מי ים מימן

מדענים פיתחו מערכת שיכולה לייצר מימן ירוק ישירות ממי ים ללא צורך בתהליכי טיפול מקדים כמו התפלה. הצוות מאחורי הפיתוח, הכולל הכנסת שכבת חומצה לואיס על זרז תחמוצת מתכת מעבר, אומר שהשיטה מראה פוטנציאל גבוה ליישום מסחרי.

למעלה מ-97% מהמים על פני כדור הארץ הם מים מלוחים באוקיינוסים, 2% מאוחסנים כמים מתוקים במכסות קרח, קרחונים וברכסי הרים מושלגים, ורק 1% זמין לצרכי אספקת המים היומיומיים שלנו.

 
ניתן להפוך מים מלוחים למים ראויים לשתייה באמצעות תהליך הנקרא התפלה, טכניקה שחלק מהאזורים בעולם מסתמכים עליה להפקת מים מתוקים לצריכה אנושית ולשימוש ביתי ותעשייתי. אבל התפלה היא תהליך שדורש אנרגיה, וגרוע מכך היא מופעלת לעתים קרובות על ידי מקורות אנרגיה שאינם ברי קיימא.

גם פיצול מים לחלקים המרכיבים אותם מובן היטב. התהליך - המכונה אלקטרוליזה - משתמש בזרם ישר בין שתי אלקטרודות הטבולות באלקטרוליט כדי לפצל מים למימן וחמצן. מימן נוצר בקתודה, או אלקטרודה שלילית, וחמצן באלקטרודה החיובית, או האנודה.

מכיוון שתערובת של הגזים עלולה להתפוצץ, רוב האלקטרוליזים מפרידים את האנודה והקתודה עם יריעת פלסטיק עבה ונקבובי, וזרזי מתכת כגון ניקל וברזל משמשים להאצת התגובות.

חיבור שני התהליכים הללו יחד, כלומר התפלת מי ים, ולאחר מכן פיצולם ליצירת מימן נחשב זה מכבר כאחד הפתרונות הטובים ביותר לספק דלק נקי ובמחיר סביר לאנרגיה, שבתורו יוכל להניע כל דבר, החל מחשמל של עיר וכלה בהפקה פלדה, לייצור דשן, ואפילו כדלק למטוסים - רשימת השימושים הפוטנציאליים היא ארוכה.

עם זאת, אחת הסיבות שאנחנו כבר לא משתמשים בדלק מימן כדי לטוס מסביב לעולם, היא שמי מלח וזיהומים אחרים פוגעים באלקטרודות, ומקצרים את חייהן. מכיוון שרכיבים אלה עשויים בדרך כלל ממתכות נדירות כגון פלטינה, זה עולה יותר מדי כדי להמשיך להחליף אותם. יוני כלוריד במי ים הם גם בעיה ותגובות אלקטרו-חמצון כלור (ClOR) מתחרות בתגובת התפתחות חמצן (OER) על האנודה במהלך אלקטרוליזה. תגובה זו גורמת לשחרור מיני כלור רעילים ומאכלים כגון היפוכלוריט. היפוכלוריט הוא יחסית לא יציב, הוא יכול לשחרר גז כלור רעיל כאשר הוא מעורבב עם אמוניה או חומצה והוא יכול גם לאכול את הנירוסטה.

כדי לעקוף את זה, ניתן היה להתפל ולטהר את מי הים לפני עיבודם, אך גם זה לא תמיד משתלם כלכלית. אפשרות נוספת היא לצפות את האלקטרודות בפוליאנונים כדי לדכא קורוזיה, אך גם זה עלול לעלות ביוקר.

מעט פתרונות אקלים מגיעים ללא חסרונות. מימן "ירוק", המיוצר על ידי שימוש באנרגיה מתחדשת לפיצול מולקולות מים, יכול להניע כלי רכב כבדים ולשחרר תעשיות כמו ייצור פלדה מבלי להוציא ריח של פחמן דו חמצני. אבל מכיוון שמכונות פיצול המים, או האלקטרוליזרים, נועדו לעבוד עם מים טהורים, הגדלת המימן הירוק עלולה להחמיר את המחסור העולמי במים מתוקים. כעת, מספר צוותי מחקר מדווחים על התקדמות בהפקת מימן ישירות ממי ים, שעלולים להפוך למקור בלתי נדלה של מימן ירוק.

כיום, כמעט כל המימן נוצר על ידי פירוק מתאן, שריפת דלקים מאובנים כדי לייצר את החום והלחץ הדרושים. שני השלבים משחררים פחמן דו חמצני. מימן ירוק יכול להחליף את המימן המלוכלך הזה, אבל כרגע הוא עולה יותר מפי שניים, בערך 5 דולר לקילוגרם. זה נובע בחלקו מהעלות הגבוהה של אלקטרוליזרים, המסתמכים על זרזים העשויים ממתכות יקרות. משרד האנרגיה האמריקאי השיק לאחרונה מאמץ בן עשור לשיפור האלקטרוליזרים ולהורדת עלות המימן הירוק ל-1 דולר לק"ג.

אם יצליחו וייצור המימן הירוק יזנק, הלחץ עלול להתבסס על אספקת המים המתוקים בעולם. יצירת ק"ג אחד של מימן באמצעות אלקטרוליזה לוקחת כ-10 ק"ג מים. הפעלת משאיות ותעשיות מפתח על מימן ירוק עשויה לדרוש בערך 25 מיליארד מטרים מעוקבים של מים מתוקים בשנה, שווה ערך לצריכת המים של מדינה עם 62 מיליון איש, על פי הסוכנות הבינלאומית לאנרגיה מתחדשת.

מי הים הוא כמעט בלתי מוגבל, אבל פיצול שלהם מגיע עם בעיות משלו. אלקטרוליזרים בנויים בדומה לסוללות, עם זוג אלקטרודות מוקף באלקטרוליט מימי. בתכנון אחד, זרזים בקתודה מפצלים מולקולות מים ליוני מימן (H+) והידרוקסיל (OH-). עודף אלקטרונים בקתודה תופרים זוגות של יוני מימן לגז מימן (H2), שמבעבע החוצה מהמים. יוני OH-, בינתיים, עוברים דרך ממברנה בין האלקטרודות כדי להגיע לאנודה, שם זרזים עורכים את החמצן לגז חמצן (O2) המשתחרר.

עם זאת, כאשר משתמשים במי ים, אותה טלטלה חשמלית שיוצרת O2 באנודה הופכת גם את יוני הכלוריד במי מלח לגז כלור מאכל מאוד, שאוכל את האלקטרודות והזרזים. זה בדרך כלל גורם לאלקטרוליזרים להיכשל תוך שעות בלבד כאשר הם יכולים לפעול בדרך כלל במשך שנים.

מימן הוא כימיקל רב תכליתי המשמש לייצור מוצרים רבים, כולל דשנים. מימן הוא גם מרכיב מרכזי בטכנולוגיית תאי הדלק, אשר רותמת את החשמל המיוצר ממקורות אנרגיה מתחדשים אך לסירוגין כמו שמש ורוח. רוב המימן המיוצר ברחבי העולם נובע מתהליך שבו מתאן נחשף לחום ולאדים כדי להניב מימן.

מימן יכול להיות מופק גם מאלקטרוליזה של מים, המשתמשת בחשמל לפיצול מולקולות מים למימן וחמצן המופעלים על ידי מקורות מתחדשים כמו שמש ורוח. אבל יש מלכוד. אלקטרוליזה דורשת מים נקיים מאוד שעברו דהיון, כלומר יש להסיר תחילה את כל הזיהומים, המינרלים והחלקיקים הטעונים אלקטרונית. תהליכי טיהור מים קונבנציונליים דורשים ציוד יקר ועלולים לגרום לאובדן אנרגיה.

חוקרים במחלקה לבריאות והנדסה סביבתית של אוניברסיטת ג'ונס הופקינס, בשיתוף עם אוניברסיטת פן סטייט, מצאו דרך להשתמש במי ים כמקור ישיר למימן, ללא צורך בהתפלה מקדימה. התוצאות שלהם מופיעות ב- Environmental Science & Technology.

"מצאנו שאנחנו יכולים להשתמש בממברנות מרוכבות של סרט דק, המשמשות לטיהור מי מלח, באלקטרוליזרי מים, פיצול המים לגז מימן וחמצן, תוך הימנעות מהפקת גז כלור מזיק, מה שקורה עם סוגי ממברנות אחרים".
במחקרם, רוסי ועמיתיו בדקו ממברנות מרוכבות של סרט דק ישירות במכשיר האלקטרוליזר - מכשיר שמשתמש בחשמל כדי לפצל מים למימן ולחמצן, תוך ביצוע בשלב אחד גם טיהור מים וגם ייצור מימן. הם גילו שהמיקרו-מבנה הנקבובי של החומר אפשר רק לפרוטונים קטנים ויוני הידרוקסיד לנדוד על פני הממברנה, ודוחה זיהומים ויונים אחרים שיכולים לייצר תגובות לא רצויות. החוקרים אומרים שגישה חדשה זו יכולה להחליף מערכות קונבנציונליות, שבהן נעשה שימוש בממברנות חילופי יונים יקרות בשילוב עם הזנות מים טהורים במיוחד.

"ממברנות התפלת מים זולות יכולות להוות חלופה לממברנות יקרות יותר על בסיס פולימרים וניתן להשתמש בהן לייצור מימן ממקורות מים ברמה נמוכה כמו מי ים", אמר רוסי. "התוצאה היא תהליך ייצור מימן יעיל ממקורות אנרגיה מתחדשים שמבטל את הצורך בטיהור מים".

הוא ציין כי מי ים מאתגר לשימוש באלקטרוליזרים בגלל המליחות הגבוהה שלהם. עם זאת, הוא קיים בשפע וזמין במקומות כמו אזורי חוף, שבהם ניתן לייצר חשמל מתחדש כמו שמש ורוח, אך שבהם יש זמינות נמוכה של מים מתוקים. במקומות כאלה, מקורות מים בדרגה נמוכה אחרים, כגון מי שפכים, עשויים לשמש במקום מי ים בתהליך זה.

הצוות הממומן על ידי קרן המדע הלאומי של ארה"ב שילב טכנולוגיית טיהור מים בעיצוב חדש של הוכחת קונספט עבור אלקטרוליזר מי ים, המשתמש בזרם חשמלי כדי לפצל את המימן והחמצן במולקולות המים.

שיטה חדשה זו ל"פיצול מי ים" עשויה להקל על הפיכת אנרגיית הרוח והשמש לדלק שניתן לאחסן ונייד, לדברי ברוס לוגן, מהנדס סביבה.

"מימן הוא דלק נהדר, אבל אתה חייב לעשות אותו," אמר לוגן. "הדרך הקיימת היחידה לעשות זאת היא להשתמש באנרגיה מתחדשת ולהפיק אותה ממים. אתה צריך גם להשתמש במים שאנשים לא רוצים להשתמש בהם לדברים אחרים, ואלה יהיו מי ים. אז הגביע הקדוש של הפקת מימן יהיה לשלב את מי הים ואת אנרגיית הרוח והשמש שנמצאים בסביבות החוף והחוף".

למרות שפע מי הים, לא נעשה בהם שימוש נפוץ לפיצול מים. אלא אם כן המים מותפלים לפני הכניסה לאלקטרוליזר, צעד נוסף יקר, יוני הכלוריד במי הים הופכים לגז כלור רעיל, שמפרק את הציוד ומחלחל לסביבה.

כדי למנוע זאת, הכניסו החוקרים קרום דק, חדיר למחצה, שפותח במקור לטיהור מים בתהליך הטיפול באוסמוזה הפוכה. קרום האוסמוזה ההפוכה החליפה את קרום חילופי היונים הנפוץ באלקטרוליזרים.
"הרעיון מאחורי אוסמוזה הפוכה הוא שאתה מפעיל לחץ ממש גבוה על המים ודוחף אותם דרך הממברנה ושומר את יוני הכלוריד מאחור", אמר לוגן.

באמצעות סדרת ניסויים שפורסמה ב-Energy & Environmental Science, החוקרים בדקו שתי ממברנות אוסמוזה הפוכה זמינות מסחרית ושתי ממברנות לחילופי קטיון, סוג של קרום חילופי יונים המאפשר תנועה של כל היונים הטעונים חיובית במערכת.

אנרגיה נקייה היא בראש סדר העדיפויות של מדינות ברחבי העולם. בעוד שהכוח הקונבנציונלי מסתמך על דלקים מאובנים כמו פחם, גז טבעי ונפט, אנרגיה נקייה מגיעה בצורות שונות כמו שמש, רוח, גיאותרמית, הידרואלקטרית וביומסה.

מימן, גם הוא אפשרות מובילה לאחסון אנרגיה עבור אנרגיה מתחדשת ויכול לעזור להפחית את הרמות הגבוהות של פליטת פחמן.
מחקרים עדכניים מראים כי אלקטרוליזה של מים מלוחים - תהליך פיצול מים לחמצן ומימן - היא פתרון בר-קיימא לאתגרים הנפוצים של אלקטרוליזה של מים מתוקים. אלקטרוליזה של מי ים יכולה לייצר מימן בר קיימא מבלי להחמיר את המחסור העולמי במים מתוקים.

על פי מרכז הנתונים לדלק חלופי של מחלקת האנרגיה של ארצות הברית, מימן טהור הוא יסוד בשפע על פני כדור הארץ שמראה הבטחה גדולה בתמיכה במעבר לאנרגיה נקייה, בת קיימא ומתחדשת.

לאחר הפקת המימן, הוא יכול לייצר חשמל בתא דלק ופולט רק אדי מים ואוויר חם. מכיוון שמימן אינו משחרר גזי חממה, תחמוצות חנקן, פחמימנים או חומר חלקיקי אחר, הוא אינו משפיע לרעה על הסביבה.
למימן יתרונות נוספים שיעזרו ליצור משק אנרגיה נקייה. זהו פתרון אנרגיה אופטימלי באזורים מאתגרים בדרך כלל להפחתת פחמן. זה מגביר את האמינות והחוסן של רשת החשמל המודרנית. זה יכול גם לשפר את בריאות הציבור ואת מצב הסביבה.

בנוסף, זה יכול להגדיל את מספר הזדמנויות התעסוקה וביטחון אנרגטי בתעשיות גלובליות. זה יכול לעזור לתעשיית התחבורה להיות בת קיימא יותר ולתמוך במעבר לכלי רכב חשמליים (EVs). וזה יכול לתרום להגדלת ההכנסות ולחזק את הכלכלה העולמית.

אתגר אחד שמגדיל את העלויות הכרוכות בייצור מימן ירוק הוא שהאלקטרוליזרים דורשים מים טהורים במיוחד. זה מקשה על אלקטרוליזה מסורתית של מי מלח מכיוון שמקורות מים רבים מלאים במזהמים.
למרות של-EPA יש דרישות מחמירות למים בשל נוכחותם של עופרת, כלור וחיידקים, אין זה אומר בהכרח שכל המים נקיים ממזהמים.

אלקטרוליזה של מי ים
מחקר אלקטרוליזה של מי ים התפתח בתחילת המאה ה-19. למרות שמדענים התקדמו בייצור מימן, הוא מעולם לא זכה למשיכה או הפך לפתרון אנרגיה בר-קיימא. במאה ה-20, מימן הופק בעיקר מגז טבעי ושימש להנעת מכוניות, אוטובוסים, רחפנים ורקטות.

בעוד השימוש במימן זה היה אפשרי, ייצורו היה עתיר אנרגיה ותרם לפליטת פחמן, אחד הגורמים העיקריים לשינויי אקלים. בנוסף, חלק מהערים מסננות פסולת עירונית מוצקה באמצעות טכנולוגיית תאי דלק מימן, המייצרת מימן ומונעת זיהום שמקורו בפסולת באספקת מים מקומית.

חוקרים ומדענים שונים מפתחים טכנולוגיות מתקדמות באמצעות אלקטרוליזה של מי ים כדי להימנע מאתגרים אלו. אם הטכנולוגיות הללו יפעלו כראוי, הן ייצרו מימן בר-קיימא מבלי להשתמש במשאבי מים מתוקים או לתרום לפליטת פחמן.

המוצרים נמכרים בכל אזורי סין ומיוצאים למדינות ברחבי העולם. הם נמכרו ביותר מ-20 מדינות ואזורים כולל ארצות הברית, גרמניה, מרוקו, קניה, ערב הסעודית, וייטנאם, אלג'יריה, הודו, טנזניה וטייוואן. סיפק בהצלחה ארגונים ידועים כמו China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group ומפעלים ידועים אחרים. ישנן תחנות הידרוגנציית מימן ירוקות רבות כגון Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming וכו' מספקות פרויקטים ירוקים ויצירת מימן.