تأثير جودة المياه على استهلاك الطاقة في إنتاج الهيدروجين الكهربائي باستخدام تقنية PEM

أصبحت تقنية التحليل الكهربائي بغشاء تبادل البروتون (PEM) من الطرق الشائعة نظرًا لكفاءتها العالية، وكثافة تيارها العالية، وقدرتها على التكيف مع درجات الحرارة، وسرعة استجابتها. على الرغم من أن معظم الأبحاث تركز على تجربة استخدام أجهزة التحليل الكهربائي بغشاء تبادل البروتون، أو تطوير محفزات جديدة، أو تحسينات في أغشية تبادل البروتون، إلا أن تحسين النظام ومياه التغذية لا يزال يمثل تحديات بالغة الأهمية. لذلك، تُركز هذه الدراسة على تأثير معايير جودة المياه - بما في ذلك الرقم الهيدروجيني (pH)، والمواد الصلبة الذائبة الكلية (TDS)، والتوصيلية - على استهلاك أجهزة التحليل الكهربائي بغشاء تبادل البروتون للطاقة لتحسين إنتاج الهيدروجين. غالبًا ما تكون هذه المعايير مترابطة وتؤثر على أداء التحليل الكهربائي.

مبدأ عمل محلل كهربائي PEM تتضمن عملية التحليل الكهربائي التحلل الكهروكيميائي للماء إلى هيدروجين وأكسجين عند الأقطاب الكهربائية. ولأن الماء هو الوسط الرئيسي للتفاعل، فإن جودته تؤثر بشكل مباشر على كفاءة التحليل الكهربائي واستهلاك الطاقة. تشمل عوامل جودة المياه الرئيسية الرقم الهيدروجيني (pH)، والأملاح الذائبة (TDS)، والتوصيلية. على سبيل المثال، يمكن للرقم الهيدروجيني (pH) أن يغير جهد تفاعل اختزال الأكسجين، مما يؤثر على استهلاك الطاقة، إلا أن المستويات العالية من الرقم الهيدروجيني قد تسبب تدهور الغشاء. قد تساعد الموصلية المنخفضة في تقليل استهلاك الطاقة، لكن الموصلية العالية جدًا قد تتلف الغشاء. ترتبط المواد الذائبة الذائبة (TDS) بموصلية الماء وقد تسبب مشاكل في الترسب. توصي الجمعية الأمريكية لاختبار المواد (ASTM) باستخدام الماء منزوع الأيونات من النوع الأول (الكربون العضوي الكلي). <50 جزء في المليار، المقاومة >1 MΩ·cm، الصوديوم والكلور <٥ ميكروغرام/لتر). مع ذلك، غالبًا ما تحتوي مصادر المياه الفعلية على شوائب، مما يزيد من تكاليف التنقية. تشير الدراسات إلى عدم إنتاج الهيدروجين عند صفر من المواد الصلبة الذائبة، بينما تساعد مستويات المواد الصلبة الذائبة العالية (٠-٢٠٠٠ جزء في المليون) على زيادة الإنتاج.

1. تأثير الرقم الهيدروجيني على إنتاج الغاز واستهلاك الطاقة

ترتبط كفاءة التحليل الكهربائي للماء باستخدام غشاء تبادل البروتون (PEM) لإنتاج الهيدروجين (بما في ذلك إنتاج الغاز واستهلاك الطاقة) ارتباطًا وثيقًا بدرجة حموضة الإلكتروليت. الشرط الأساسي هو أن تبقى درجة الحموضة ضمن النطاق الأمثل المُصمم لنظام التحليل الكهربائي. الانحراف عن هذا النطاق (زيادة الحموضة أو القلوية) سيؤثر سلبًا على أداء النظام. يمكن للبيئات شديدة الحموضة أو القلوية أن تُغير المحفزات عن ظروف عملها المثالية، وتُقلل من نشاطها الكيميائي، أو حتى تُسبب تلفًا هيكليًا، مما يؤدي إلى تباطؤ معدلات تفاعل تطور الهيدروجين (HER) وتفاعل تطور الأكسجين (OER). بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تؤثر ظروف درجة الحموضة الشديدة على حالة الترطيب والاستقرار الكيميائي لغشاء تبادل البروتون (PEM)، مما يُعيق نقل الهيدروجين بكفاءة ويُسبب انقطاعات في إمداد المواد المتفاعلة. قد تُؤدي البيئة شديدة الحموضة إلى تآكل الأقطاب الكهربائية وتكوين رواسب تغطي المواقع النشطة، بينما قد تُسبب البيئة شديدة القلوية ترسب الشوائب، مما يزيد من استهلاك الطاقة المُهدر ويُعيق أيضًا توليد الغاز، مما يُقلل من إنتاجه.

2. تأثير المواد الصلبة الذائبة الكلية (TDS) على إنتاج الغاز واستهلاك الطاقة

يشير مصطلح "المواد الصلبة الذائبة الكلية" (TDS) إلى التركيز الكلي للمواد العضوية وغير العضوية المذابة في الماء، وهو مؤشر رئيسي لتقييم جودة المياه. يزداد إنتاج الغاز مع ارتفاع تركيزات المواد الصلبة الذائبة الكلية، إذ قد تعمل هذه المواد كمحفز لتكوين الهيدروجين. في المقابل، يؤدي انخفاض مستويات المواد الصلبة الذائبة الكلية إلى إنتاج محدود للغاز، ولا ينتج الهيدروجين عند صفرها.

يؤثر إجمالي المواد الصلبة الذائبة (TDS) بشكل كبير على استهلاك الطاقة. فارتفاع إجمالي المواد الصلبة الذائبة يزيد من توصيلية الماء، ولكنه يرفع جهد المحلل الكهربائي، مما يؤدي إلى زيادة استهلاك الطاقة. وفي الوقت نفسه، قد يُسبب إجمالي المواد الصلبة الذائبة (TDS) تراكمًا للرواسب على الأقطاب الكهربائية أو الأغشية، مما يُقلل من الكفاءة. وللتخفيف من هذه الآثار، يُنصح باستخدام تقنيات معالجة المياه (مثل التناضح العكسي أو إزالة الأيونات) لتقليل إجمالي المواد الصلبة الذائبة (TDS) وتحسين استهلاك الطاقة.

3. تأثير الموصلية على إنتاج الغاز

الموصلية الكهربائية عامل مهم آخر يعكس تركيز الأيونات في الماء. يمكن للموصلية الكهربائية العالية أن تقلل من الجهد الزائد لتفاعل اختزال الأكسجين في الأنود (OER)، مما يقلل من استهلاك الطاقة. ومع ذلك، فإن الموصلية الكهربائية العالية جدًا تزيد من خطر تلف الغشاء واستهلاك طاقة الضخ.

4. تأثير اختلاف جودة المياه على استهلاك الطاقة

مقارنة بين تأثيرات مياه البحر ومياه الآبار والمياه منزوعة الأيونات على أجهزة التحليل الكهربائي PEM:

• مياه البحر: تعمل الأملاح والمعادن المذابة بكميات كبيرة على زيادة التوصيل ولكنها تزيد أيضًا من المقاومة، مما يتطلب جهدًا أعلى ويؤدي إلى زيادة استهلاك الطاقة.

• مياه الآبار: عادةً ما يؤدي انخفاض المواد المذابة إلى انخفاض استهلاك الطاقة مقارنة بمياه البحر، ولكن عدم اليقين في التركيب المعدني يشكل تحديات.

• الماء منزوع الأيونات: تؤدي الموصلية المنخفضة إلى تقليل المقاومة وتحسين كفاءة الطاقة، ولكن نقص الأيونات الضرورية يتطلب استخدامًا حذرًا بناءً على تصميم النظام.

5. أهمية إدارة جودة المياه

غالبًا ما يركز التحليل الكهربائي للماء بتقنية PEM على المُحلل الكهربائي نفسه، إلا أن الأنظمة المساعدة (BOP)، وخاصةً إدارة مياه التغذية، لا تقل أهمية. إن تحسين معايير جودة المياه (الرقم الهيدروجيني، والأملاح الذائبة، والتوصيلية) لا يُعزز الكفاءة وإنتاج الغاز فحسب، بل يُطيل أيضًا عمر المعدات. على الرغم من أن نظام BOP لأنظمة PEM أبسط من الأنظمة القلوية، إلا أن التحكم في جودة المياه النقية يظل عاملًا أساسيًا في تحقيق كفاءة واستقرار التشغيل.