कम शुद्धता वाले जल के साथ क्षारीय इलेक्ट्रोलाइज़र क्यों उत्कृष्ट हैं

क्षारीय सहनशीलता के पीछे का विज्ञान: हाइड्रॉक्साइड आयनों (OH–) की भूमिका

क्षारीय इलेक्ट्रोलाइज़र अपने तरल इलेक्ट्रोलाइट में हाइड्रॉक्साइड आयन OH⁻ का उपयोग करते हैं, जो आमतौर पर 20 से 30 प्रतिशत पोटैशियम हाइड्रॉक्साइड या सोडियम हाइड्रॉक्साइड विलयन होता है। ये एक उच्च pH वातावरण बनाते हैं जो कई जल स्रोतों में पाए जाने वाले क्लोराइड और सल्फेट जैसे झंझाल भरे अम्लीय दूषकों को निष्प्रभावी करने में सहायता करता है। इन प्रणालियों की रासायनिक संरचना अशुद्धियों के प्रति प्राकृतिक प्रतिरोध प्रदान करती है, इसलिए उन्हें PEM प्रणालियों की तरह अत्यधिक शुद्ध जल की आवश्यकता नहीं होती है। और हम सभी जानते हैं कि विभिन्न दूषकों के कारण PEM प्रणालियों को उत्प्रेरक विषाक्तता की समस्या होती है। 2024 में हाइड्रोजन काउंसिल द्वारा हाल ही में प्रकाशित एक रिपोर्ट में एक दिलचस्प बात भी दिखाई गई—OH⁻ आयन सामान्य स्थितियों की तुलना में आयनिक चालकता को लगभग 1.7 गुना बेहतर बना देते हैं। इसका अर्थ है कि प्रणाली सुचारू रूप से काम कर सकती है, भले ही 500 पीपीएम तक के स्तर पर घुले हुए ठोस पदार्थ मौजूद हों, जिससे विभिन्न संचालन वातावरणों के लिए इन्हें काफी लचीला बना दिया गया है।

तरल इलेक्ट्रोलाइट सामान्य अशुद्धियों के खिलाफ कैसे बफर करते हैं

संचारित क्षारीय इलेक्ट्रोलाइट एक गतिशील अशुद्धि बफर के रूप में कार्य करता है:

• भारी धातु आयन अघुलनशील हाइड्रॉक्साइड के रूप में अवक्षेपित हो जाते हैं, जिससे इलेक्ट्रोड के दूषित होने की संभावना कम हो जाती है
• निलंबित कण आवश्यक घटकों में अवरोध पैदा किए बिना इलेक्ट्रोलाइट मैट्रिक्स के भीतर ही रहते हैं
• क्षारीय परिस्थितियों में बाइकार्बोनेट आयन CO₂ और पानी में विघटित हो जाते हैं, जिससे गैस क्रॉसओवर की समस्या रोकी जाती है

परीक्षणों में दिखाया गया है कि क्षारीय प्रणाली 100 ppm सिलिका युक्त फीडवाटर के साथ 92% दक्षता बनाए रखती है, जबकि उसी परिस्थिति में PEM की दक्षता 18% तक गिर जाती है। इस सहनशीलता के कारण ग्लोबल इलेक्ट्रोलाइज़र कंसोर्टियम ने लवणीय या निम्न-ग्रेड जल स्रोतों के लिए क्षारीय तकनीक की सिफारिश की है।

वास्तविक उदाहरण: पायलट परियोजनाओं में नदी के पानी का उपयोग कर हाइड्रोजन उत्पादन

2023 में दक्षिण पूर्व एशिया की एक पायलट परियोजना में क्षारीय इलेक्ट्रोलाइज़र को अशोधित नदी के पानी (pH 6.8, अस्पष्टता 25 NTU) का उपयोग करके सफलतापूर्वक संचालित किया गया, जिसमें केवल मूल अवसादन की आवश्यकता थी। लगातार 8,000 घंटे के संचालन के बाद वोल्टेज में कोई कमी नहीं देखी गई, जिससे यह प्रदर्शित हुआ:

• डीआय जल पर निर्भर पीईएम प्रणालियों की तुलना में हाइड्रोजन लागत में 3.3% की कमी
• पूर्वउपचार ऊर्जा मांग में 45% की कमी
• अति-शुद्ध जल बुनियादी ढांचे से लैस नहीं क्षेत्रों में स्केलेबल तैनाती के लिए व्यवहार्यता

ये परिणाम अल्पकेंद्रित या संसाधन-प्रतिबंधित वातावरण में एल्कलाइन प्रणालियों के व्यावहारिक लाभ को उजागर करते हैं।

एल्कलाइन बनाम पीईएम इलेक्ट्रोलाइज़र: जल शुद्धता आवश्यकताओं की तुलना

पीईएम और एईएम इलेक्ट्रोलाइज़र की कठोर जल शुद्धता मांगें

पीईएम (प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली) और एईएम (एनायन एक्सचेंज झिल्ली) इलेक्ट्रोलाइज़र के लिए, डीआय (विआयनित) जल का उपयोग करना पूर्णतः आवश्यक है जिसकी प्रतिरोधकता 1 MΩ·cm से अधिक हो, यदि हम भविष्य में झिल्ली के दूषण और उत्प्रेरक के विघटन जैसी समस्याओं से बचना चाहते हैं। जब ये प्रणालियाँ ऐसे जल के संपर्क में आती हैं जिसमें 50 प्रति अरब भागों से अधिक धातु आयन होते हैं, तो प्रदर्शन में काफी गिरावट आती है, जिसमें 15% से 20% तक की दक्षता की हानि होती है, जैसा कि हाल ही में हाइफिंडर द्वारा बताया गया था। क्षारीय प्रणालियाँ एक अलग कहानी कहती हैं। वे उन स्तरों की अशुद्धियों को संभाल सकती हैं जो पीईएम द्वारा संभाले जा सकने वाले स्तरों से 10 से लेकर 100 गुना अधिक होती हैं, क्योंकि उनका तरल KOH इलेक्ट्रोलाइट दूषकों के खिलाफ एक ढाल की तरह काम करता है। इससे जल की गुणवत्ता की आवश्यकताओं के संबंध में इन्हें बहुत अधिक सहनशील बना दिया जाता है।

दक्षता का समझौता: क्या पीईएम का प्रदर्शन उसकी शुद्धता की आवश्यकताओं को उचित ठहराता है?

पीईएम इलेक्ट्रोलाइज़र क्षारीय इकाइयों से लगभग 60 से 70 प्रतिशत की तुलना में 75 से 80 प्रतिशत की बेहतर दक्षता पर संचालित होते हैं। लेकिन यहाँ एक समस्या है, क्योंकि संचालन के लिए पानी को पर्याप्त रूप से शुद्ध रखने के संदर्भ में उन्हें चलाने की वास्तविक लागत काफी अधिक आती है। केवल एक किलोग्राम हाइड्रोजन बनाने के लिए, पीईएम प्रणालियों को 2025 के एसीएस इंडस्ट्रीज के अनुसंधान के अनुसार, नौ से बारह लीटर डी-आयनित पानी की आवश्यकता होती है। यह पारंपरिक क्षारीय विधियों द्वारा आवश्यक पांच से आठ लीटर से काफी अधिक है। और यदि हम इस तथ्य को भी जोड़ते हैं कि पीईएम प्रौद्योगिकी महंगे प्लैटिनम समूह के उत्प्रेरकों पर भारी निर्भर है, तो समय के साथ क्षारीय प्रणालियों की तुलना में कुल लागत कहीं 25% से लेकर 40% तक अधिक हो जाती है। इसलिए भले ही वे तकनीकी रूप से अधिक कुशल हों, लेकिन अतिरिक्त खर्च उनके द्वारा प्रदान किए जाने वाले किसी भी वित्तीय लाभ को वास्तव में कम कर देते हैं।

अशुद्धि संवेदनशीलता और प्रणाली के जीवनकाल में प्रमुख अंतर

क्षारीय इलेक्ट्रोलाइज़र बिना खराब हुए अशुद्धियों के सभी प्रकार को संभाल सकते हैं, जिसमें क्लोराइड, सल्फेट और यहां तक कि सिलिका भी शामिल हैं जो समय के साथ PEM झिल्लियों को नष्ट कर देते हैं। परिणाम? वास्तविक दुनिया की स्थितियों में इन प्रणालियों का जीवनकाल बहुत अधिक होता है। हम बात कर रहे हैं क्षारीय मॉडल के लगभग 60,000 से लेकर लगभग 90,000 घंटे तक के संचालन जीवनकाल की, जो अधिकांश PEM इकाइयों द्वारा सर्वोत्तम स्तर पर प्राप्त समय (आमतौर पर 30,000 और 45,000 घंटे के बीच) का लगभग दोगुना है। क्षारीय तकनीक का एक और बड़ा लाभ इसके सरल स्टैक डिज़ाइन से आता है। इस सरलता का अर्थ है रखरखाव कार्य के लिए कम परेशानी और मरम्मत की लागत में काफी कमी, जो आज के बाजार में अन्य विकल्पों की तुलना में अक्सर 35% से लेकर आधे तक कम हो जाती है।

जल-तनावग्रस्त और दूरस्थ क्षेत्रों में बढ़ता तैनाती

प्रवृत्ति विश्लेषण: सीमित ताजे पानी शोधन वाले क्षेत्रों में अपनाना

जहाँ स्वच्छ जल उपचार सुविधाएँ मौजूद नहीं हैं या चलाने के लिए व्यावहारिक नहीं हैं, वहां लोग अधिक से अधिक क्षारीय इलेक्ट्रोलाइज़रों की ओर रुख कर रहे हैं। ये सिस्टम लगभग किसी भी पानी के स्रोत के साथ काम कर सकते हैं जो वे स्थानीय रूप से पाते हैं, चाहे वह नदियों से हो या थोड़ा खारा पानी, बिना किसी तरह के फैंसी पूर्व-प्रसंस्करण चरणों की आवश्यकता के। इससे वे मुख्य जनसंख्या केंद्रों से दूर हाइड्रोजन उत्पादन स्टेशन स्थापित करने के लिए बहुत उपयोगी हैं। उदाहरण के लिए 2023 से एक हालिया परीक्षण मामला लें। वे 92% दक्षता पर चलाने में कामयाब रहे, भले ही कच्चे नदी के पानी का इस्तेमाल किया गया जिसमें बहुत अधिक गंदगी थी और इसमें 15 भाग प्रति मिलियन से अधिक विघटित पदार्थ थे। एशिया प्रशांत क्षेत्र में हाल ही में यह प्रवृत्ति तेजी से बढ़ी है। क्षारीय प्रणाली आम लोगों को उन सुपर महंगे सैन्य शैली के पानी फिल्टर के अलावा एक और विकल्प प्रदान करती है। और यह मत भूलो, ये सेटअप पारंपरिक तरीकों की तुलना में लगभग एक तिहाई तक पानी तैयार करने के लिए आवश्यक ऊर्जा की मात्रा में कटौती करते हैं।

स्थायित्व लाभ: डीआय (विअक्षरित) जल बुनियादी ढांचे पर निर्भरता कम करना

कैल्शियम (50 मिग्रा/लीटर तक) और सिलिका (20 मिग्रा/लीटर तक) को सहन करके, क्षारीय इलेक्ट्रोलाइज़र उल्टे ओस्मोसिस या आयन-विनिमय प्रणालियों की आवश्यकता को समाप्त कर देते हैं, जो उपचारित जल के प्रति घन मीटर 2–4 किलोवाट-घंटा की खपत करते हैं। इससे निम्नलिखित में महत्वपूर्ण कमी आती है:

• उत्पादित हाइड्रोजन के प्रति किलोग्राम पर 18–22% तक कार्बन उत्सर्जन
• जल उपचार बुनियादी ढांचे के लिए पूंजीगत व्यय में 400,000–740,000 अमेरिकी डॉलर की कमी (पोनेमन 2023)
• शुद्धिकरण इकाइयों में झिल्ली दोष के कारण रखरखाव बंद रहने का समय

यह दक्षता संयुक्त राष्ट्र के सतत विकास लक्ष्य 6 के अनुरूप है, विशेष रूप से शुष्क क्षेत्रों में जहां उपलब्ध जल का 5% से कम स्वाभाविक रूप से औद्योगिक शुद्धता मानकों को पूरा करता है, जिससे क्षारीय विद्युत अपघटन हरित हाइड्रोजन के विस्तार के लिए एक स्थायी मार्ग बन जाता है।

सामान्य प्रश्न

• कम शुद्धता वाले जल के लिए क्षारीय इलेक्ट्रोलाइज़र को बेहतर क्या बनाता है? क्षारीय इलेक्ट्रोलाइज़र हाइड्रॉक्साइड आयनों का उपयोग करते हैं जो उच्च pH वाले वातावरण का निर्माण करते हैं, जो अम्लीय प्रदूषकों को निष्क्रिय कर देता है। यह संरचना प्राकृतिक रूप से अशुद्धियों का विरोध करती है, जबकि PEM इलेक्ट्रोलाइज़र को उत्प्रेरक विषाक्तता और अन्य समस्याओं से बचने के लिए अत्यधिक शुद्ध जल की आवश्यकता होती है।
• क्षारीय इलेक्ट्रोलाइज़र अशुद्धियों को कैसे संभालते हैं? उनका तरल इलेक्ट्रोलाइट एक बफर की तरह काम करता है, भारी धातुओं को अघुलनशील हाइड्रॉक्साइड के रूप में अवक्षेपित करता है और निलंबित कणों को पकड़कर ब्लॉकेज और इलेक्ट्रोड गंदगी को रोकता है।
• दूरस्थ और जल-तनाव वाले क्षेत्रों में क्षारीय प्रणालियों को क्यों प्राथमिकता दी जाती है? वे अन्य प्रणालियों द्वारा आवश्यक व्यापक पूर्व-प्रसंस्करण के बिना विभिन्न जल स्रोतों के साथ कुशलतापूर्वक काम कर सकते हैं, जो शुद्ध जल तक सीमित पहुंच वाले क्षेत्रों में विकेंद्रीकृत हाइड्रोजन उत्पादन के लिए आदर्श बनाता है।
• PEM की तुलना में क्षारीय इलेक्ट्रोलाइज़र की दक्षता और लागत के क्या प्रभाव हैं? हालांकि पीईएम प्रणालियाँ थोड़ी अधिक कुशल होती हैं, क्षारीय प्रणालियाँ अधिक लागत प्रभावी होती हैं क्योंकि उन्हें कम शुद्ध पानी की आवश्यकता होती है, सस्ते उत्प्रेरकों का उपयोग करती हैं और लंबे समय तक चलती हैं, जिससे समग्र संचालन लागत कम हो जाती है।