Hydro từ chất thải: Thiết kế pin điện hóa sinh học cắt giảm tổn thất điện năng để triển khai trên quy mô lớn
Một nhóm nghiên cứu đã đạt được bước đột phá đáng kể trong công nghệ năng lượng sạch. Nhóm đã thành công trong việc tăng cường một thành phần quan trọng của một tế bào điện hóa sinh học, cho phép sản xuất hydro hiệu quả hơn từ các vi sinh vật có trong chất thải. Sự tiến bộ này giải quyết những thách thức lâu dài về mất điện trong các quy trình thông thường, mở ra một con đường chuyển đổi hướng tới sản xuất hydro quy mô lớn, tiết kiệm chi phí.
Công trình này được công bố trên tạp chí Science of The Total Environment .
Khí sinh học, một loại khí tái tạo được tạo ra trong quá trình phân hủy vi khuẩn của chất thải hữu cơ, đã nổi lên như một nguồn đầy hứa hẹn để sản xuất hydro sạch. Thông qua các quá trình như cải cách hơi nước hoặc nhiệt phân ở nhiệt độ cao, khí sinh học có thể được chuyển đổi thành hydro - một yếu tố chính trong quá trình chuyển đổi toàn cầu sang trạng thái trung hòa carbon.
Tuy nhiên, các phương pháp sản xuất hiện tại đang phải đối mặt với những rào cản quan trọng. Các quy trình này không chỉ thải ra carbon dioxide như một sản phẩm phụ mà còn đòi hỏi năng lượng đáng kể để duy trì điều kiện nhiệt độ cao, đặt ra những thách thức đáng kể đối với việc thương mại hóa quy mô lớn.
Để giải quyết những thách thức này, các quốc gia hàng đầu như Hoa Kỳ và Châu Âu đang tích cực nghiên cứu các quy trình sản xuất hydro bằng cách sử dụng các tế bào điện hóa sinh học. Trong quy trình này, chất thải và điện được cung cấp cho tế bào điện hóa sinh học, nơi các vi sinh vật tiêu thụ chất hữu cơ, giải phóng các electron và ion hydro kết hợp để tạo ra khí hydro.
Không giống như các phương pháp sản xuất hydro truyền thống, quy trình tế bào điện hóa sinh học (BEC) cung cấp giải pháp bền vững và tiết kiệm chi phí hơn. Bằng cách hoạt động ở nhiệt độ thấp và thải ra ít carbon dioxide hơn đáng kể, công nghệ BEC phù hợp với các mục tiêu khử cacbon toàn cầu. Tuy nhiên, việc mở rộng quy mô quy trình đặt ra một thách thức quan trọng.
Khi kích thước hệ thống tăng lên, các đường dẫn cho vật liệu phản ứng điện hóa trở nên dài hơn, dẫn đến điện trở bên trong cao hơn và tổn thất điện năng tăng lên. Hạn chế này đặt ra rào cản đáng kể đối với việc thương mại hóa quy mô lớn, làm nổi bật nhu cầu về những tiến bộ công nghệ hơn nữa để cải thiện hiệu quả và khả năng mở rộng của hệ thống.
Để khắc phục vấn đề mất điện của các tế bào điện hóa sinh học thông thường, nhóm nghiên cứu đã phát triển một cải tiến độc quyền cho đơn vị cơ bản của tế bào và áp dụng vào quy trình sản xuất hydro. Quy trình sử dụng tế bào mới phát triển đạt năng suất hydro cao hơn 1,2 lần và sản lượng điện tử cao hơn 1,8 lần so với các quy trình sản xuất hydro điện hóa sinh học hiện có.
Nhóm nghiên cứu đã giới thiệu một cải tiến đột phá cho tế bào điện hóa sinh học: công nghệ Zero-Gap độc quyền. Thiết kế tiên tiến này giảm thiểu khoảng cách giữa các điện cực của tế bào và bộ tách, giảm đáng kể điện trở và tối ưu hóa hiệu quả phản ứng.
Bằng cách tạo ra một con đường trực tiếp hơn cho các phản ứng điện hóa, công nghệ Zero-Gap cho phép truyền electron nhanh hơn và sản xuất hydro hiệu quả hơn. Được áp dụng rộng rãi trong các hệ thống điện hóa tiên tiến, phương pháp này là một bước tiến quan trọng trong việc cải thiện khả năng mở rộng và khả năng thương mại của các tế bào điện hóa sinh học.
Tuy nhiên, các cấu trúc zero-gap thông thường thường được thiết kế bằng cách xếp chồng các điện cực và màng theo cấu hình giống như bánh sandwich. Trong quá trình triển khai trên quy mô lớn, cấu trúc này có thể dẫn đến mất cân bằng áp suất, tạo ra các khoảng trống nhỏ giữa các điện cực và màng. Các khoảng trống này gây ra sự sụt giảm hiệu suất cục bộ và tăng điện trở, cản trở hiệu suất quy trình tổng thể.
Ngược lại, cấu trúc zero-gap do nhóm nghiên cứu phát triển có nắp hình trụ tạo áp lực đồng đều lên mặt sau của điện cực khi đóng, đảm bảo độ bám dính hoàn toàn giữa điện cực và bộ tách. Thiết kế này có thể được áp dụng nhất quán ngay cả trong các quy trình quy mô lớn, khiến nó trở thành một cải tiến quan trọng cho việc thương mại hóa các tế bào điện hóa sinh học.
Nhóm nghiên cứu đã áp dụng thành công pin điện hóa sinh học được phát triển vào quy trình sản xuất hydro, tạo ra sản lượng electron nhiều hơn 1,8 lần và sản lượng hydro tăng 1,2 lần so với các quy trình thông thường. Hiệu suất tương tự được duy trì trong các thí nghiệm quy mô thí điểm, một bước quan trọng hướng tới việc triển khai trên quy mô lớn. Thành tựu này đã được Phòng thí nghiệm thử nghiệm Hàn Quốc (KTL) chính thức chứng nhận, xác nhận thêm hiệu quả của nó.
Tiến sĩ Jwa Eunjin, nhà nghiên cứu chính, tuyên bố,
Sự phát triển công nghệ này không chỉ giải quyết những thách thức về môi trường và kinh tế trong việc xử lý rác thải hữu cơ ở Hàn Quốc mà còn là bước đột phá đáng kể trong sản xuất năng lượng hydro sạch hiệu quả cao.
“Việc thương mại hóa pin điện hóa sinh học hiệu suất cao mà chúng tôi phát triển dự kiến sẽ đóng góp đáng kể vào mục tiêu đạt được mức trung hòa carbon và chuyển đổi sang một xã hội dựa trên hydro.”
Hydro từ chất thải: Thiết kế pin điện hóa sinh học cắt giảm tổn thất điện năng để triển khai trên quy mô lớn
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
