Waterstof is een essentieel onderdeel bij de vervaardiging van duizenden veelvoorkomende producten, van plastic tot meststoffen, maar het produceren van zuivere waterstof is duur en energie-intensief. Nutsvoorzieningen, een onderzoeksteam van Princeton University heeft zonlicht gebruikt om waterstof uit industrieel afvalwater te isoleren.

In een paper gepubliceerd op 19 februari in het tijdschrift Energie en milieuwetenschappen , de onderzoekers meldden dat hun proces de huidige geaccepteerde snelheid verdubbelde voor schaalbare technologieën die waterstof produceren door water te splitsen.

De techniek maakt gebruik van een speciaal ontworpen kamer met een "Zwitserse kaas" zwarte siliciuminterface om water te splitsen en waterstofgas te isoleren. Het proces wordt ondersteund door bacteriën die elektrische stroom opwekken bij het consumeren van organisch materiaal in het afvalwater; de stroom, beurtelings, helpt het watersplitsingsproces.

Het team, onder leiding van Zhiyong Jason Ren, hoogleraar civiele en milieutechniek en het Andlinger Centrum voor Energie en Milieu, koos voor de test afvalwater van brouwerijen. Ze lieten het afvalwater door de kamer lopen, een lamp gebruikt om zonlicht te simuleren, en zag hoe de organische verbindingen werden afgebroken en de waterstof opborrelde.

Het proces "stelt ons in staat om afvalwater te behandelen en tegelijkertijd brandstoffen te genereren, " zei Jing Gu, een co-onderzoeker en assistent-professor scheikunde en biochemie aan de San Diego State University.

De onderzoekers zeiden dat de technologie een beroep zou kunnen doen op raffinaderijen en chemische fabrieken, die doorgaans hun eigen waterstof produceren uit fossiele brandstoffen, en geconfronteerd met hoge kosten voor het reinigen van afvalwater.

historisch, waterstofproductie was afhankelijk van olie, gas of kolen, en een energie-intensieve methode waarbij de koolwaterstofvoorraad met stoom wordt verwerkt. Chemische fabrikanten combineren het waterstofgas vervolgens met koolstof of stikstof om hoogwaardige chemicaliën te maken. zoals methanol en ammoniak. De twee zijn ingrediënten in synthetische vezels, kunstmest, kunststoffen en schoonmaakmiddelen, onder andere alledaagse goederen.

Hoewel waterstof kan worden gebruikt als brandstof voor voertuigen, de chemische industrie is momenteel de grootste producent en verbruiker van waterstof. De productie van chemicaliën in sterk geïndustrialiseerde landen vereist meer energie dan de productie van ijzer, staal, metalen en voedsel, volgens een rapport uit 2016 van de Amerikaanse Energy Information Administration. Het rapport schat dat de productie van basischemicaliën de komende twee decennia de grootste industriële energieverbruiker zal blijven.

"Het is een win-winsituatie voor de chemische en andere industrieën, " zei Lu Lu, de eerste auteur van de studie en een associate research scientist bij het Andlinger Center. "Ze kunnen besparen op afvalwaterzuivering en besparen op hun energieverbruik door dit waterstofproductieproces."

Volgens de onderzoekers is dit is de eerste keer dat echt afvalwater geen in het laboratorium gemaakte oplossingen, is gebruikt om waterstof te produceren met behulp van fotokatalyse. Het team produceerde het gas continu gedurende vier dagen totdat het afvalwater op was, wat belangrijk is, zeiden de onderzoekers, omdat vergelijkbare systemen die chemicaliën uit water produceren, in het verleden na een paar uur gebruik hebben gefaald. De onderzoekers maten de waterstofproductie door de hoeveelheid elektronen te meten die door de bacteriën worden geproduceerd, die direct correleert met de hoeveelheid geproduceerde waterstof. De meting was aan de hoge kant voor vergelijkbare laboratoriumexperimenten en, Ren zei, twee keer zo hoog als technologieën met het potentieel om op te schalen voor industrieel gebruik.

Ren zei dat hij deze technologie als schaalbaar ziet omdat de kamer die wordt gebruikt om de waterstof te isoleren modulair is, en verschillende kunnen worden gestapeld om meer afvalwater te verwerken en meer waterstof te produceren.

Hoewel er nog geen levenscyclusanalyse is uitgevoerd, de onderzoekers zeiden dat het proces op zijn minst energieneutraal zal zijn, zo niet energie positief, en elimineert de noodzaak van fossiele brandstoffen om waterstof te maken.

De onderzoekers zeiden dat ze in de toekomst waarschijnlijk zullen experimenteren met het produceren van grotere hoeveelheden waterstof en andere gassen. en kijken ernaar uit om deze technologie naar de industrie te verplaatsen.