لماذا يتفوق المحلل الكهربائي القلوي في التعامل مع المياه منخفضة النقاء

العلم وراء التحمل القلوي: دور أيونات الهيدروكسيد (OH–)

تعمل الكهارلايزات القلوية باستخدام أيونات الهيدروكسيد OH- في المحاليل الإلكتروليتية السائلة، عادةً ما بين 20 إلى 30 بالمئة من محلول هيدروكسيد البوتاسيوم أو هيدروكسيد الصوديوم. وتساهم هذه المكونات في تكوين بيئة ذات درجة حموضة عالية (pH) تساعد على معادلة الملوثات الحمضية المزعجة مثل الكلوريدات والكبريتات الموجودة في العديد من مصادر المياه. ويمنح التركيب الكيميائي لهذه الأنظمة مقاومة طبيعية تجاه الشوائب، وبالتالي لا تتطلب مياهًا نظيفة للغاية كما هو مطلوب في أنظمة PEM. ونحن جميعًا نعلم أن أنظمة PEM تعاني من مشكلة تسمم العوامل المساعدة نتيجة لوجود مختلف الملوثات. كما أظهر تقرير حديث صادر عن مجلس الهيدروجين عام 2024 أمرًا مثيرًا للاهتمام أيضًا، وهو أن أيونات OH- تُحسّن التوصيل الأيوني بما يقارب 1.7 مرة مقارنة بالظروف العادية. وهذا يعني أن النظام يمكنه العمل بسلاسة حتى في وجود مواد صلبة منحلة بمستويات تصل إلى 500 جزء في المليون، مما يجعلها متعددة الاستخدامات إلى حد كبير في بيئات تشغيل مختلفة.

كيف تعمل المحاليل الإلكتروليتية السائلة على تخفيف تأثير الشوائب الشائعة

يؤدي الإلكتروليت القلوي الدائري وظيفة عازل ديناميكي للشوائب:

• تترسب أيونات المعادن الثقيلة على شكل هيدروكسيدات غير قابلة للذوبان، مما يقلل من تلوث الأقطاب الكهربائية
• تُحتجز الجسيمات العالقة داخل مصفوفة الإلكتروليت بدلاً من انسداد المكونات الحرجة
• تتحلل أيونات البيكاربونات إلى ثاني أكسيد الكربون والماء في الظروف القلوية، مما يمنع مشاكل انتقال الغاز

أظهرت الاختبارات أن الأنظمة القلوية تحافظ على كفاءة بنسبة 92٪ مع مياه التغذية التي تحتوي على 100 جزء في المليون من السيليكا، بينما تنخفض أداء أنظمة PEM بنسبة 18٪ في الظروف نفسها. وقد أدى هذا المتانة إلى توصية منتدى الإلكتروليزر العالمي بتقنية الأنظمة القلوية للمصادر المائية العكرة أو المنخفضة الجودة.

مثال من الواقع: إنتاج الهيدروجين باستخدام مياه الأنهار في المشاريع النموذجية

قام مشروع نموذجي في جنوب شرق آسيا عام 2023 بتشغيل وحدات إلكتروليز قلوية باستخدام مياه أنهار غير معالجة (درجة حموضة 6.8، وعكورة 25 NTU)، مع الاعتماد فقط على الترسيب البسيط. وبعد 8000 ساعة من التشغيل المستمر، لم يُلاحظ أي تدهور في الجهد، مما يدل على:

• انخفاض بنسبة 3.3٪ في تكلفة الهيدروجين الموحّد مقارنةً بأنظمة PEM التي تعتمد على التناضح العكسي
• انخفاض بنسبة 45٪ في متطلبات طاقة المعالجة المسبقة
• إمكانية النشر الواسع النطاق في المناطق التي تفتقر إلى بنية تحتية للماء عالي النقاء

تُبرز هذه النتائج الميزة العملية للأنظمة القلوية في البيئات اللامركزية أو محدودة الموارد

الأنظمة القلوية مقابل أنظمة التحليل الكهربائي PEM: مقارنة متطلبات نقاء المياه

المتطلبات الصارمة لنقاء المياه في أنظمة التحليل الكهربائي PEM وAEM

بالنسبة لمحولات التحليل الكهربائي من نوع PEM (غشاء تبادل البروتون) وAEM (غشاء تبادل الأنيون)، فإن استخدام ماء مقطر ذو مقاومة كهربائية تزيد عن 1 ميغا أوم·سم هو أمر ضروري تمامًا لتجنب مشاكل مثل انسداد الغشاء أو تلف الحفاز في المستقبل. وعندما تتعرض هذه الأنظمة لمياه تحتوي على أكثر من 50 جزءًا من المليار من أيونات المعادن، تنخفض كفاءتها بشكل كبير، حيث تشير تقارير حديثة من Hyfindr إلى خسارة تتراوح بين 15% و20% في الكفاءة. أما الأنظمة القلوية فقصتها مختلفة. فهي قادرة على تحمل الشوائب بمستويات تتراوح بين 10 إلى 100 مرة أعلى مما يمكن لأنظمة PEM تحمله، وذلك بسبب محلول كهربائي سائل من هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) يعمل كدرع واقي ضد الملوثات. وهذا يجعلها أكثر تسامحًا بكثير فيما يتعلق بمتطلبات جودة المياه.

العائد من حيث الكفاءة: هل تبرر أداء أنظمة PEM الحاجة الصارمة إلى نقاء المياه؟

تعمل وحدات التحليل الكهربائي PEM بكفاءة أفضل تبلغ حوالي 75 إلى 80 بالمئة، مقارنةً بحوالي 60 إلى 70 بالمئة التي نراها في الوحدات القلوية. ولكن هناك عقبة هنا، إذ إن تشغيلها يكلف أكثر بكثير من حيث الحفاظ على نقاء الماء بالقدر الكافي للتشغيل. وفقًا لأبحاث شركة ACS Industries لعام 2025، تحتاج أنظمة PEM إلى ما بين تسعة وأثني عشر لتراً من المياه المعالجة لإنتاج كيلوغرام واحد فقط من الهيدروجين. وهذا يفوق بشكل كبير الكمية المطلوبة في الطرق القلوية التقليدية، والتي تتراوح بين خمسة وثمانية لترات. وإذا أخذنا في الاعتبار أيضًا أن تقنية PEM تعتمد اعتمادًا كبيرًا على العوامل المساعدة باهظة الثمن من مجموعة البلاتين، فإن التكلفة الإجمالية تصبح أعلى بنسبة تتراوح بين 25٪ وصولاً إلى 40٪ مقارنةً بتكلفة الأنظمة القلوية على المدى الطويل. وبالتالي، وعلى الرغم من كونها أكثر كفاءة تقنيًا، فإن المصروفات الإضافية تأكل أي ميزة مالية قد تقدمها.

الاختلافات الرئيسية في حساسية الملوثات وطول عمر النظام

يمكن للكهربائيات القلوية التعامل مع جميع أنواع الشوائب دون التلف، بما في ذلك أشياء مثل الكلوريدات والكبريتات وحتى السيليكا التي تميل إلى تدمير أغشية PEM بمرور الوقت. والنتيجة؟ تدوم هذه الأنظمة لفترة أطول بكثير في الظروف الواقعية. نحن نتحدث عن فترات تشغيل تتراوح بين حوالي 60 ألف وصولاً إلى ما يقارب 90 ألف ساعة للنماذج القلوية، أي ما يعادل تقريباً ضعف ما تحققه وحدات PEM في أفضل حالاتها (عادة بين 30 ألف و45 ألف ساعة). ميزة كبيرة أخرى للتكنولوجيا القلوية تأتي من تصميمها البسيط للخلية. تعني هذه البساطة صعوبة أقل عند إجراء أعمال الصيانة وتقلل بشكل كبير من تكاليف الإصلاح أيضاً، وغالباً ما تنقصها بنسبة تتراوح بين 35٪ إلى النصف مقارنةً بالخيارات الأخرى المتوفرة في السوق اليوم.

التوسع المتزايد في المناطق شحيحة المياه والمناطق النائية

تحليل الاتجاه: التبني في المناطق ذات التصريف المحدود للمياه العذبة

في الأماكن التي لا توجد فيها مرافق لتنقية المياه النظيفة أو التي يصعب تشغيلها، يتجه الناس بشكل متزايد إلى أجهزة التحليل الكهربائي القلوية. يمكن لهذه الأنظمة العمل مع أي مصدر ماء محلي تقريبًا، سواء من الأنهار أو حتى المياه المالحة قليلًا، دون الحاجة إلى خطوات معالجة أولية معقدة. مما يجعلها مفيدة جدًا لإنشاء محطات توليد الهيدروجين بعيدًا عن المراكز السكانية الرئيسية. على سبيل المثال، خذ حالة اختبار حديثة من عام 2023. فقد نجحوا في الحفاظ على تشغيل النظام بكفاءة تبلغ حوالي 92٪، حتى عند استخدام مياه الأنهار الخام التي تحتوي على كمية كبيرة من الأتربة العالقة وأكثر من 15 جزءًا في المليون من المواد الذائبة. وقد شهدت منطقة آسيا والمحيط الهادئ تسارع هذه الظاهرة مؤخرًا. توفر الأنظمة القلوية للناس العاديين خيارًا بديلًا غير مرشحات المياه العسكرية الباهظة الثمن. ودعونا لا ننسى أن هذه الأنظمة تقلل من كمية الطاقة المطلوبة لتحضير المياه بنسبة تقارب الثلث مقارنة بالطرق التقليدية.

الفوائد المستدامة: تقليل الاعتماد على بنية مياه التناضح العكسي

من خلال التحمل الكالسيوم (حتى 50 مغ/ل) والسليكا (حتى 20 مغ/ل)، تُلغي أجهزة التحليل الكهربائي القلوية الحاجة إلى أنظمة التناضح العكسي أو أنظمة تبادل الأيونات، التي تستهلك 2–4 كيلوواط ساعة/م³ من المياه المعالجة. وهذا يقلل بشكل كبير من:

• انبعاثات الكربون بنسبة 18–22% لكل كيلوغرام من الهيدروجين المنتج
• نفقات رأس المال الخاصة ببنية معالجة المياه بمقدار 400,000–740,000 دولار (بونيمون 2023)
• فترات التوقف عن العمل للصيانة الناتجة عن تلوث الأغشية في وحدات التنقية

هذه الكفاءة تتماشى مع الهدف 6 من أهداف التنمية المستدامة للأمم المتحدة، خاصةً في المناطق الجافة حيث تقل نسبة المياه المتاحة طبيعياً والتي تفي بمعايير النقاء الصناعي عن 5٪، ما يجعل التحليل الكهربائي القلوي طريقاً مستداماً لتوسيع إنتاج الهيدروجين الأخضر.

الأسئلة الشائعة

• ما الذي يجعل أجهزة التحليل الكهربائي القلوية أفضل للمياه منخفضة النقاوة؟ تستخدم المحللات القلوية أيونات الهيدروكسيد التي تُنشئ بيئة ذات درجة حموضة عالية، مما يُحيّد الملوثات الحمضية. هذه البنية تقاوم بشكل طبيعي الشوائب، على عكس المحللات الغشائية التي تتطلب ماءً نقيًا جدًا لتجنب تسمم العامل المساعد ومشاكل أخرى.
• كيف تتعامل المحللات القلوية مع الشوائب؟ يعمل الإلكتروليت السائل كعازل، حيث يرسب المعادن الثقيلة على شكل هيدروكسيدات غير قابلة للذوبان ويحبس الجسيمات العالقة لمنع الانسداد وتلف الأقطاب الكهربائية.
• لماذا تُفضَّل الأنظمة القلوية في المناطق النائية وذات الشح المائي؟ يمكنها العمل بكفاءة باستخدام مجموعة متنوعة من مصادر المياه دون الحاجة إلى معالجة مسبقة مكثفة كما تطلبها الأنظمة الأخرى، ما يجعلها مثالية لإنتاج الهيدروجين اللامركزي في المناطق التي تفتقر إلى إمكانية الوصول للمياه النقية.
• ما هي آثار الكفاءة والتكلفة للمحللات القلوية مقارنةً بالمحللات الغشائية؟ على الرغم من أن أنظمة PEM أكثر كفاءة قليلاً، فإن الأنظمة القلوية أكثر فعالية من حيث التكلفة لأنها تتطلب ماءً أقل نقاءً، وتستخدم عوامل حفازة أقل تكلفة، وتدوم لفترة أطول، مما يقلل التكاليف التشغيلية الإجمالية.