Sáng kiến sản xuất hydro tại địa phương bằng cách sử dụng vật liệu phế thải nhôm và nước suối nóng có tính axit tự nhiên
Liên kết tác giả Vani Novita Alviani, Nobuo Hirano, Noriaki Watanabe, Masahiro Oba, Masaoki Uno, Noriyoshi Tsuchiya
https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2021.116909Nhận quyền và nội dung
Điểm nổi bật
• Sản xuất H2 tiên tiến bằng chất thải nhôm và suối nước nóng có tính axit đã được đề xuất.
• Một cách mới để xử lý chất thải nhôm kết hợp với sản xuất H2.
• Sử dụng trực tiếp chất lỏng địa nhiệt và suối nước nóng có tính axit tiên tiến.
• Đánh giá nhiên liệu H2 cho thấy lượng phát thải carbon và mức tiêu thụ năng lượng thấp.
• Một phương pháp được khuyến nghị cho sáng kiến địa phương về năng lượng H2.
Tóm tắt
Hydro đang được chú ý như một nguồn năng lượng, nhưng việc sản xuất nó thông qua việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch không thân thiện với môi trường. Một nguồn bền vững hơn có thể là phản ứng thủy nhiệt liên quan đến phản ứng nhôm và nước, vốn có các vấn đề kỹ thuật về quá trình thụ động hóa nhôm và nguồn vật liệu cho ứng dụng nâng cao. Nghiên cứu này phân tích phản ứng thủy nhiệt nhôm-nước ở quy mô phòng thí nghiệm và thực địa và bao gồm đánh giá môi trường về sản xuất nhiên liệu H2 liên quan đến nước suối nóng có độ pH cực thấp (~1) và nhiệt độ sôi (~373 K). Suối nước nóng có tính axit thay thế các nguồn nước và đặc điểm độc đáo của nó kích hoạt bề mặt nhôm bằng cách tấn công lớp oxit, do đó cho phép tạo ra H2. Các nguồn chất thải nhôm bao gồm xỉ và phoi cắt, có thể thay thế kim loại nhôm chính. Năng suất H2 cao nhất có thể đạt được khoảng ~55 mmol H2 gAl−1 cho chip (gần đạt năng suất lý thuyết) và một lượng nhỏ hơn ~20 mmol H2 gAl−1 cho xỉ. Đánh giá môi trường bao gồm lượng khí thải carbon dioxide và mức tiêu thụ năng lượng từ toàn bộ hệ thống nhiên liệu H2 dẫn đến tác động môi trường giảm. Phương pháp sản xuất hydro được đề xuất khuyến khích phát triển năng lượng hydro ở quy mô địa phương. Ngoài ra, việc sử dụng vật liệu thải nhôm là một chiến lược quản lý chất thải mới và hữu ích hơn so với xử lý trực tiếp, và việc sử dụng suối nước nóng thúc đẩy việc sử dụng trực tiếp.
Giới thiệu
Hydro nổi lên như một nguồn năng lượng thay thế đầy hứa hẹn để chữa trị lâu dài về biến đổi khí hậu và sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Từ lâu trước khi được coi là một giải pháp thay thế nhiên liệu hóa thạch, H2 đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp [1]. Nhờ các đặc tính tuyệt vời của mình, H2 có mật độ năng lượng cao [2] và hiện được coi là nhiên liệu đốt sạch nhất trong các ngành vận tải, không màu, không mùi, không độc hại và không có khí thải gây hại khi đốt [3], [4].
Mặc dù có nhiều trong tự nhiên, H2 không tồn tại dưới dạng các phân tử H2 tự do, không giống nhiên liệu hóa thạch. Tuy nhiên, việc tách H2 khỏi liên kết với các nguyên tố khác có thể được thực hiện linh hoạt bằng bất kỳ dạng năng lượng nào [5]. Điện phân nước được coi là phương pháp chiếm nhiều thị phần nhất từ các nguồn tái tạo [6], nhưng nó phải đối mặt với những hạn chế về chi phí tương đối cao [7] và mức tiêu thụ năng lượng [8]. Thủy phân kim loại là một phương pháp sản xuất H2 có hiệu quả, tiết kiệm và thân thiện với môi trường [9], trong đó thủy phân nhôm (Al) được ưa chuộng hơn vì nhiều ưu điểm như dồi dào, an toàn và rẻ hơn so với các kim loại có sẵn [10]. Al là vật liệu triển vọng để tạo ra H2 thông qua phản ứng Al-H2O do hiệu quả cao của nó [11].
Sự thụ động hóa Al tạo thành lớp oxit/hydroxit dày đặc là một vấn đề quan trọng xảy ra trong phản ứng Al-H2O. Một số kỹ thuật để loại bỏ lớp oxit đã được nghiên cứu rộng rãi, chẳng hạn như áp dụng nhiệt độ cao [12], chất phụ gia [13], xử lý cơ học [14] và thuốc thử axit [15], [16] hoặc kiềm [17]. Do đó, các phương pháp xử lý bổ sung đã đề cập ở trên phải giải quyết những khó khăn trong sản xuất nâng cao. Mặt khác, nguồn Al gây lo ngại về môi trường vì tiêu tốn nhiều năng lượng ở mức 153 MJ với 11 kg CO2 tương đương trên 1 kg Al được sản xuất dựa trên tuyến đường chính [18]. Cho đến nay, một phương pháp sản xuất H2 rất tiện lợi và thân thiện với môi trường, đồng thời cũng cho phép thực hiện sản xuất quy mô lớn, nhất thiết phải được phát triển để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng dự kiến.
Một nghiên cứu gần đây đã thực hiện về việc giảm CO2 tạo ra H2 bằng quá trình oxy hóa không kim loại khi không có chất xúc tác [19] trong điều kiện thủy nhiệt và được mở rộng để mô phỏng hệ thống lỗ thông thủy nhiệt biển sâu tự nhiên [20]. Các phương pháp tiếp cận khác là sử dụng Al thải thay thế cho Al chính [21], [22] và nước biển làm chất thay thế cho nước [23], điều này chứng tỏ là nguồn H2 dễ dàng và cung cấp hiệu quả các sản phẩm phụ có giá trị gia tăng với các phương pháp tiết kiệm năng lượng và chi phí thấp [24]. Các nguồn vật liệu thay thế rất được quan tâm để đạt được sản xuất H2 công nghiệp.
Nghiên cứu hiện tại của chúng tôi thảo luận về phản ứng thủy nhiệt nhiệt độ thấp Al–H2O liên quan đến vật liệu thải Al và suối nước nóng có tính axit tự nhiên, cả hai đều có sẵn và chi phí thấp. Các thí nghiệm được thực hiện ở phạm vi nhiệt độ lên tới 373 K ở độ pH ~ 1. Kết quả của chúng tôi báo cáo về việc tạo ra H2 theo cách thay thế A chính này và nước tinh khiết hứa hẹn sẽ cho năng suất gần 100%. Sử dụng suối nước nóng là một cách tiên tiến và mới lạ để sản xuất H2 và đồng thời mở rộng việc sử dụng suối nước nóng. Trong khi đó, việc sử dụng vật liệu thải Al được cho là nhờ vào chiến lược quản lý chất thải thực hành tốt. Nghiên cứu hiện tại cũng đã tiến hành đánh giá môi trường liên quan đến lượng khí thải CO2 và mức tiêu thụ năng lượng liên quan đến toàn bộ hệ thống H2 được đề xuất.
Trích đoạn phần
Quy trình thực nghiệm
Các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm bao gồm các quy trình tương tự như các quy trình đã sử dụng trước đây với lò phản ứng Hastelloy C–22 [17]; các điều kiện phản ứng được liệt kê trong Bảng 1. Nguyên liệu đầu vào là suối nước nóng có tính axit (HS), vụn cắt Al (AC) và xỉ Al (AD).
HS là suối nước nóng Tamagawa (Tỉnh Akita, Nhật Bản), một suối nước nóng có tính axit cao với độ pH ~1, hàm lượng Cl– cao (thay vì SO42–) [25], [26] và thành phần hóa học được đưa ra trong Bảng S1†. AD được sử dụng là bột xỉ đen Al, một loại thứ cấp điển hình
Sản xuất H2 quy mô phòng thí nghiệm
Sản xuất H2 từ phản ứng AC và AD với HS ở nhiều nhiệt độ khác nhau được báo cáo trong Bảng S3† và Hình 2. Đối với thời gian phản ứng được nghiên cứu, sản lượng H2 đối với AC gần như cao tới 100% và đối với AD cao tới 36%, với tốc độ sản xuất phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ. Nhiệt độ càng cao, lượng H2 được sản xuất càng lớn đối với cả hai vật liệu Al. Ở nhiệt độ cao (373 K), sản lượng từ phản ứng với AC đạt đến sản lượng lý thuyết nhanh hơn AD.
Kết luận
Nghiên cứu này đã xác nhận ứng dụng tiềm năng của phản ứng thủy nhiệt nhôm-nước sử dụng vật liệu thải và suối nước nóng ở nhiệt độ 313–373 K. Tốc độ sản xuất hydro phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ và bị ảnh hưởng bởi hàm lượng nhôm và diện tích bề mặt riêng của vật liệu thải. Phế liệu cắt nhôm có năng suất cao hơn (55 mmol H2 gAl−1) so với xỉ nhôm (20 mmol H2 gAl−1) do hàm lượng nhôm cao hơn. Tính khả thi của các phương pháp được tiết lộ bởi một tuyên bố đóng góp của tác giả CRediT tại chỗ
Vani Novita Alviani: Khái niệm hóa, Điều tra, Viết - bản thảo gốc, Viết - đánh giá & biên tập, Hình ảnh hóa. Nobuo Hirano: Phương pháp luận, Tài nguyên. Noriaki Watanabe: Phương pháp luận. Masahiro Oba: Phương pháp luận. Masaoki Uno: Phương pháp luận. Noriyoshi Tsuchiya: Khái niệm hóa, Viết - đánh giá & biên tập, Giám sát.
Tuyên bố về lợi ích cạnh tranh
Các tác giả tuyên bố rằng họ không có lợi ích tài chính cạnh tranh hoặc mối quan hệ cá nhân nào có thể ảnh hưởng đến công trình được báo cáo trong bài báo này.
Lời cảm ơn
Chúng tôi trân trọng Chính quyền thành phố Semboku đã hỗ trợ thí nghiệm tại chỗ ở địa điểm suối nước nóng Tamagawa. Chúng tôi cảm ơn Shinichi Yamasaki, Kengo Nakamura và Kyohei Tsuchida đã giúp đỡ phân tích hóa học, Atsushi Okamoto và Jiajie Wang đã thảo luận về sản xuất hydro, Masanobu Kamitakahara đã hỗ trợ phép đo BET và những người đánh giá ẩn danh đã phản hồi có giá trị cho bản thảo của chúng tôi. Công trình này được Frontier Research của NEDO hỗ trợ tài chính (Số 20000574-0).
Tài liệu tham khảo (64)
R. Ramachandran và cộng sự
Tổng quan về ứng dụng hydro trong công nghiệp
Int J Hydrogen Energy
(1998)
M. Momirlan và cộng sự
Các đặc tính của hydro như nhiên liệu cho tương lai trong hệ thống năng lượng bền vững cho một hành tinh sạch hơn
Int J Hydrogen Energy
(2005)
S. Sharma và cộng sự
Hydro, nhiên liệu vận tải trong tương lai: từ sản xuất đến ứng dụng
Renew Sustain Energy Rev
(2015)
S. Singh và cộng sự
Hydro: nhiên liệu bền vững cho tương lai của ngành vận tải
Renew Sustain Energy Rev
(2015)
R. Kothari và cộng sự
So sánh các khía cạnh kinh tế và môi trường của nhiều phương pháp sản xuất hydro
Renew Sustain Energy Rev
(2008)
P. Nikolaidis và cộng sự
Tổng quan so sánh các quy trình sản xuất hydro
Renew Sustain Energy Rev
(2017)
Y. Mao và cộng sự
Sản xuất hydro thông qua chu trình nhiệt hóa học phân tách nước hai bước dựa trên oxit kim loại – tổng quan
Appl Energy
(2020)
G. Yao và cộng sự
Sản xuất hydro bằng cách phân tách nước với Al và khử CO2 tại chỗ thành axit formic
Int J Hydrogen Energy
(2015)
K.A. Trowell và cộng sự
Nhôm và vai trò của nó như một chất mang năng lượng tái tạo bền vững, có thể tái chế
Appl Energy
(2020)
W.Yang và cộng sự
Nghiên cứu thực nghiệm về tác động của phụ gia kim loại có điểm nóng chảy thấp lên quá trình sản xuất hydro trong phản ứng nhôm-nước
Năng lượng
(2015)
