O nouă metodă purifică hidrogenul din amestecurile grele de monoxid de carbon

Rafinarea metalelor, fabricarea îngrășămintelor și alimentarea pilelor de combustie pentru vehicule grele sunt toate procese care necesită o metodă prin care se purifică hidrogenul.

Dar purificarea sau separarea hidrogenului dintr-un amestec de gaze poate fi dificilă și necesită mai multe etape. O echipă de cercetare condusă de Chris Arges, profesor asociat de inginerie chimică la Penn State, a demonstrat că procesul poate fi simplificat folosind o pompă echipată cu materiale membranare nou dezvoltate, potrivit Tech Xplore.

• Cum putem să prevenim osteoporoza
• Studiu: Persoanele născute fără simțul mirosului respiră diferit

Cercetătorii au folosit o pompă electrochimică de hidrogen atât pentru a separa, cât și pentru a comprima hidrogenul, cu o rată de recuperare de 85% din amestecurile de gaze combustibile cunoscute sub numele de gaz de sinteză și o rată de recuperare de 98,8% din fluxul convențional de ieșire din reactorul de schimbare a apei gazoase, cea mai mare valoare înregistrată vreodată.

Echipa a detaliat abordarea ei în ACS Energy Letters.

Cum se purifică hidrogenul în mod obișnuit?

Metodele tradiționale prin care se purifică hidrogenul folosesc un reactor de schimbare a apei gazoase, care implică o etapă suplimentară, spune Arges. Reactorul de schimbare a gazului transformă mai întâi monoxidul de carbon în dioxid de carbon, care este apoi trimis printr-un proces de absorbție pentru a separa hidrogenul de acesta. Apoi, hidrogenul purificat este presurizat folosind un compresor, pentru utilizare imediată sau pentru depozitare.

Cheia, a spus Arges, este utilizarea membranelor de electroliți polimeri selectivi pentru protoni la temperatură înaltă sau PEM, care pot separa rapid și rentabil hidrogenul de dioxid de carbon și monoxid de carbon și alte molecule de gaz.

Pompa PEM

Pompa electrochimică, echipată cu PEM și alte materiale noi dezvoltate de Arges, este mai eficientă decât metodele convenționale deoarece separă și comprimă simultan hidrogenul din amestecurile de gaze.

De asemenea, poate funcționa la temperaturi de 200 până la 250 de grade Celsius (cu 20-70 de grade mai mari decât alte pompe electrochimice de tip PEM de temperatură înaltă) ceea ce îi îmbunătățește capacitatea cu care purifică hidrogenul.

„Acesta este o modalitate eficientă și cu potențial de economisire a costurilor de a purifica hidrogenul, mai ales când există un conținut mare de monoxid de carbon”, a spus Arges.

„Nimeni nu a purificat vreodată hidrogenul în această măsură cu o alimentare cu gaz care conținea mai mult de 3% monoxid de carbon folosind o pompă electrochimică de hidrogen și am realizat acest lucru cu amestecuri care constau în până la 40% monoxid de carbon folosind o clasă relativ nouă de PEM de temperatură înaltă și materiale de liant ionomer de electrozi”, a adăugat el.

Cum funcționează sistemul?

Pentru a realiza separarea, echipa lui Arges a creat un electrod „sandviș”, unde electrozii cu sarcini opuse formează „pâinea”, iar membrana este „conținutul de carne”. Materialele de liant ionomer al electrodului sunt concepute pentru a ține electrozii împreună, precum glutenul din pâine.

În pompă, electrodul încărcat pozitiv (sau „felia de pâine”), descompune hidrogenul în doi protoni și doi electroni. Protonii trec prin membrană („carnea”), în timp ce electronii călătoresc în exterior prin pompă folosind un fir care atinge electrodul încărcat pozitiv. Protonii călătoresc apoi prin membrană până la electrodul încărcat negativ și se recombină cu electronii pentru a reforma hidrogenul.

PEM funcționează permițând trecerea protonilor, dar împiedicând trecerea moleculelor mai mari de monoxid de carbon, dioxid de carbon, metan și azot, explică Arges. Pentru ca electrozii să funcționeze eficient în pompa de hidrogen, Arges și echipa sa au sintetizat un liant special de ionomer de acid fosfonic care acționează ca un adeziv pentru a menține particulele electrodului împreună.

„Liantul este eficient pentru realizarea unui electrod poros, robust din punct de vedere mecanic, care permite transportul gazului, astfel încât hidrogenul să poată reacționa pe suprafața electrocatalizatorului în timp ce transportă protoni către și din membrană”, a spus Arges.

Utilitatea creării de noi moduri în care se purifică hidrogenul

Cercetătorii intenționează să investigheze modul în care abordarea și instrumentele lor vor ajuta la purificarea hidrogenului atunci când este stocat în conductele de gaz natural existente.

Distribuirea și stocarea hidrogenului în acest mod nu a fost niciodată realizată, dar prezintă un mare interes, spune Arges. El a explicat că hidrogenul ar putea ajuta la generarea de energie electrică prin intermediul unor pile de combustie sau generatoare cu turbină pentru a sprijini sistemele bazate pe energie solară sau eoliană și o varietate de aplicații mai durabile.

„Provocarea este că hidrogenul trebuie stocat la concentrații scăzute în conductă, mai puțin de 5%, pentru că poate degrada conducta, dar aplicațiile finale necesită hidrogen pur de peste 99%”, a spus Arges.

Vă recomandăm să citiți și:

Avertismentul experților: Nu mai purtați pandantive „anti-5G” radioactive

Noi cercetări ne-au adus aproape de aprinderea prin fuziune

Vaci „învățate să meargă la toaletă”, într-un experiment pentru reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră

MOXIE, un mic prototip auriu, va produce în curând oxigen pe Marte. Tehnologia poate revoluționa explorarea spațială umană