Elettrolisi dell'acqua per produrre H2 e O2
Gli anodi di titanio, le parti fondamentali delle apparecchiature elettrolitiche per idrogeno e ossigeno, hanno una qualità stabile, sono rispettosi dell'ambiente e non presentano inquinamento secondario, basso sovrapotenziale, buon effetto di risparmio energetico e possono risparmiare il 15-20% di energia. Sono disponibili forme a piastra, a rete, a tubo e parti a forma speciale.
1. Progressi della ricerca sulla produzione di idrogeno mediante elettrolisi dell'acqua La produzione di idrogeno mediante elettrolisi dell'acqua è un mezzo importante per ottenere una preparazione industriale ed a basso costo di H2 e può produrre prodotti con una purezza compresa tra il 99% e il 99,9%. Ogni anno, il consumo di elettricità del mio Paese per la produzione di idrogeno mediante elettrolisi dell'acqua raggiunge più di (1,5×107) kW·h. Quando la corrente passa tra gli elettrodi, al catodo viene prodotto idrogeno, all’anodo viene prodotto ossigeno e l’acqua viene elettrolizzata [2]. La parte principale dell'apparecchiatura per la produzione di idrogeno per elettrolisi dell'acqua è la cella elettrolitica e il materiale dell'elettrodo è la chiave della cella elettrolitica. La qualità delle prestazioni degli elettrodi determina in gran parte la tensione della cella e il consumo energetico dell'elettrolisi dell'acqua e influisce direttamente sui costi. L’efficienza nel fornire elettricità per decomporre l’acqua per produrre idrogeno è generalmente compresa tra il 75% e l’85%. Il processo è semplice e non inquinante, ma il consumo energetico è elevato, quindi la sua applicazione è soggetta ad alcune restrizioni. L'elettrolisi dell'acqua viene effettuata in una cella elettrolitica riempita di elettrolita e divisa in una camera anodica e una camera catodica da un diaframma. Gli elettrodi sono posizionati in ciascuna camera. Poiché l'acqua ha una conduttività molto bassa, viene utilizzata una soluzione acquosa (concentrazione di circa il 15%) con elettrolita. Quando la corrente passa tra gli elettrodi ad una certa tensione, viene prodotto idrogeno al catodo e ossigeno all'anodo, ottenendo così l'elettrolisi dell'acqua. In teoria, i metalli di platino sono i metalli più ideali per gli elettrodi per l'elettrolisi dell'acqua, ma in pratica gli elettrodi di ferro nichelato vengono spesso utilizzati per ridurre i costi di attrezzatura e produzione. Quando l'acqua viene elettrolizzata, la formula di reazione dell'elettrodo è la seguente [3]. In soluzione acida, reazione del catodo: 4H++4e=2H2∏=0V Reazione dell'anodo: 2H2O =4H++O2+4e∏ =1.23V In soluzione alcalina, reazione catodica: 4H2O +4e=2H2+4OH∏=-0.828V Reazione anodica: 4OH-=2 H2O+O2+4e∏=0.401V Come si può vedere dalla formula sopra, la reazione complessiva dell'elettrolisi dell'acqua è la seguente, sia in soluzione acida che alcalina. 2H2O=2H2+O2 La tensione di decomposizione teorica dell'acqua non ha nulla a che fare con il valore del pH, quindi come elettroliti possono essere utilizzate soluzioni acide o alcaline. Tuttavia, dal punto di vista della struttura della cella elettrolitica e della selezione dei materiali, l'uso di soluzioni acide è soggetto a vari difetti. Pertanto, le soluzioni alcaline vengono ora utilizzate nell'industria.
(1) Tecnologia tradizionale dell'elettrolisi alcalina L'elettrolisi dell'acqua alcalina è attualmente un metodo comune e maturo per la preparazione dell'idrogeno. Questo metodo non richiede attrezzature elevate e l'investimento è concentrato principalmente nelle attrezzature; l'idrogeno prodotto è di elevata purezza, ma l'efficienza non è molto elevata. Il processo è anche relativamente rispettoso dell’ambiente e non inquinante, ma consuma molta elettricità ed è quindi soggetto ad alcune limitazioni. La pressione dell'elettrolisi dell'acqua nell'industria è generalmente compresa tra 1,65 e 2,2 V. La durata del materiale dell'elettrodo e il consumo energetico dell'elettrolisi dell'acqua sono fattori chiave nella valutazione della qualità dei materiali degli elettrodi per l'elettrolisi dell'acqua alcalina. Quando la densità di corrente non è elevata, il principale fattore che influenza è la sovratensione; quando la densità di corrente aumenta, la caduta di tensione di sovratensione e resistenza diventano i principali fattori di consumo energetico. Nelle applicazioni pratiche, gli elettrodi industriali dovrebbero avere le seguenti caratteristiche [3]: (1) elevata area superficiale; (2) alta conduttività; (3) buona attività elettrocatalitica; (4) stabilità meccanica e chimica a lungo termine; (5) precipitazione di piccole bolle; (6) alta selettività; (7) facile da ottenere e a basso costo; (8) sicurezza. L'elettrolisi dell'acqua richiede spesso una densità di corrente maggiore (superiore a 4000 A/m2), quindi i punti 2 e 4 sono più importanti. Poiché l'elevata conduttività può ridurre la perdita di energia causata dalla polarizzazione ohmica, l'elevata stabilità garantisce la lunga durata dei materiali degli elettrodi. 1 e 3 rappresentano i requisiti per ridurre il sovrapotenziale dell'evoluzione di idrogeno e ossigeno e sono anche indicatori importanti per valutare le prestazioni degli elettrodi.
(2) Tecnologia di elettrolisi dell'acqua SPE con elettrolita polimerico solido Poiché l'elettrolizzatore con liquido come elettrolita ha una bassa efficienza, è scomodo da spostare e spesso richiede manutenzione, le persone sono attivamente alla ricerca di nuovi elettroliti, il che ha spinto allo sviluppo e alla ricerca applicativa di polimeri solidi elettrolita (SPE), noto anche come membrana a scambio protonico (PEM). Attualmente, l'elettrolizzatore utilizza una membrana solida di acido perfluorosolfonico Nafion come elettrolita. L'elettrodo utilizza metalli preziosi o loro ossidi con elevate prestazioni catalitiche, che vengono trasformati in polvere con un'ampia superficie specifica e vengono incollati e pressati su entrambi i lati della membrana Nafion utilizzando Teflon per formare una combinazione stabile di membrana ed elettrodo.
(3) Processo di elettrolisi del vapore ad alta temperatura Un altro metodo per produrre idrogeno mediante elettrolisi dell'acqua è l'elettrolisi del vapore ad alta temperatura. Questo è un metodo derivato dalle celle a combustibile a ossido solido. La camera di elettrolisi utilizza generalmente ZrO2 stabilizzato con Y2O3-come elettrolita. Maggiore è la temperatura, minore è la resistenza. Tuttavia, dal punto di vista della resistenza al calore del materiale, il limite di temperatura superiore è preferibilmente di 1000 gradi. Di solito, come catodo viene utilizzato un corpo sinterizzato misto di nichel e ceramica e come anodo viene utilizzato un ossido composito conduttivo di calcio e titanio.
2. Sviluppo della produzione biologica di idrogeno Il tema dell'utilizzo di microrganismi per produrre idrogeno è oggetto di studio da decenni. Negli anni '30 fu segnalato il primo caso di fermentazione batterica oscura per produrre idrogeno. Successivamente, nel 1942, Gaffron e Rubin riferirono che le alghe verdi utilizzavano l'energia luminosa per produrre idrogeno e nel 1949 Gest e Kamen scoprirono batteri fototrofici produttori di idrogeno. Spruit confermò nel 1958 che le alghe possono produrre idrogeno attraverso la fotolisi diretta senza la necessità di fissare l'anidride carbonica. La ricerca di Healy (1970) ha dimostrato che quando l'intensità della luce è troppo elevata, il processo di produzione di idrogeno di Chlamydomonas moewsuii viene inibito a causa della produzione di ossigeno. Durante la crisi energetica degli anni ’70, furono condotte molte ricerche sulla produzione di bioidrogeno in tutto il mondo. Thauer sottolineò nel 1976 che la fermentazione oscura era difficile da applicare nella produzione effettiva perché poteva produrre solo 4 moli di idrogeno e 2 moli di acido acetico da 1 mole di glucosio al massimo. I batteri fototrofici possono convertire completamente substrati come gli acidi organici in idrogeno, quindi da allora la ricerca sulla produzione di bioidrogeno si è concentrata essenzialmente sulla fotofermentazione. All’inizio degli anni ’80, il sostegno alle energie rinnovabili nei programmi di ricerca e sviluppo (R&S) in tutto il mondo è gradualmente diminuito. All'inizio degli anni '90, i problemi ambientali stavano diventando sempre più seri e l'attenzione della gente si era concentrata sulle energie alternative. Con il supporto della ricerca e sviluppo sulla produzione di bioidrogeno in Germania, Giappone e Stati Uniti, il campo delle alghe che utilizzano l’energia luminosa per produrre idrogeno dall’acqua è stato ampiamente studiato. Tuttavia, l’efficienza complessiva di conversione dell’energia solare in questo processo è ancora molto bassa. D’altro canto, la fermentazione oscura e i batteri fototrofici possono produrre idrogeno da substrati a basso costo o rifiuti organici. Poiché può produrre energia pulita e trattare i rifiuti organici, i governi degli Stati Uniti e del Giappone hanno sostenuto diversi programmi di ricerca a lungo termine. Si prevede che l’applicazione pratica della tecnologia di produzione del bioidrogeno verrà realizzata verso la metà del 21° secolo. È passato più di mezzo secolo dalla scoperta della produzione microbica di idrogeno, ma la produzione di bioidrogeno non è stata applicata nella pratica. Rimangono da risolvere molti problemi tecnici, come lo screening dei microrganismi, la progettazione dei reattori e l’ottimizzazione delle condizioni operative, e anche il costo di questa tecnologia ha ricevuto attenzione. Dal punto di vista economico, la tecnologia di produzione del bioidrogeno non potrà competere con la tradizionale tecnologia di produzione chimica dell’idrogeno nel prossimo futuro. Tuttavia, dal punto di vista della protezione ambientale, le prospettive per la produzione di bioidrogeno saranno molto ampie. La produzione di bioidrogeno comprende: sistema di produzione di bioidrogeno fotosintetico (noto anche come sistema di produzione di idrogeno con biofotolisi diretta); sistema di produzione di bioidrogeno per fotolisi (noto anche come sistema di produzione di idrogeno per biofotolisi indiretta); batteri eterotrofi fotosintetici reazione di conversione del gas d'acqua sistema di produzione di idrogeno; sistema di produzione di bioidrogeno per fotofermentazione; sistema di produzione di bioidrogeno a fermentazione anaerobica (noto anche come sistema di produzione di bioidrogeno a fermentazione oscura); sistema ibrido di produzione di bioidrogeno fotosintesi-fermentazione; sistema di produzione di bioidrogeno idrogenasi in vitro, ecc. L'energia dell'idrogeno è una fonte di energia pulita e ad alto potere calorifico. L’utilizzo delle risorse idriche rinnovabili presenti in natura per produrre idrogeno è senza dubbio il metodo preferito dall’umanità in futuro.
Dopo più di mezzo secolo di ricerca, sebbene la tecnologia di produzione dell'idrogeno tramite elettrolisi dell'acqua e la produzione di bioidrogeno abbiano fatto grandi progressi, sono ancora sostanzialmente in fase di sviluppo e non sono ancora state messe in pratica. Vari fattori restrittivi come la bassa efficienza di conversione dell’energia solare, l’elevato consumo di energia della produzione di idrogeno per elettrolisi dell’acqua, l’inibizione del prodotto, le condizioni operative, ecc. rendono il tasso di produzione di idrogeno dei sistemi di produzione di idrogeno esistenti non sufficientemente elevato o non economico, e molti altri colli di bottiglia necessitano essere ulteriormente sfondato. Al fine di ridurre ulteriormente i costi di produzione ed espandere l’efficienza produttiva, ci prepareremo per le future operazioni commerciali.
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