Sebuah tim peneliti di China telah mengembangkan alat untuk memisahkan air laut asin untuk menghasilkan hidrogen secara langsung. Perangkat ini, elektroliser air laut berbasis membran, membantu mengatasi masalah reaksi samping dan korosi dari metode tradisional.
Tim yang dipimpin oleh Zongping Shao, seorang profesor teknik kimia di China’s Nanjing Tech University, telah menerbitkan studi mereka di jurnal Nature dan mengklaim bahwa model mereka “berjalan selama lebih dari 3.200 jam dalam kondisi aplikasi praktis tanpa kegagalan”.
Tim membuat air laut benar-benar terpisah dari elektrolit kalium hidroksida pekat dan elektroda menggunakan membran berbasis PTFE yang murah, tahan air, breathable, anti-biofouling. Selaput ini menghentikan air cair untuk melewatinya, tetapi mereka membiarkan uap air melewatinya. Perbedaan tekanan uap air antara sisi air laut dan sisi elektrolit “memberikan kekuatan pendorong untuk gasifikasi (penguapan) air laut secara spontan di sisi air laut.”
Mengapa metode tradisional tidak berkelanjutan
Sebagian besar hidrogen yang diproduksi saat ini berasal dari sumber bahan bakar fosil yang secara signifikan dapat menambah jejak karbon. “Elektrolisis air garam elektrokimia menggunakan energi terbarukan sebagai input adalah metode yang sangat diinginkan dan berkelanjutan untuk produksi massal hidrogen hijau,” kata sebuah rilis.
Namun, ada masalah. Sifat-sifat air asin menyebabkan korosi pada elektroda yang digunakan dalam berbagai sistem, seringkali membuatnya tidak dapat digunakan. Penggunaan lapisan polianion untuk menahan korosi oleh ion klorida atau elektrokatalis yang sangat selektif belum cukup membantu untuk aplikasi praktis.
Proses desalinasi dapat mengatasi masalah tersebut, “namun memerlukan masukan energi tambahan, sehingga secara ekonomis kurang menarik.” Ukuran peralatan yang terlibat dalam proses desalinasi juga membuat solusi tersebut kurang fleksibel.
Elektroliser biasanya terdiri dari dua elektroda yang dilapisi dengan katalis, dan membran memisahkan komponen penyusunnya – hidrogen dan oksigen. Pembentukan gas klorin yang sangat korosif dalam proses menyebabkan katalis dan elektroda terdegradasi lebih cepat. Ion magnesium dan kalsium dalam air laut juga dapat menyumbat membran. Faktor-faktor ini menurunkan efisiensi dan masa pakai perangkat tersebut secara keseluruhan.
“Strategi kami mewujudkan elektrolisis air laut langsung yang efisien, fleksibel ukuran, dan terukur dengan cara yang mirip dengan pemisahan air tawar tanpa peningkatan biaya operasi yang signifikan,” kata Shao kepada IEEE Spectrum.
Tim menggunakan larutan elektrolit kalium hidroksida pekat untuk mencelupkan elektroda, dan membran berpori membantu memisahkan larutan elektrolit dari air laut. Selaput kaya fluor memblokir air cair tetapi membiarkan uap air melewatinya.
Selama elektrolisis, air dalam larutan elektrolit dimuntahkan ke dalam komponen penyusunnya. Hal ini menghasilkan variasi tekanan antara elektrolit dan air laut, yang menyebabkan air laut menguap. Pada saat yang sama, air melewati membran ke dalam elektrolit dan kembali menjadi air cair, mengisi kembali stok untuk siklus berikutnya.
“Yang penting, konfigurasi dan mekanisme ini menjanjikan aplikasi lebih lanjut dalam pengolahan limbah berbasis air secara simultan dan pemulihan sumber daya serta pembangkitan hidrogen dalam satu langkah.”
Para peneliti yakin bahwa perangkat mereka, selain menghasilkan hidrogen, juga dapat memulihkan litium dari air laut. Aplikasi lebih lanjut dari perangkat meluas ke aktivitas seperti membersihkan air tawar industri.
Dalam hal efisiensi, pengelektrolisis mengkonsumsi sekitar 5 kWh untuk setiap meter kubik normal (Nm3) hidrogen yang dihasilkan. Karena hidrogen membawa sekitar 3,544 kWh energi per Nm3, pengelektrolisis air laut ini beroperasi dengan efisiensi sekitar 71%.
Mereka menemukan peningkatan 42 kali lipat yang signifikan setelah beberapa ratus jam, dan mereka dapat mengendapkan beberapa kristal lithium karbonat, menunjukkan bahwa dengan pengembangan lebih lanjut, mesin ini mungkin dapat menghasilkan pendapatan baik dari hidrogen maupun logam baterai – yang dapat menjadi dorongan besar dalam hal penyerapan dan penskalaan komersial.
“Abstrak Asli dari Jurnal”
elektrolisis air garam elektrokimia menggunakan energi terbarukan sebagai input adalah metode yang sangat diinginkan dan berkelanjutan untuk produksi massal hidrogen hijau; namun, kelayakan praktisnya ditantang secara serius oleh daya tahan yang tidak mencukupi karena reaksi samping elektroda dan masalah korosi yang timbul dari komponen kompleks air laut.
Meskipun rekayasa katalis menggunakan lapisan polianion untuk menekan korosi oleh ion klorida atau membuat elektrokatalis yang sangat selektif telah dimanfaatkan secara luas dengan keberhasilan sederhana, masih jauh dari memuaskan untuk aplikasi praktis. Pemisahan air laut secara tidak langsung dengan menggunakan proses pra-desalinasi dapat menghindari reaksi samping dan masalah korosi, tetapi membutuhkan masukan energi tambahan, sehingga secara ekonomis kurang menarik. Selain itu, sistem desalinasi besar yang independen membuat sistem elektrolisis air laut kurang fleksibel dalam hal ukuran.
Di sini kami mengusulkan metode elektrolisis air laut langsung untuk produksi hidrogen yang secara radikal mengatasi masalah reaksi samping dan korosi. Sistem demonstrasi dioperasikan secara stabil pada kerapatan arus 250 miliampere per sentimeter persegi selama lebih dari 3.200 jam dalam kondisi aplikasi praktis tanpa kegagalan.
Strategi ini mewujudkan elektrolisis air laut langsung yang efisien, fleksibel ukuran, dan dapat diskalakan dengan cara yang mirip dengan pemisahan air tawar tanpa peningkatan biaya operasi yang signifikan, dan memiliki potensi tinggi untuk aplikasi praktis. Yang penting, konfigurasi dan mekanisme ini menjanjikan aplikasi lebih lanjut dalam pengolahan limbah berbasis air secara simultan dan pemulihan sumber daya serta pembangkitan hidrogen dalam satu langkah.
Sumber: Interesting Engineering
