Với việc giảm giá năng lượng tái tạo, người ta ngày càng quan tâm đến việc tìm cách tiết kiệm năng lượng một cách kinh tế. Pin có thể xử lý các đợt tăng sản lượng trong thời gian ngắn, nhưng có thể không xử lý được tình trạng thiếu điện trong thời gian dài hoặc các thay đổi theo mùa trong sản xuất điện. Hydrogen là một trong số các lựa chọn đang được xem xét có khả năng đóng vai trò là cầu nối dài hạn giữa các giai đoạn năng suất năng lượng tái tạo cao.
Nhưng hydro có vấn đề riêng của nó. Thu được nó bằng cách tách nước là khá kém hiệu quả từ quan điểm năng lượng và việc lưu trữ nó trong thời gian dài có thể khó khăn. Hầu hết các chất xúc tác sản xuất hydro cũng hoạt động tốt nhất với nước sạch—không nhất thiết phải là loại sẵn có vì biến đổi khí hậu làm gia tăng cường độ hạn hán.
Một nhóm các nhà nghiên cứu ở Trung Quốc đã phát triển một thiết bị có thể sản xuất hydro từ nước biển – trên thực tế, nó cần phải có trong nước biển để thiết bị hoạt động. Khái niệm chính đằng sau công việc của anh ấy sẽ quen thuộc với bất kỳ ai hiểu cách thức hoạt động của hầu hết quần áo chống thấm nước.
Quần áo thoáng khí, không thấm nước dựa vào lớp màng có lỗ chân lông được cấu trúc cẩn thận. Màng được làm bằng vật liệu đẩy lùi nước. Nó có lỗ chân lông, nhưng chúng quá nhỏ để nước lỏng đi qua. Nhưng chúng đủ lớn để các phân tử nước riêng lẻ có thể đi qua chúng. Do đó, nước ở bên ngoài quần áo vẫn ở đó, nhưng mồ hôi ở bên trong bay hơi vẫn sẽ chảy qua vải và tìm đường ra thế giới bên ngoài. Kết quả là vải thở được.
Một màng như vậy là trung tâm cho hoạt động của thiết bị mới. Nó không truyền nước lỏng qua màng, nhưng nó truyền hơi nước. Sự khác biệt lớn là nước lỏng nằm ở cả hai mặt của màng.
Bên ngoài - nước biển với một bộ muối tiêu chuẩn. Bên trong là dung dịch đậm đặc của một loại muối - trong trường hợp này là kali hydroxit (KOH) - tương thích với quá trình điện phân tạo ra hydro. Được nhúng trong dung dịch KOH là một bộ điện cực tạo ra hydro và oxy ở cả hai phía của thiết bị phân tách, giữ cho các dòng khí sạch.
Điều gì xảy ra sau khi thiết bị bắt đầu hoạt động? Khi nước bên trong thiết bị phân tách để tạo ra hydro và oxy, mực nước giảm sẽ làm tăng nồng độ của dung dịch muối ăn da (ban đầu đậm đặc hơn nhiều so với nước biển). Điều này làm cho việc di chuyển nước qua màng nước biển để pha loãng KOH trở nên tiết kiệm năng lượng. Và, nhờ các lỗ chân lông, điều này là có thể, nhưng chỉ khi nước di chuyển dưới dạng hơi nước.
Kết quả là khi ở bên trong màng, nước duy trì ở trạng thái hơi trong một thời gian ngắn, sau đó nhanh chóng chuyển thành chất lỏng ngay khi đi vào thiết bị. Tất cả hỗn hợp muối phức tạp chứa trong nước biển vẫn ở bên ngoài màng và một dòng nước ngọt liên tục được cung cấp cho các điện cực phân tách nó. Điều quan trọng là tất cả những điều này xảy ra mà không sử dụng năng lượng thường được sử dụng trong quá trình khử muối, làm cho quá trình tổng thể tiết kiệm năng lượng hơn so với xử lý nước để sử dụng trong máy điện phân tiêu chuẩn.
Về nguyên tắc, tất cả điều này nghe có vẻ tuyệt vời, nhưng nó có thực sự hiệu quả không? Để tìm hiểu, nhóm đã lắp ráp thiết bị và thử nghiệm nó trong nước biển của Vịnh Thâm Quyến (một vịnh phía bắc Hồng Kông và Ma Cao). Và bằng hầu hết mọi biện pháp hợp lý, nó đã hoạt động tốt.
Nó duy trì hiệu suất ngay cả sau 3200 giờ sử dụng và kính hiển vi điện tử của màng sau khi sử dụng cho thấy các lỗ chân lông vẫn không bị chặn ở giai đoạn này. KOH được sử dụng cho hệ thống không hoàn toàn tinh khiết nên nó chứa hàm lượng ion thấp có trong nước biển. Nhưng các mức này không tăng theo thời gian, khẳng định hệ thống không cho nước biển vào buồng điện phân. Về mức tiêu thụ năng lượng, hệ thống sử dụng gần giống như một máy điện phân tiêu chuẩn, xác nhận rằng việc xử lý nước không yêu cầu bất kỳ chi phí năng lượng nào.
Dung dịch KOH cũng tự cân bằng, với sự khuếch tán của nước vào thiết bị sẽ chậm lại nếu dung dịch bên trong của nó trở nên quá loãng. Nếu nó trở nên quá đậm đặc, hiệu quả của quá trình điện phân giảm xuống, do đó quá trình loại bỏ nước sẽ chậm lại.
Các tác giả ước tính rằng thiết bị của họ có thể hoạt động dưới áp suất nước biển ở độ sâu lên tới 75 m. °C.
Ngay cả với tất cả những tin tốt này, vẫn có những cơ hội để cải thiện hiệu suất. Các loại muối khác ngoài KOH đều tốt và một số có thể hoạt động tốt hơn. Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng việc kết hợp KOH vào hydrogel xung quanh các điện cực làm tăng sản xuất hydro. Cuối cùng, việc thay đổi vật liệu hoặc cấu trúc của các điện cực được sử dụng trong quá trình tách nước có thể đẩy nhanh quá trình hơn nữa.
Cuối cùng, nhóm nghiên cứu gợi ý rằng nó có thể hữu ích cho nhiều mục đích hơn là chỉ sản xuất hydro. Thay vì nước biển, họ ngâm một trong các thiết bị vào dung dịch lithium pha loãng và nhận thấy rằng sau 200 giờ hoạt động, nồng độ lithium tăng hơn 40 lần do nước xâm nhập vào thiết bị. Có nhiều bối cảnh khác, chẳng hạn như xử lý nước bị ô nhiễm, trong đó khả năng tập trung này có thể hữu ích.
Điều này không giải quyết được tất cả các vấn đề liên quan đến việc sử dụng hydro làm nguồn dự trữ năng lượng. Nhưng nó chắc chắn có khả năng cho phép chúng ta loại bỏ "nhu cầu về nước sạch" khỏi danh sách các vấn đề này.
Bạn có thể giúp Ukraine chiến đấu chống lại những kẻ xâm lược Nga, cách tốt nhất để làm điều này là quyên góp quỹ cho Lực lượng vũ trang Ukraine thông qua Cuộc sống tiết kiệm hoặc thông qua trang chính thức NBU.
Cũng thú vị: