Theo nhóm các nhà nghiên cứu Penn State, nước biển kết hợp với mặt trời và gió có thể tạo ra nhiên liệu hydro sạch. Nhóm nghiên cứu đã tích hợp công nghệ lọc nước vào một thiết kế mới cho thiết bị điện phân nước biển, sử dụng dòng điện để tách hydro và oxy trong phân tử nước.
Theo Bruce Logan, Giáo sư Kỹ thuật Môi trường Kappe và Giáo sư Đại học Evan Pugh, phương pháp mới “tách nước biển” này có thể giúp chuyển đổi dễ dàng hơn năng lượng gió và mặt trời thành nhiên liệu cho lưu trữ và vận chuyển.
Logan nói: “Hydro là một loại nhiên liệu tuyệt vời, nhưng bạn phải tạo ra nó. Con đường để đến với nguồn năng lượng bền vững duy nhất là sử dụng năng lượng tái tạo và sản xuất từ nước. Bạn cũng cần sử dụng nước mà mọi người không muốn sử dụng cho những việc khác, và đó sẽ là nước biển. Vì vậy, chén thánh của việc sản xuất hydro sẽ là sự kết hợp giữa nước biển với gió và năng lượng mặt trời được tìm thấy trong môi trường ven biển và ngoài khơi".
Mặc dù chúng ta có lượng nước biển rất dồi dào, nhưng nó không được sử dụng phổ biến để tách nước. Nếu nước không được khử muối trước khi đi vào máy điện phân - một bước bổ sung với chi phí khá cao - các ion clorua trong nước biển chuyển thành khí clo độc hại, làm suy giảm thiết bị và thấm ra môi trường.
Để ngăn chặn điều này, các nhà nghiên cứu đã chèn một màng mỏng, bán thấm, ban đầu được phát triển để lọc nước trong quy trình xử lý thẩm thấu ngược (RO). Màng RO đã thay thế màng trao đổi ion thường được sử dụng trong máy điện giải.
Logan cho biết: “Ý tưởng với màng RO là bạn đặt một áp suất thực sự cao lên nước và đẩy nó qua màng và giữ các ion clorua ở lại”.
Trong máy điện giải, nước biển sẽ không còn được đẩy qua màng RO nữa mà được chứa ở bên trong máy. Một màng được sử dụng để giúp ngăn cách các phản ứng xảy ra gần hai điện cực chìm - một cực dương tích điện dương và một cực âm tích điện âm - được nối với nhau bằng nguồn điện bên ngoài. Khi bật nguồn điện, các phân tử nước bắt đầu tách ra ở cực dương, giải phóng các ion hydro nhỏ gọi là proton và tạo ra khí oxy. Các proton sau đó đi qua màng và kết hợp với các electron ở cực âm để tạo thành khí hydro.
Với màng RO được lắp vào, nước biển được giữ lại ở phía cực âm và các ion clorua quá lớn không thể đi qua màng và đến cực dương, ngăn cản quá trình sản sinh khí clo.
Nhưng trong quá trình tách nước, Logan lưu ý, các muối khác được cố ý hòa tan trong nước để giúp nó dẫn điện. Màng trao đổi ion, lọc các ion bằng điện tích, cho phép các ion muối đi qua. Màng RO thì không.
-
- Hình ảnh minh họa cách chuyển động của ion bị ảnh hưởng bởi màng thẩm thấu ngược (RO) so với màng trao đổi cation. Các ion clorua từ nước biển không thể đi qua màng RO và bị oxy hóa thành khí clo. (Ảnh: Nhóm nghiên cứu Logan)
Logan cho biết: “Màng RO ức chế chuyển động của muối, nhưng cách duy nhất bạn tạo ra dòng điện trong mạch là do các ion tích điện trong nước di chuyển giữa hai điện cực’’.
Với sự hạn chế di chuyển của các ion lớn hơn bởi màng RO, các nhà nghiên cứu cần xem liệu có đủ proton nhỏ di chuyển qua các lỗ để giữ dòng điện cao hay không.
Logan nói: “Về cơ bản, chúng tôi phải chứng minh rằng những gì trông giống như một con đường nhỏ nhưng thực tế đó lại là một con đường rộng lớn. Chúng tôi phải chứng minh rằng chúng tôi có thể nhận được một lượng lớn dòng điện qua hai điện cực khi có một lớp màng giữa chúng không cho phép các ion muối di chuyển qua lại".
Thông qua một loạt các thí nghiệm được công bố gần đây trên Tạp chí Năng lượng & Khoa học Môi trường (Energy & Environmental Science), các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm hai màng RO và hai màng trao đổi cation, một loại màng trao đổi ion cho phép chuyển động của tất cả các ion tích điện dương trong hệ thống.
Mỗi loại đều được kiểm tra khả năng chống chuyển động ion của màng, lượng năng lượng cần thiết để hoàn thành các phản ứng, sản xuất khí hydro và oxy, tương tác với các ion clorua và sự xuống cấp của màng.
Logan giải thích rằng trong khi một màng RO tương tự như là một "con đường nhỏ", thì màng kia lại hoạt động tốt so với các màng trao đổi cation. Các nhà nghiên cứu vẫn đang tìm hiểu tại sao lại có sự khác biệt giữa hai màng RO.
“Ý tưởng có thể hoạt động”, ông nói. "Chúng tôi không biết chính xác tại sao hai màng này lại hoạt động khác nhau như vậy, nhưng đó là điều mà chúng tôi sẽ tìm ra".
Gần đây, các nhà nghiên cứu đã nhận được khoản tài trợ 300.000 USD từ Quỹ Khoa học Quốc gia (NSF) để tiếp tục nghiên cứu quá trình điện phân nước biển này. Logan hy vọng nghiên cứu của họ sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc giảm lượng khí thải carbon dioxide trên toàn thế giới.
Ông nói: “Thế giới đang tìm kiếm hydro tái tạo. Ví dụ, Ả Rập Saudi có kế hoạch xây dựng một cơ sở hydro trị giá 5 tỷ đô la sẽ sử dụng nước biển. Ngay bây giờ, họ phải khử muối trong nước với công nghệ cũ. Có lẽ họ có thể sử dụng phương pháp này để thay thế".
Ánh Dương
Theo Phys.org
