Studiata la fattibilità pratica dell'elettrolisi dell'acqua sporca, trattata dai depuratori idrici. Costi ridotti del 47%
Come produrre idrogeno dalle acque reflue trattate
Utilizzare fonti idriche alternative come l’acqua di recupero proveniente dal trattamento dei reflui urbani e industriali per rendere la produzione elettrolitica di idrogeno più sostenibile e integrata. È questa l’idea valutata da un nuovo studio scientifico, firmato dall’Università di Princeton. Qui un gruppo di ingegneri, guidato dal professore Z. Jason Ren, ha cercato di mettere mano ad una delle principali sfide della nuova economia dell’idrogeno: l’impiego di acqua dolce.
Alternative all’uso dell’acqua dolce
La maggior parte degli elettrolizzatori commerciali necessita di grandi volumi d’acqua ad alta purezza per funzionare. Secondo i dati forniti dagli stessi ingegneri di Princeton il processo richiede in media circa 10 kg di acqua per ogni kg di H2 generato con tecnologia PEM (membrana a scambio protonico). A ciò si aggiungono altri 19,5 kg d’acqua per kg di H2 per il raffreddamento degli impianti commerciali.
Cifre che hanno un costo preciso e che risultano insostenibili in regioni con problemi di approvvigionamento idrico.
Ecco perché negli ultimi anni la ricerca di settore si è focalizzata su fonti alternative come l’acqua di mare o quella di recupero. Ma se la prima porta con sé ulteriori sfide, sia a livello energetico che ambientale, legate alle tecnologie di dissalazione, la seconda soffre di una profonda lacuna nelle conoscenze. Lacuna che il nuovo studio è determinato a colmare.
Elettrolisi dell’acqua recuperata, il principale meccanismo di degradazione
Gli scienziati hanno dimostrato la fattibilità della produzione di idrogeno da acque reflue provenienti da impianti di recupero tramite elettrolizzatori PEM. L’esperimento, seppure solo su scala di laboratorio, ha dato risultati soddisfacenti.
“Le infrastrutture per l’idrogeno generalmente competono con l’uso locale di acqua dolce”, ha spiegato Ren, professore di ingegneria civile e ambientale presso l’Andlinger Center for Energy and the Environment. “Ma ogni città ha un impianto di trattamento delle acque reflue, e questa rappresenta una fonte d’acqua ampiamente distribuita per l’economia dell’idrogeno”.
Nota bene: l’acqua tratta dai depuratori possiede ancora delle impurità che inibiscono l’elettrolisi. In che modo? Fino a ieri era difficile rispondere in maniera puntuale alla domanda. L’ipotesi più accreditata era che gli anioni presenti (come ad esempio Cl– e NO3–) potessero avvelenare il catalizzatore o che i cationi (Na+, Ca2+ e Fe3+) riuscissero a interrompere il trasporto di protoni attraverso la membrana.
Il primo compito del team è stato dunque individuare i più importanti percorsi di degradazione indotti dalle impurità. Attraverso analisi sperimentali e modellistiche, hanno identificato gli ioni di calcio e magnesio, come la causa principale della perdita di prestazioni. Questi ioni aderiscono alla membrana, bloccando il passaggio e trasformandola in una barriera solida.
La soluzione
Una volta identificato il problema, il team ha quindi studiato una soluzione: rendere l’acqua più acida.
“Abbiamo acidificato l’ingresso dell’acqua recuperata per rimuovere le impurità cationiche e migliorare il trasporto protonico, estendendo la vita operativa dell’elettrolizzatore da meno di 8 ore a oltre 300 ore“, si legge nella pubblicazione su Water Research.
L’esperimento ha introdotto acido solforico che agisce come una ricca fonte di protoni che supera gli altri ioni, mantenendo la conduttività ionica, e consentendo una produzione continua di idrogeno.
“È costoso rimuovere tutti quegli ioni per ottenere acqua ultrapura nell’elettrolizzatore”, ha aggiunto il professore. “Ora, basta acidificarla un po’, immettere acqua contenente ioni nell’elettrolizzatore e dura più di 300 ore senza apparenti problemi”.
Idrogeno dalle acque reflue, dal laboratorio alla realtà
Gli scienziati hanno stimato che produrre idrogeno dalle acque reflue recuperate potrebbe ridurre di circa il 47% il costo del trattamento dell’acqua per la produzione di idrogeno e di circa il 62% il costo energetico di tale trattamento. Oggi il gruppo sta collaborando con partner industriali per testare il funzionamento del nuovo approccio su larga scala.
Leggi lo studio Electrolytic hydrogen production from acidified wastewater effluent pubblicato su Water Research.
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