समुद्री जल हाइड्रोजन

वैज्ञानिकों ने एक ऐसी प्रणाली विकसित की है जो अलवणीकरण जैसी किसी पूर्व-उपचार प्रक्रिया की आवश्यकता के बिना सीधे समुद्री जल से हरित हाइड्रोजन का उत्पादन कर सकती है। विकास के पीछे की टीम, जिसमें एक संक्रमण धातु ऑक्साइड उत्प्रेरक पर लुईस एसिड परत की शुरूआत शामिल है, का कहना है कि यह विधि व्यावसायिक अनुप्रयोग के लिए उच्च क्षमता दिखाती है।

पृथ्वी की सतह पर 97% से अधिक पानी महासागरों का खारा पानी है, 2% बर्फ की चोटियों, ग्लेशियरों और बर्फ से ढकी पर्वत श्रृंखलाओं में ताजे पानी के रूप में संग्रहीत है, और केवल 1% हमारी दैनिक जल आपूर्ति आवश्यकताओं के लिए उपलब्ध है।

 
खारे पानी को अलवणीकरण नामक प्रक्रिया के माध्यम से पीने योग्य पानी में बनाया जा सकता है, एक ऐसी तकनीक जिस पर दुनिया भर के कुछ क्षेत्र मानव उपभोग और घरेलू और औद्योगिक उपयोग के लिए ताजा पानी का उत्पादन करने के लिए भरोसा करते हैं। लेकिन अलवणीकरण एक ऊर्जा की मांग करने वाली प्रक्रिया है, और इससे भी बुरी बात यह है कि यह अक्सर ऊर्जा स्रोतों द्वारा संचालित होती है जो टिकाऊ नहीं होते हैं।

पानी को उसके घटक भागों में विभाजित करना भी अच्छी तरह से समझा जाता है। प्रक्रिया - जिसे इलेक्ट्रोलिसिस के रूप में जाना जाता है - पानी को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में विभाजित करने के लिए इलेक्ट्रोलाइट में डूबे दो इलेक्ट्रोडों के बीच एक प्रत्यक्ष धारा का उपयोग करती है। कैथोड, या नकारात्मक इलेक्ट्रोड पर हाइड्रोजन बनता है, और सकारात्मक इलेक्ट्रोड, या एनोड पर ऑक्सीजन बनता है।

क्योंकि गैसों का मिश्रण विस्फोट कर सकता है, अधिकांश इलेक्ट्रोलाइज़र एक मोटी, छिद्रपूर्ण प्लास्टिक शीट के साथ एनोड और कैथोड को अलग करते हैं, और प्रतिक्रियाओं को तेज करने के लिए निकल और लोहे जैसे धातु उत्प्रेरक का उपयोग किया जाता है।

इन दोनों प्रक्रियाओं को एक साथ रखना, अर्थात् समुद्री जल को अलवणीकरण करना, और फिर हाइड्रोजन बनाने के लिए इसे विभाजित करना, ऊर्जा के लिए स्वच्छ और किफायती ईंधन प्रदान करने के सर्वोत्तम समाधानों में से एक के रूप में लंबे समय से स्वागत किया गया है, जो बदले में शहर की बिजली से लेकर निर्माण तक सब कुछ प्रदान कर सकता है। स्टील, उर्वरक का उत्पादन, और यहां तक ​​कि हवाई जहाज के लिए ईंधन के रूप में - संभावित उपयोगों की सूची एक लंबी है।

हालाँकि, दुनिया भर में उड़ान भरने के लिए हम पहले से ही हाइड्रोजन ईंधन का उपयोग नहीं कर रहे हैं, इसका एक कारण यह है कि खारे पानी और अन्य अशुद्धियाँ इलेक्ट्रोड को खराब कर देती हैं, जिससे उनका जीवन छोटा हो जाता है। चूँकि वे घटक आम तौर पर प्लैटिनम जैसी दुर्लभ धातुओं से बने होते हैं, इसलिए उन्हें बदलने में बहुत अधिक लागत आती है। समुद्री जल में क्लोराइड आयन भी एक समस्या हैं और क्लोरीन इलेक्ट्रो-ऑक्सीकरण प्रतिक्रियाएं (सीएलओआर) इलेक्ट्रोलिसिस के दौरान एनोड पर ऑक्सीजन विकास प्रतिक्रिया (ओईआर) के साथ प्रतिस्पर्धा करती हैं। इस प्रतिक्रिया के परिणामस्वरूप हाइपोक्लोराइट जैसी जहरीली और संक्षारक क्लोरीन प्रजातियां निकलती हैं। हाइपोक्लोराइट अपेक्षाकृत अस्थिर है, यह अमोनिया या एसिड के साथ मिश्रित होने पर जहरीली क्लोरीन गैस छोड़ सकता है और यह स्टेनलेस स्टील को भी खा सकता है।

इससे निजात पाने के लिए, समुद्री जल को संसाधित करने से पहले उसे अलवणीकृत और शुद्ध किया जा सकता है, लेकिन यह हमेशा आर्थिक रूप से व्यवहार्य भी नहीं होता है। एक अन्य विकल्प जंग को दबाने के लिए इलेक्ट्रोडों को पॉलीएनियन से कोट करना है, लेकिन यह भी महंगा हो सकता है।

कुछ जलवायु समाधान बिना किसी नकारात्मक पहलू के आते हैं। पानी के अणुओं को विभाजित करने के लिए नवीकरणीय ऊर्जा का उपयोग करके बनाया गया "हरित" हाइड्रोजन, भारी वाहनों को शक्ति प्रदान कर सकता है और कार्बन डाइऑक्साइड का एक झोंका पैदा किए बिना इस्पात निर्माण जैसे उद्योगों को डीकार्बोनाइज कर सकता है। लेकिन क्योंकि जल-विभाजन मशीनें, या इलेक्ट्रोलाइज़र, शुद्ध पानी के साथ काम करने के लिए डिज़ाइन की गई हैं, हरित हाइड्रोजन को बढ़ाने से वैश्विक मीठे पानी की कमी बढ़ सकती है। अब, कई शोध दल समुद्री जल से सीधे हाइड्रोजन उत्पादन में प्रगति की रिपोर्ट कर रहे हैं, जो हरित हाइड्रोजन का एक अटूट स्रोत बन सकता है।

आज, लगभग सभी हाइड्रोजन मीथेन को तोड़कर, आवश्यक गर्मी और दबाव उत्पन्न करने के लिए जीवाश्म ईंधन को जलाकर बनाया जाता है। दोनों चरण कार्बन डाइऑक्साइड छोड़ते हैं। ग्रीन हाइड्रोजन इस गंदे हाइड्रोजन की जगह ले सकता है, लेकिन फिलहाल इसकी कीमत दोगुनी से भी अधिक, लगभग 5 डॉलर प्रति किलोग्राम है। यह आंशिक रूप से इलेक्ट्रोलाइज़र की उच्च लागत के कारण है, जो कीमती धातुओं से बने उत्प्रेरक पर निर्भर करते हैं। अमेरिकी ऊर्जा विभाग ने हाल ही में इलेक्ट्रोलाइज़र को बेहतर बनाने और हरित हाइड्रोजन की लागत को 1 डॉलर प्रति किलोग्राम तक लाने के लिए एक दशक लंबा प्रयास शुरू किया है।

यदि वे सफल होते हैं और हरित हाइड्रोजन का उत्पादन आसमान छूता है, तो दुनिया की मीठे पानी की आपूर्ति पर दबाव बन सकता है। इलेक्ट्रोलिसिस का उपयोग करके 1 किलोग्राम हाइड्रोजन उत्पन्न करने में लगभग 10 किलोग्राम पानी लगता है। अंतर्राष्ट्रीय नवीकरणीय ऊर्जा एजेंसी के अनुसार, हरित हाइड्रोजन पर ट्रकों और प्रमुख उद्योगों को चलाने के लिए प्रति वर्ष लगभग 25 बिलियन क्यूबिक मीटर ताजे पानी की आवश्यकता हो सकती है, जो 62 मिलियन लोगों वाले देश की पानी की खपत के बराबर है।

समुद्री जल लगभग असीमित है, लेकिन इसका विभाजन अपनी समस्याओं के साथ आता है। इलेक्ट्रोलाइज़र काफी हद तक बैटरी की तरह बनाए जाते हैं, जिसमें पानी वाले इलेक्ट्रोलाइट से घिरे इलेक्ट्रोड की एक जोड़ी होती है। एक डिज़ाइन में, कैथोड पर उत्प्रेरक पानी के अणुओं को हाइड्रोजन (H+) और हाइड्रॉक्सिल (OH-) आयनों में विभाजित करते हैं। कैथोड पर अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन हाइड्रोजन आयनों के जोड़े को हाइड्रोजन गैस (H2) में जोड़ते हैं, जो पानी से बुलबुले बनकर बाहर निकलती है। इस बीच, ओएच-आयन, एनोड तक पहुंचने के लिए इलेक्ट्रोड के बीच एक झिल्ली के माध्यम से यात्रा करते हैं, जहां उत्प्रेरक ऑक्सीजन को जारी होने वाली ऑक्सीजन गैस (ओ2) में बुनते हैं।

हालाँकि, जब समुद्री जल का उपयोग किया जाता है, तो वही विद्युत झटका जो एनोड पर O2 उत्पन्न करता है, खारे पानी में क्लोराइड आयनों को अत्यधिक संक्षारक क्लोरीन गैस में परिवर्तित कर देता है, जो इलेक्ट्रोड और उत्प्रेरक को खा जाता है। इसके कारण आम तौर पर इलेक्ट्रोलाइज़र कुछ ही घंटों में विफल हो जाते हैं जबकि वे सामान्य रूप से वर्षों तक काम कर सकते हैं।

हाइड्रोजन एक बहुमुखी रसायन है जिसका उपयोग उर्वरकों सहित कई उत्पादों के उत्पादन के लिए किया जाता है। हाइड्रोजन भी ईंधन सेल प्रौद्योगिकी का एक प्रमुख घटक है, जो सौर और पवन जैसे नवीकरणीय लेकिन आंतरायिक ऊर्जा स्रोतों द्वारा उत्पादित बिजली का उपयोग करता है। दुनिया भर में उत्पादित अधिकांश हाइड्रोजन एक ऐसी प्रक्रिया से प्राप्त होता है जिसमें मीथेन को हाइड्रोजन प्राप्त करने के लिए गर्मी और भाप के संपर्क में लाया जाता है।

पानी के इलेक्ट्रोलिसिस से भी हाइड्रोजन का उत्पादन किया जा सकता है, जो सौर और पवन जैसे नवीकरणीय स्रोतों द्वारा संचालित पानी के अणुओं को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में विभाजित करने के लिए बिजली का उपयोग करता है। लेकिन एक दिक्कत है. इलेक्ट्रोलिसिस के लिए बहुत साफ पानी की आवश्यकता होती है जिसे विआयनीकृत किया गया हो, जिसका अर्थ है कि सभी अशुद्धियाँ, खनिज और इलेक्ट्रॉनिक रूप से चार्ज किए गए कणों को पहले हटा दिया जाना चाहिए। पारंपरिक जल शोधन प्रक्रियाओं के लिए महंगे उपकरणों की आवश्यकता होती है और इसके परिणामस्वरूप ऊर्जा की हानि हो सकती है।

जॉन्स हॉपकिन्स यूनिवर्सिटी के पर्यावरण स्वास्थ्य और इंजीनियरिंग विभाग के शोधकर्ताओं ने, पेन स्टेट यूनिवर्सिटी के सहयोग से, प्रारंभिक अलवणीकरण की आवश्यकता के बिना, हाइड्रोजन के प्रत्यक्ष स्रोत के रूप में समुद्री जल का उपयोग करने का एक तरीका खोजा है। उनके परिणाम पर्यावरण विज्ञान एवं प्रौद्योगिकी में सामने आते हैं।

"हमने पाया कि हम पानी के इलेक्ट्रोलाइज़र में पतली-फिल्म मिश्रित झिल्ली का उपयोग कर सकते हैं, जिसका उपयोग खारे पानी को शुद्ध करने के लिए किया जाता है, जिससे पानी को हाइड्रोजन गैस और ऑक्सीजन में विभाजित किया जा सकता है, जबकि हानिकारक क्लोरीन गैस के उत्पादन से बचा जा सकता है, जो अन्य झिल्ली प्रकारों के साथ होता है।"
अपने अध्ययन में, रॉसी और सहकर्मियों ने इलेक्ट्रोलाइज़र में सीधे पतली-फिल्म मिश्रित झिल्ली का परीक्षण किया - एक उपकरण जो पानी को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में विभाजित करने के लिए बिजली का उपयोग करता है - एक ही चरण में जल शुद्धिकरण और हाइड्रोजन उत्पादन दोनों को पूरा करता है। उन्होंने पाया कि सामग्री की छिद्रपूर्ण सूक्ष्म संरचना केवल छोटे प्रोटॉन और हाइड्रॉक्साइड आयनों को झिल्ली में स्थानांतरित करने की अनुमति देती है, अशुद्धियों और अन्य आयनों को खारिज कर देती है जो अवांछनीय प्रतिक्रियाएं उत्पन्न कर सकते हैं। शोधकर्ताओं का कहना है कि यह नया दृष्टिकोण पारंपरिक प्रणालियों की जगह ले सकता है, जहां महंगे आयन-एक्सचेंज झिल्ली का उपयोग अल्ट्राप्योर वॉटर फीड के साथ संयोजन में किया जाता है।

रॉसी ने कहा, "सस्ता जल अलवणीकरण झिल्ली अधिक महंगी पॉलिमर-आधारित झिल्ली का विकल्प हो सकती है और इसका उपयोग समुद्री जल जैसे निम्न-श्रेणी के जल स्रोतों से हाइड्रोजन उत्पादन के लिए किया जा सकता है।" "परिणाम नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों से एक कुशल हाइड्रोजन उत्पादन प्रक्रिया है जो जल शुद्धिकरण की आवश्यकता को समाप्त करता है।"

उन्होंने कहा कि उच्च लवणता के कारण समुद्री जल का इलेक्ट्रोलाइज़र में उपयोग करना चुनौतीपूर्ण है। हालाँकि, यह प्रचुर मात्रा में है और तटीय क्षेत्रों जैसे स्थानों पर उपलब्ध है, जहाँ सौर और पवन जैसी नवीकरणीय बिजली उत्पन्न की जा सकती है, लेकिन जहाँ ताजे पानी की उपलब्धता कम है। ऐसे स्थानों में, इस प्रक्रिया में समुद्री जल के स्थान पर अपशिष्ट जल जैसे अन्य निम्न-श्रेणी के जल स्रोतों का संभावित रूप से उपयोग किया जा सकता है।

यूएस नेशनल साइंस फाउंडेशन द्वारा वित्त पोषित टीम ने समुद्री जल इलेक्ट्रोलाइज़र के लिए एक नए प्रूफ-ऑफ-कॉन्सेप्ट डिज़ाइन में जल शोधन तकनीक को एकीकृत किया है, जो पानी के अणुओं में हाइड्रोजन और ऑक्सीजन को अलग करने के लिए विद्युत प्रवाह का उपयोग करता है।

पर्यावरण इंजीनियर ब्रूस लोगन के अनुसार, "समुद्री जल विभाजन" की यह नई विधि पवन और सौर ऊर्जा को भंडारण योग्य और पोर्टेबल ईंधन में बदलना आसान बना सकती है।

लोगान ने कहा, "हाइड्रोजन एक बेहतरीन ईंधन है, लेकिन आपको इसे बनाना होगा।" "ऐसा करने का एकमात्र टिकाऊ तरीका नवीकरणीय ऊर्जा का उपयोग करना और इसे पानी से उत्पादित करना है। आपको उस पानी का भी उपयोग करने की ज़रूरत है जिसे लोग अन्य चीजों के लिए उपयोग नहीं करना चाहते हैं, और वह समुद्री जल होगा। इसलिए, हाइड्रोजन का उत्पादन पवित्र कब्र है तटीय और अपतटीय वातावरण में पाए जाने वाले समुद्री जल और पवन और सौर ऊर्जा को संयोजित करना होगा।"

समुद्री जल की प्रचुरता के बावजूद, इसका उपयोग आमतौर पर जल विभाजन के लिए नहीं किया जाता है। जब तक इलेक्ट्रोलाइज़र में प्रवेश करने से पहले पानी को अलवणीकृत नहीं किया जाता है, एक महंगा अतिरिक्त कदम, समुद्री जल में क्लोराइड आयन जहरीली क्लोरीन गैस में बदल जाते हैं, जो उपकरण को ख़राब कर देता है और पर्यावरण में रिस जाता है।

इसे रोकने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक पतली, अर्धपारगम्य झिल्ली डाली, जो मूल रूप से रिवर्स ऑस्मोसिस उपचार प्रक्रिया में पानी को शुद्ध करने के लिए विकसित की गई थी। रिवर्स ऑस्मोसिस झिल्ली ने आमतौर पर इलेक्ट्रोलाइज़र में उपयोग की जाने वाली आयन-एक्सचेंज झिल्ली का स्थान ले लिया।
लोगन ने कहा, "रिवर्स ऑस्मोसिस के पीछे विचार यह है कि आप पानी पर वास्तव में उच्च दबाव डालते हैं और इसे झिल्ली के माध्यम से धकेलते हैं और क्लोराइड आयनों को पीछे रखते हैं।"

ऊर्जा और पर्यावरण विज्ञान में प्रकाशित प्रयोगों की एक श्रृंखला के माध्यम से, शोधकर्ताओं ने व्यावसायिक रूप से उपलब्ध दो रिवर्स ऑस्मोसिस झिल्ली और दो कटियन-एक्सचेंज झिल्ली का परीक्षण किया, एक प्रकार का आयन-एक्सचेंज झिल्ली जो सिस्टम में सभी सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए आयनों की आवाजाही की अनुमति देता है।

स्वच्छ ऊर्जा दुनिया भर के देशों के लिए सर्वोच्च प्राथमिकता है। जबकि पारंपरिक बिजली कोयला, प्राकृतिक गैस और तेल जैसे जीवाश्म ईंधन पर निर्भर करती है, स्वच्छ ऊर्जा सौर, पवन, भूतापीय, जलविद्युत और बायोमास जैसे विभिन्न रूपों में आती है।

नवीकरणीय ऊर्जा के लिए हाइड्रोजन भी एक प्रमुख ऊर्जा भंडारण विकल्प है और कार्बन उत्सर्जन के उच्च स्तर को कम करने में मदद कर सकता है।
वर्तमान शोध से पता चलता है कि खारे पानी की इलेक्ट्रोलिसिस - पानी को ऑक्सीजन और हाइड्रोजन में विभाजित करने की प्रक्रिया - मीठे पानी की इलेक्ट्रोलिसिस की आम चुनौतियों का एक व्यवहार्य समाधान है। समुद्री जल इलेक्ट्रोलिसिस वैश्विक मीठे पानी की कमी को बढ़ाए बिना स्थायी हाइड्रोजन का उत्पादन कर सकता है।

यूनाइटेड स्टेट्स डिपार्टमेंट ऑफ़ एनर्जी अल्टरनेटिव फ्यूल डेटा सेंटर के अनुसार, शुद्ध हाइड्रोजन पृथ्वी पर एक प्रचुर तत्व है जो स्वच्छ, टिकाऊ और नवीकरणीय ऊर्जा में परिवर्तन का समर्थन करने में महान वादा दिखाता है।

हाइड्रोजन के उत्पादन के बाद, यह ईंधन सेल में बिजली उत्पन्न कर सकता है और केवल जल वाष्प और गर्म हवा का उत्सर्जन करता है। चूँकि हाइड्रोजन कोई ग्रीनहाउस गैसें, नाइट्रोजन ऑक्साइड, हाइड्रोकार्बन या अन्य कण नहीं छोड़ता है, इसलिए यह पर्यावरण पर नकारात्मक प्रभाव नहीं डालता है।
हाइड्रोजन के अन्य लाभ भी हैं जो स्वच्छ ऊर्जा अर्थव्यवस्था बनाने में मदद करेंगे। यह आम तौर पर चुनौतीपूर्ण क्षेत्रों में डीकार्बोनाइजेशन के लिए एक इष्टतम ऊर्जा समाधान है। यह आधुनिक पावर ग्रिड की विश्वसनीयता और लचीलापन बढ़ाता है। यह सार्वजनिक स्वास्थ्य और पर्यावरण की स्थिति में भी सुधार कर सकता है।

इसके अलावा, यह वैश्विक उद्योगों में रोजगार के अवसरों और ऊर्जा सुरक्षा की संख्या में वृद्धि कर सकता है। यह परिवहन उद्योग को अधिक टिकाऊ बनने में मदद कर सकता है और इलेक्ट्रिक वाहनों (ईवी) में बदलाव का समर्थन कर सकता है। और यह राजस्व बढ़ाने में योगदान दे सकता है और विश्व अर्थव्यवस्था को मजबूत कर सकता है।

हरित हाइड्रोजन के उत्पादन से जुड़ी लागत को बढ़ाने वाली एक चुनौती यह है कि इलेक्ट्रोलाइज़र को अल्ट्राप्योर पानी की आवश्यकता होती है। यह पारंपरिक खारे पानी के इलेक्ट्रोलिसिस को कठिन बना देता है क्योंकि कई जल स्रोत दूषित पदार्थों से भरे होते हैं।
यद्यपि सीसा, क्लोरीन और बैक्टीरिया की उपस्थिति के कारण ईपीए में पानी की सख्त आवश्यकताएं हैं, लेकिन इसका मतलब यह नहीं है कि सभी पानी संदूषकों से मुक्त है।

समुद्री जल इलेक्ट्रोलिसिस
समुद्री जल इलेक्ट्रोलिसिस अनुसंधान 19वीं सदी की शुरुआत में सामने आया। यद्यपि वैज्ञानिकों ने हाइड्रोजन उत्पादन में प्रगति की है, लेकिन इसे कभी गति नहीं मिली या यह एक व्यवहार्य ऊर्जा समाधान नहीं बन सका। 20वीं सदी में, हाइड्रोजन को ज्यादातर प्राकृतिक गैस से निकाला जाता था और इसका उपयोग कारों, बसों, ब्लिम्प्स और रॉकेटों को बिजली देने के लिए किया जाता था।

जबकि इस हाइड्रोजन का उपयोग संभव था, इसका उत्पादन ऊर्जा-गहन था और कार्बन उत्सर्जन में योगदान देता था, जो जलवायु परिवर्तन के मुख्य कारणों में से एक था। इसके अतिरिक्त, कुछ शहर नगरपालिका के ठोस कचरे को हाइड्रोजन ईंधन सेल तकनीक से फ़िल्टर करते हैं, जो हाइड्रोजन का उत्पादन करता है और स्थानीय जल आपूर्ति में अपशिष्ट-व्युत्पन्न संदूषण को रोकता है।

विभिन्न शोधकर्ता और वैज्ञानिक इन चुनौतियों से बचने के लिए समुद्री जल इलेक्ट्रोलिसिस का उपयोग करके उन्नत तकनीक विकसित कर रहे हैं। यदि ये प्रौद्योगिकियां ठीक से काम करती हैं, तो वे मीठे पानी के संसाधनों का उपयोग किए बिना या कार्बन उत्सर्जन में योगदान किए बिना टिकाऊ हाइड्रोजन का उत्पादन करेंगी।

उत्पाद चीन के सभी क्षेत्रों में बेचे जाते हैं और दुनिया भर के देशों में निर्यात किए जाते हैं। इन्हें संयुक्त राज्य अमेरिका, जर्मनी, मोरक्को, केन्या, सऊदी अरब, वियतनाम, अल्जीरिया, भारत, तंजानिया और ताइवान सहित 20 से अधिक देशों और क्षेत्रों में बेचा गया है। चीन एयरोस्पेस, पेट्रोचाइना, चाइना न्यूक्लियर ग्रुप, बीवाईडी, जिउली स्पेशलिटी, टोनी इलेक्ट्रॉनिक्स, झेंग एनर्जी ग्रुप और अन्य प्रसिद्ध उद्यमों जैसे प्रसिद्ध उद्यमों को सफलतापूर्वक प्रदान किया गया। कई हरित हाइड्रोजन हाइड्रोजनीकरण स्टेशन हैं जैसे कि वुलांचाबू, हाइकोउ, हैनान, हैनान हाइकोउ, युन्नान कुनमिंग, आदि हरित और हाइड्रोजन-निर्माण परियोजनाएं प्रदान करते हैं।