Неліктен сілтілі электролизаторлар төменгі тазалықтағы сумен жақсы жұмыс істейді

Сілтілі ортаға төзімділіктің ғылыми негізі: Гидроксид иондарының (OH–) рөлі

Сілтілік электролизерлер сұйық электролиттерінде гидроксид иондарын OH минус, әдетте 20-30 пайыз калий немесе натрий гидроксиді ерітіндісін қолданады. Бұл көптеген су көздерінде кездесетін хлоридтер мен сульфаттар сияқты қышқыл ластануларды бейтараптауға көмектесетін жоғары pH ортасын құрады. Химиялық құрам осы жүйелерге табиғи түрде қоспаларға қарсы төзімділік береді, сондықтан оларға PEM жүйелеріне қажет болатындай өте таза су қажет емес. Біз бәріміз PEM жүйелері әртүрлі ластанулардан катализатордың улану мәселесіне ие екенін білеміз. 2024 жылғы Сутегі кеңесінің соңғы хабарламасы да қызықты нәрсе көрсетті — OH минус иондары қалыпты жағдайлармен салыстырғанда иондық өткізгіштікті шамамен 1,7 есе жақсартады. Бұл жүйе еріген қатты заттар 500 миллионнан бір бөлікке дейінгі деңгейде болған кезде де салыстырмалы түрде тегіс жұмыс істеуіне мүмкіндік береді, яғни олар әртүрлі жұмыс орындары үшін құбылмалы болып табылады.

Сұйық электролиттер қалай жиі кездесетін қоспаларға қарсы тұрады

Циркуляциялық сілтілі электролит динамикалық қоспалар буфері ретінде жұмыс істейді:

• Ауыр метал иондары электродты ластануды азайту үшін ерімейтін гидроксидтер түрінде тұнбаға түседі
• Бөгелу қаупі бар маңызды компоненттердің орнына электролит матрицасында ілеспе бөлшектер сақталады
• Бикарбонат иондары газдың бір камерадан екіншісіне өту проблемасын болдырмау үшін сілтілі ортада CO₂ мен суға ыдырайды

Тестілеу нәтижелері сілтілі жүйелердің 100 ppm кремнезем бар суда 92% ПӘК-ін сақтайтынын, ал PEM-нің осындай шарттарда 18% төмендейтінін көрсетті. Бұл төзімділік Глобалды Электролизер Консорциумын тұзды немесе төменгі сапалы су көздері үшін сілтілі технологияны ұсынуға итермеледі.

Шынайы мысал: Тәжірибелік жобаларда өзен суын пайдаланып сутегі өндіру

2023 жылғы Азияның Оңтүстік-Шығысындағы тәжірибелік жобада өзен суын (pH 6,8, мөлдірсіздік 25 NTU) тазартпай-ақ қолданып, сілтілі электролизерлер сәтті жұмыс істеді, тек негізгі тұндыруды ғана қажет етті. 8 000 сағат бойы үздіксіз жұмыс істегеннен кейін кернеудің төмендеуі байқалмады, бұл келесілерді көрсетті:

• Деионизацияға тәуелді PEM жүйелерімен салыстырғанда сутегінің деңгейленген құнының 3,3% төмендеуі
• алдын-ала дайындау энергиясына деген талаптың 45% төмендеуі
• Ультратаза су инфрақұрылымы жоқ аймақтарда масштабталатын орнату мүмкіндігі

Бұл нәтижелер ресурстары шектеулі немесе орталықтандырылмаған орталарда сілтілі жүйелердің практикалық артықшылығын көрсетеді.

Сілтілік және PEM электролизаторлар: судың тазалық талаптарының салыстыруы

PEM және AEM электролизаторларының қатаң су тазалығы талаптары

PEM (Протондық алмасу мембранасы) және AEM (Аниондық алмасу мембранасы) электролизаторлар үшін мембрананың ластануы мен катализатордың бұзылуы сияқты мәселелерден аулақ болу үшін 1 МОм·см-ден жоғары өткізгіштікке ие деиондалған суды пайдалану міндетті. Гидроиндирдің соңғы деректеріне сәйкес, бұл жүйелер 50 миллиардтағы бөліктен астам металл иондары бар сумен әрекеттескенде, олардың өнімділігі 15%-дан 20%-ға дейін төмендейді. Бірақ сілтілік жүйелер басқаша. Олар сұйық KOH электролиті ластанудан қорғаныш ретінде әрекет ететіндіктен, PEM жүйелері шыдай алатыннан 10-100 есе жоғары ластану деңгейлерін көтере алады. Бұл оларды судың сапасына қойылатын талаптарға қатысты көптеген жеңілдіктерге ие етеді.

Тиімділік пен шығын арасындағы теңгерім: PEM-нің өнімділігі оның тазалық талаптарын оправдай ма?

PEM электролизаторлары сілтілік қондырғылардан көрінетін шамамен 60-70 пайызға қарсы 75-80 пайыз аралығында жақсырақ ПӘК-пен жұмыс істейді. Бірақ мұнда су тазалығын жұмыс істеу үшін жеткілікті деңгейде ұстаудың өзі қымбатқа түсетіндігіне байланысты бір ұсталым бар. ACS Industries-тің 2025 жылғы зерттеуі бойынша, сутегінің бір килограмын алу үшін PEM жүйелері тоғыздан он екі литрге дейін деиондалған су қажет етеді. Бұл дәстүрлі сілтілік әдістерге қажет болатын бесінен сегіз литрге дейінгі мөлшерден ә существенно артық. Сонымен қатар, PEM технологиясы бағалы платина тобының катализаторларына үлкен үлес қосатынын ескерсек, жалпы құны уақыт өте келе сілтілік жүйелерге қарағанда 25%-дан 40% дейін қымбат болуы мүмкін. Сондықтан да олар техникалық тұрғыдан тиімді болса да, қосымша шығындар олардың ұсынуы мүмкін болатын қаржылық артықшылықтарын толығымен жеп қояды.

Ластануға сезімталдық пен жүйенің қызмет ету мерзіміндегі негізгі айырмашылықтар

Сілтілік электролизаторлар хлоридтер, сульфаттар және PEM мембраналарды уақыт өте келе жойып жіберетін диоксид сияқты заттарды қоса алғанда, бүлінбей-ақ әртүрлі ластағыштармен жұмыс істей алады. Нәтижесінде осындай жүйелер шынайы жағдайларда едәуір ұзақ жұмыс істейді. Сілтілік модельдердің пайдалану мерзімі шамамен 60 мыңнан 90 мың сағатқа дейін жетеді, бұл көбінесе 30 мың мен 45 мың сағат аралығында болатын PEM қондырғыларының ең жақсы көрсеткішінің шамамен екі есесін құрайды. Сілтілік технологияның тағы бір үлкен артықшылығы — оның қарапайым стек конструкциясында. Бұл қарапайымдылық техникалық қызмет көрсетуге кететін кедергілерді азайтады және жөндеу шығындарын да әлдеқайда төмендетеді, жиі нарықтағы басқа нұсқалармен салыстырғанда 35%-дан 50% дейін төмендейді.

Су ресурстары шектеулі және алыстағы аймақтарда қолдануды кеңейту

Талдау: Таза су алу мүмкіндігі шектеулі аймақтарда қабылдау

Таза сумен қамтамасыз ету құрылғылары жоқ немесе оларды пайдалану тиімсіз болып табылатын жерлерде адамдар бірте-бірте сілтілі электролизаторларға көңіл аудара бастады. Осындай жүйелер олардың жергілікті табиған су көздерінен — өзен суынан немесе сәл тұзды сулардан тұтыну үшін ешқандай күрделі алдын-ала өңдеу қадамдарын қажет етпейді. Бұл оларды негізгі тұрғындар орталықтарынан алыс орындарда сутегі өндіру станцияларын орнату үшін өте пайдалы етеді. Мысалы, 2023 жылғы соңғы сынақ жағдайын алайық. Зерттеушілер өзен суының шикі үлгісін пайдаланған кезде, онда қатты ластану болғанымен және еріген заттардың мөлшері миллионға 15 бөліктен асты, әлі де 92% пайдалы әсер коэффициентін сақтай алды. Азия-Тынық мұхиты аймағында соңғы кезде осындай үрдіс тез өсті. Сілтілі жүйелер адамдарға өте қымбат әскери фильтрлерден басқа таңдау мүмкіндігін береді. Сонымен қатар, бұл жүйелер дайындауға кететін энергия шығынын дәстүрлі әдістерге қарағанда шамамен үштен бір бөлігіне дейін азайтады.

Тұрақтылық артықшылықтары: Деиондалған су инфрақұрылымына тәуелділікті азайту

Кальцийді (50 мг/л-ге дейін) және кремнеземді (20 мг/л-ге дейін) шыдай отырып, сілтілі электролизерлер өңделген судың әрбір м³ үшін 2–4 кВт·сағ энергия тұтынатын кері осмос немесе ионды алмастыру жүйелерінің қажеттілігін жояды. Бұл мыналарды едәуір төмендетеді:

• Сутегінің әрбір килограмы үшін көміртегі шығарындыларын 18–22% аралығында
• Понеман (2023) деректері бойынша суды тазарту инфрақұрылымына кететін капитал шығындарын 400 000 – 740 000 доллар аралығында
• Тазарту қондырғыларындағы мембраналардың ластануына байланысты техникалық қызмет көрсету үшін тоқтатылған уақыт

Бұл тиімділік ылғалсыз аймақтарда, ондағы судың 5%-нен аспайтын бөлігі ғана өнеркәсіптік тазалық стандарттарын қанағаттандырады, сондықтан сілтілі электролиз — жасыл сутегінің кеңеюі үшін тұрақты даму жолы ретінде Біріккен Ұлттар Ұйымының 6-мақсатына сай келеді.

Жиі қойылатын сұрақтар

• Сілтілі электролизерлер неге төменгі тазалықтағы су үшін жақсырақ? Сілтілік электролизаторлар жоғары pH-ортаны құратын гидроксид иондарын пайдаланады, бұл қышқылдық ластануды бейтараптайды. Бұл құрылым тазартылған суға қатаң талап қоятын PEM электролизаторлардан айырмашылығы, табиғи түрде қоспаларға төзімді.
• Сілтілік электролизаторлар қоспалармен қалай жұмыс істейді? Сұйық электролит буфер ретінде әрекет етеді, ауыр металдарды ерімейтін гидроксидтер түрінде тұнбаға түсіреді және электродтардың ластануы мен басылуын болдырмау үшін тұнба бөлшектерін ұстап алады.
• Неліктен сілтілік жүйелер суы аз және алыс орналасқан аймақтарда қолданылады? Басқа жүйелерге қарағанда кеңінен алдын ала өңдеуді талап етпей, әртүрлі су көздерімен тиімді жұмыс істеуі мүмкін, сондықтан тазартылған суға шектеулі қол жеткізуі бар аймақтарда сутегіні орталандырылмаған түрде өндіру үшін идеалды.
• PEM электролизаторларымен салыстырғанда сілтілік электролизаторлардың тиімділігі мен құны қандай? PEM жүйелері сәл ғана тиімді болса да, сілтілі жүйелер таза суға аз қажет етуі, қымбат емес катализаторларды қолдануы және ұзақ уақыт жұмыс істеуі арқасында төменгі операциялық шығындарымен байланысты тиімдірек болып табылады.