Udnyttelse af sollys til at trække brint fra spildevand

Brint er en kritisk komponent i fremstillingen af ​​tusindvis af almindelige produkter fra plastik til gødning, men at producere ren brint er dyrt og energikrævende. Nu, et forskerhold ved Princeton University har udnyttet sollys til at isolere brint fra industrielt spildevand.

I et papir offentliggjort 19. februar i tidsskriftet Energi- og miljøvidenskab , forskerne rapporterede, at deres proces fordoblede den i øjeblikket accepterede hastighed for skalerbare teknologier, der producerer brint ved at spalte vand.

Teknikken bruger et specialdesignet kammer med en "schweizerost" sort siliciumgrænseflade til at spalte vand og isolere brintgas. Processen er hjulpet af bakterier, der genererer elektrisk strøm, når de indtager organisk stof i spildevandet; den nuværende, på tur, hjælper med at spalte vand.

Holdet, ledet af Zhiyong Jason Ren, professor i civil- og miljøteknik og Andlinger Center for Energi og Miljø, valgte spildevand fra bryggerier til testen. De løb spildevandet gennem kammeret, brugte en lampe til at simulere sollys, og så de organiske forbindelser nedbrydes og brinten boble op.

Processen "giver os mulighed for at rense spildevand og samtidig generere brændstoffer, " sagde Jing Gu, en medforsker og assisterende professor i kemi og biokemi ved San Diego State University.

Forskerne sagde, at teknologien kunne appellere til raffinaderier og kemiske fabrikker, som typisk producerer deres eget brint fra fossile brændstoffer, og står over for høje omkostninger til rensning af spildevand.

Historisk set, brintproduktion har været afhængig af olie, gas eller kul, og en energikrævende metode, der involverer behandling af kulbrintelageret med damp. Kemikalieproducenter kombinerer derefter brintgassen med kulstof eller nitrogen for at skabe kemikalier af høj værdi, såsom methanol og ammoniak. De to er ingredienser i syntetiske fibre, gødning, plastik og rengøringsmidler, blandt andre hverdagsvarer.

Selvom brint kan bruges som brændstof til køretøjer, den kemiske industri er i øjeblikket den største producent og forbruger af brint. At producere kemikalier i stærkt industrialiserede lande kræver mere energi end at producere jern, stål, metaller og fødevarer, ifølge en rapport fra 2016 fra U.S. Energy Information Administration. Rapporten anslår, at produktion af basiskemikalier vil fortsætte med at være den største industrielle forbruger af energi i løbet af de næste to årtier.

"Det er en win-win situation for kemiske og andre industrier, " sagde Lu Lu, den første forfatter på undersøgelsen og en associeret forsker ved Andlinger Center. "De kan spare på spildevandsrensning og spare på deres energiforbrug gennem denne brint-skabelsesproces."

Ifølge forskerne, det er første gang egentligt spildevand, ikke laboratoriefremstillede løsninger, er blevet brugt til at fremstille brint ved hjælp af fotokatalyse. Holdet producerede gassen kontinuerligt over fire dage, indtil spildevandet løb tør, hvilket er væsentligt, sagde forskerne, fordi sammenlignelige systemer, der producerer kemikalier fra vand, historisk set har fejlet efter et par timers brug. Forskerne målte brintproduktionen ved at overvåge mængden af ​​elektroner produceret af bakterierne, som direkte korrelerer med mængden af ​​produceret brint. Målingen var i den høje ende for lignende laboratorieeksperimenter og, Ren sagde, dobbelt så høj som teknologier med potentiale til at skalere til industriel brug.

Ren sagde, at han ser denne teknologi som skalerbar, fordi kammeret, der bruges til at isolere brinten, er modulært, og flere kan stables for at behandle mere spildevand og producere mere brint.

Selvom der endnu ikke er foretaget en livscyklusanalyse, forskerne sagde, at processen i det mindste vil være energineutral, hvis ikke energipositiv, og eliminerer behovet for fossile brændstoffer til at skabe brint.

Forskerne sagde, at de sandsynligvis vil eksperimentere med at producere større mængder brint og andre gasser i fremtiden, og ser frem til at flytte denne teknologi til industrien.