à sua alta salinidade. No entanto, é abundante e está disponível em locais como zonas costeiras, onde pode ser gerada electricidade renovável, como a solar e a eólica, mas onde há baixa disponibilidade de água doce. Nesses locais, outras fontes de água de baixo teor, tais como águas residuais, poderiam potencialmente ser utilizadas em vez da água do mar neste processo.

A equipe financiada pela National Science Foundation dos EUA integrou a tecnologia de purificação de água em um novo projeto de prova de conceito para um eletrolisador de água do mar, que usa uma corrente elétrica para separar o hidrogênio e o oxigênio nas moléculas de água.

Este novo método de “divisão da água do mar” poderia tornar mais fácil transformar a energia eólica e solar num combustível armazenável e portátil, de acordo com Bruce Logan, engenheiro ambiental.

“O hidrogênio é um ótimo combustível, mas é preciso produzi-lo”, disse Logan. "A única maneira sustentável de fazer isso é usar energia renovável e produzi-la a partir da água. Também é preciso usar água que as pessoas não querem usar para outras coisas, e isso seria a água do mar. Portanto, o Santo Graal da produção de hidrogénio seria combinar a água do mar e a energia eólica e solar encontradas em ambientes costeiros e offshore."

Apesar da abundância de água do mar, ela não é comumente usada para separação de água. A menos que a água seja dessalinizada antes de entrar no eletrolisador, uma etapa extra cara, os íons cloreto na água do mar se transformam em gás cloro tóxico, que degrada o equipamento e se infiltra no meio ambiente.

Para evitar isso, os pesquisadores inseriram uma membrana fina e semipermeável, originalmente desenvolvida para purificar água no processo de tratamento por osmose reversa. A membrana de osmose reversa substituiu a membrana de troca iônica comumente usada em eletrolisadores.
“A ideia por trás da osmose reversa é colocar uma pressão muito alta na água e empurrá-la através da membrana e manter os íons cloreto para trás”, disse Logan.

Através de uma série de experimentos publicados na Energy & Environmental Science, os pesquisadores testaram duas membranas de osmose reversa disponíveis comercialmente e duas membranas de troca catiônica, um tipo de membrana de troca iônica que permite o movimento de todos os íons carregados positivamente no sistema.

A energia limpa é uma prioridade máxima para países em todo o mundo. Embora a energia convencional dependa de combustíveis fósseis como carvão, gás natural e petróleo, a energia limpa vem em várias formas, como solar, eólica, geotérmica, hidrelétrica e biomassa.

O hidrogénio também é uma opção líder de armazenamento de energia para energias renováveis ​​e poderia ajudar a reduzir os elevados níveis de emissões de carbono.
A pesquisa atual sugere que a eletrólise da água salgada – o processo de divisão da água em oxigênio e hidrogênio – é uma solução viável para os desafios comuns da eletrólise da água doce. A eletrólise da água do mar poderia produzir hidrogénio sustentável sem agravar a escassez global de água doce.

De acordo com o Centro de Dados de Combustíveis Alternativos do Departamento de Energia dos Estados Unidos, o hidrogénio puro é um elemento abundante na Terra que se mostra muito promissor no apoio à transição para energias limpas, sustentáveis ​​e renováveis.

Depois que o hidrogênio é produzido, ele pode gerar eletricidade em uma célula de combustível e emitir apenas vapor d'água e ar quente. Como o hidrogénio não liberta quaisquer gases com efeito de estufa, óxidos de azoto, hidrocarbonetos ou outras partículas, não afecta negativamente o ambiente.
O hidrogénio tem outros benefícios que ajudarão a criar uma economia de energia limpa. É uma solução energética ideal em áreas normalmente difíceis de descarbonizar. Aumenta a confiabilidade e a resiliência da rede elétrica moderna. Também pode melhorar a saúde pública e o estado do meio ambiente.

Além disso, pode aumentar o número de oportunidades de emprego e de segurança energética nas indústrias globais. Pode ajudar a indústria dos transportes a tornar-se mais sustentável e apoiar a mudança para veículos eléctricos (VE). E pode contribuir para o aumento das receitas e fortalecer a economia mundial.

Um desafio que aumenta os custos associados à produção de hidrogénio verde é que os eletrolisadores requerem água ultrapura. Isso dificulta a eletrólise tradicional da água salgada porque muitas fontes de água estão cheias de contaminantes.
Embora a EPA tenha requisitos rigorosos para a água devido à presença de chumbo, cloro e bactérias, isso não significa necessariamente que toda a água esteja livre de contaminantes.

Eletrólise da água do mar
A pesquisa de eletrólise da água do mar surgiu no início do século XIX. Embora os cientistas tenham feito avanços na produção de hidrogénio, este nunca ganhou força ou se tornou uma solução energética viável. No século 20, o hidrogênio foi extraído principalmente do gás natural e usado para alimentar carros, ônibus, dirigíveis e foguetes.

Embora a utilização deste hidrogénio fosse viável, a sua produção exigia muita energia e contribuía para as emissões de carbono, uma das principais causas das alterações climáticas. Além disso, algumas cidades filtram os resíduos sólidos municipais com tecnologia de células de combustível de hidrogénio, que produz hidrogénio e evita a contaminação derivada de resíduos no abastecimento de água local.

Vários investigadores e cientistas estão a desenvolver tecnologias avançadas utilizando a eletrólise da água do mar para evitar estes desafios. Se estas tecnologias funcionarem corretamente, produzirão hidrogénio sustentável sem utilizar recursos de água doce ou contribuir para as emissões de carbono.

Os produtos são vendidos em todas as regiões da China e exportados para países ao redor do mundo. Eles foram vendidos em mais de 20 países e regiões, incluindo Estados Unidos, Alemanha, Marrocos, Quênia, Arábia Saudita, Vietnã, Argélia, Índia, Tanzânia e Taiwan. Forneceu com sucesso empresas conhecidas, como China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Speciality, Tony Electronics, Zheng Energy Group e outras empresas conhecidas. Existem muitas estações de hidrogenação de hidrogênio verde, como Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming, etc., que fornecem projetos verdes e de produção de hidrogênio.