Учёные предлагают новый метод очистки водорода от тяжелых смесей монооксида углерода

Очищенный водород требуется для таких процессов, как рафинирование металлов, производство удобрений, создание топливных элементов для работы на тяжёлых транспортных средствах и т. д. Однако такая очистка или отделение водорода от смеси других газов является весьма сложной задачей, которая реализуется в несколько этапов. Исследовательская группа под руководством Криса Арджеса продемонстрировала, что данный процесс можно упростить с помощью насоса, оснащенного недавно разработанными мембранными материалами.

Как говорит Арджес, при традиционных способах разделения водорода используется реактор конверсии водяного газа, включающий дополнительную стадию. Реактор конверсии водяного газа сначала преобразует монооксид углерода в диоксид углерода, который затем направляется на процесс абсорбции, где от него отделяется водород. После этого очищенный водород подвергается сжатию с помощью компрессора. А затем он может храниться или сразу использоваться.

По словам Арджеса, ключевым моментом в этом процессе является использование высокотемпературных, протон-селективных полимерных электролитных мембран (PEM). С их помощью можно быстро и экономично отделять водород от двуокиси углерода, окиси углерода и прочих газовых молекул. Электрохимический насос, который оснащён PEM и другими новыми материалами, показывает большую эффективность, чем традиционные методы очистки водорода. Это объясняется тем, что он одновременно отделяет водород и сжимает его. Кроме того, это оборудование может работать при температурах от 200 до 250 С. Это на 20-70 С выше, чем у прочих высокотемпературных электрохимических процессов типа PEM. Благодаря этому свойству, улучшается способность отделения водорода от нежелательных газов.

Арджес говорит, что это эффективный и экономически выгодный способ очистки водорода. Особенно он эффективен при большом содержании монооксида углерода. До этого никто не очищал водород с помощью электрохимического водородного насоса до такой степени чистоты с помощью газового сырья, содержащего более 3% монооксида углерода. По его словам, им удалось достичь этого со смесями, которые содержат до 40% монооксида углерода. Всё это благодаря использованию нового класса высокотемпературных ПЭМ и электродных иономерных связующих материалов.

Для проведения разделения газов исследовательская группа Арджеса создала «бутерброд» электродов, где электроды с противоположными зарядами образуют «хлеб», а мембрана — «мясную прослойку». Иономерные связующие материалы для электродов предназначены для удержания электродов вместе.

В насосе есть положительно заряженный электрод или «ломтик хлеба», который расщепляет водород на два электрона и протона. Протоны проходят через мембрану («мясная прослойка»), а электроны перемещается наружу через насос, используя провод, который касается положительно заряженного электрода. После этого протоны проходят через мембрану к отрицательно заряженному электроду и рекомбинируют с электронами, вновь образуя водород.

Арджес говорит, что PEM работает, позволяя проходить протонам, но, не пропуская более крупные молекулы окиси углерода, двуокиси углерода, метана и азота. Чтобы электроды эффективно работали в водородном насосе, исследовательская группа синтезировала специальное связующее из иономера фосфоновой кислоты. Оно работает, как клей, удерживая частицы электрода вместе. Это связующее эффективно работает при изготовлении механически прочного пористого электрода, который позволяет транспортировать газ. Поэтому водород может реагировать на поверхности электрокатализатора, а также перемещать протоны к мембране и обратно.

В дальнейшем исследователи планируют изучить, каким образом, созданные ими инструменты и подход помогут в очистки водорода при хранении в существующих трубопроводах природного газа. Распределение и хранение водорода таким способом никогда не осуществлялось. По словам Арджеса, это представляет для них большой интерес. Он также пояснил, что водород может помочь в выработке электроэнергии с помощью турбогенератора или топливных элементов. Это поможет поддержать системы на основе солнечной или ветровой энергии.

Проблема заключается в том, что водород должен храниться в трубопроводе при низких концентрациях (менее 5%). Иначе он может повредить трубопровод. Для конечного использования требуется водород с частотой более 99%. Арджес подал две патентные заявки в США на компоненты, использованные в этом исследовании, когда он был преподавателем в Университете штата Луизиана. Один из патентов относятся к высокотемпературным PEM, а другой —  к электрохимическому водородному насосу с использованием высокотемпературных PEM и электродного связующего из иономера фосфоновой кислоты. В настоящее время Арджес лицензирует технологию для новой компании Ionomer Solutions LLC, которую он основал вместе со своей женой Хирал Арджес.

Соавтор выпущенной статьи, Дипра Бхаттачарья. В исследовании также участвовал научный сотрудник Гокул Венугопалан, Эван Эндрюс, Луис Брисено-Мена, Хосе Романьоли и Джон Флейк. Проведённая работа была профинансирована Управлением по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии Министерства энергетики США.

Результаты проведённого исследования можно посмотреть здесь.