El poder del sol, el viento y el mar podrían pronto combinarse para producir combustible de hidrógeno de combustión limpia, según un equipo de investigadores de Penn State. El equipo integró la tecnología de purificación de agua en un nuevo diseño de prueba de concepto para un electrolizador de agua de mar, que utiliza una corriente eléctrica para separar el hidrógeno y el oxígeno en las moléculas de agua.
Este nuevo método de «división del agua de mar» podría facilitar la conversión de la energía eólica y solar en un combustible almacenable y portátil, según Bruce Logan, Profesor de Ingeniería Ambiental de Kappe y Profesor de la Universidad Evan Pugh.
«El hidrógeno es un gran combustible, pero hay que producirlo», dijo Logan. «La única forma sostenible de hacerlo es usar energía renovable y producirlo a partir del agua. También hay que usar agua que la gente no quiera usar para otras cosas, y eso sería agua de mar. Así que el santo grial de la producción de hidrógeno sería combinar el agua de mar y la energía eólica y solar que se encuentra en los entornos costeros y marinos«.
A pesar de la abundancia de agua de mar, no se utiliza comúnmente para la división del agua. A menos que el agua sea desalada antes de entrar en el electrolizador -un costoso paso adicional- los iones de cloruro del agua de mar se convierten en gas de cloro tóxico, que degrada el equipo y se filtra en el medio ambiente.
Para evitar esto, los investigadores insertaron una fina membrana semipermeable, originalmente desarrollada para purificar el agua en el proceso de tratamiento de ósmosis inversa. La membrana ósmosis inversa (reverse osmosis, RO, por sus siglas en inglés) reemplazó a la membrana de intercambio de iones comúnmente utilizada en los electrolizadores.
«La idea detrás de la ósmosis inversa es que se pone una presión muy alta en el agua y se la empuja a través de la membrana y se mantienen los iones de cloruro detrás», dijo Logan.
En un electrolizador, el agua de mar ya no sería empujada a través de la membrana de ósmosis inversa, sino contenida por ella. Una membrana se utiliza para ayudar a separar las reacciones que ocurren cerca de dos electrodos sumergidos -un ánodo con carga positiva y un cátodo con carga negativa- conectados por una fuente de energía externa.
Cuando se enciende la energía, las moléculas de agua comienzan a separarse en el ánodo, liberando diminutos iones de hidrógeno llamados protones y creando gas de oxígeno. Los protones pasan entonces a través de la membrana y se combinan con los electrones del cátodo para formar gas de hidrógeno.
Con la membrana ósmosis inversa insertada, el agua de mar se mantiene en el lado del cátodo, y los iones de cloruro son demasiado grandes para pasar a través de la membrana y llegar al ánodo, evitando la producción de gas de cloro.
Pero en la división del agua, Logan señaló, otras sales se disuelven intencionalmente en el agua para ayudar a hacerla conductiva. La membrana de intercambio de iones, que filtra los iones por carga eléctrica, permite que los iones de sal pasen a través de ella. La membrana ósmosis inversa no lo hace.
«Las membranas de ósmosis inversa inhiben el movimiento de la sal, pero la única manera de generar corriente en un circuito es porque los iones cargados en el agua se mueven entre dos electrodos», dijo Logan.
Con el movimiento de los iones más grandes restringido por la membrana de ósmosis inversa, los investigadores necesitaban ver si había suficientes protones diminutos moviéndose a través de los poros para mantener una alta corriente eléctrica.
«Básicamente, teníamos que mostrar que lo que parecía un camino de tierra podía ser una interestatal», dijo Logan. «Teníamos que demostrar que podíamos obtener una gran cantidad de corriente a través de dos electrodos cuando había una membrana entre ellos que no permitía que los iones de sal se movieran hacia adelante y hacia atrás.»
Membrana de ósmosis inversa + renovables: el santo grial para producir hidrógeno a partir del agua de mar
A través de una serie de experimentos recientemente publicados en Energy & Environmental Science, los investigadores probaron dos membranas de ósmosis inversa disponibles en el mercado y dos membranas de intercambio catiónico, un tipo de membrana de intercambio de iones que permite el movimiento de todos los iones cargados positivamente en el sistema.
Cada una de ellas fue probada en cuanto a la resistencia de la membrana al movimiento de los iones, la cantidad de energía necesaria para completar las reacciones, la producción de hidrógeno y oxígeno, la interacción con los iones de cloruro y el deterioro de la membrana.
Logan explicó que mientras que una membrana de ósmosis inversa resultó ser un «camino de tierra», la otra funcionó bien en comparación con las membranas de intercambio catiónico. Los investigadores siguen investigando por qué había tal diferencia entre las dos membranas deósmosis inversa.
«La idea puede funcionar», dijo. «No sabemos exactamente por qué estas dos membranas han estado funcionando de manera tan diferente, pero eso es algo que vamos a averiguar».
Recientemente, los investigadores recibieron una subvención de 300.000 dólares de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) para continuar investigando la electrólisis del agua de mar. Logan espera que su investigación juegue un papel crítico en la reducción de las emisiones de dióxido de carbono en todo el mundo.
«El mundo está buscando hidrógeno renovable», dijo. «Por ejemplo, Arabia Saudita ha planeado construir una instalación de hidrógeno de 5.000 millones de dólares que va a utilizar agua de mar. En este momento, tienen que desalinizar el agua. Tal vez puedan usar este método en su lugar.»
Noticia tomada de: Phys.org / Traducción libre del inglés por World Energy Trade
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