Lietuvos mokslininkai užpatentavo naują vandenilio gavybos iš vandens būdą

Vandenilio išskyrimas iš vandens yra sudėtingas mokslo ir technikos uždavinys. Paprastai vandenilis iš vandens gaunamas elektrolizės būdu, tačiau įskaičiuojant visas energijos sąnaudas, vandenilio gavybos efektyvumas sudaro tik apie 25–45 %. Be to, šis metodas reikalauja brangių katalizatorių ir aukštų temperatūrų (apie 3000 K).

Kita technologija, kurios efektyvumas didesnis, yra vandens pirolizė, kuri vyksta kaitinant koncentruotais Saulės spinduliais (pirolizė - terminis organinių medžiagų skaidymas be deguonies). Šiuo būdu gaunamo vandenilio atskyrimo nuo vandens efektyvumas yra gerokai didesnis, tačiau ši technologija vis dar tyrimų stadijoje. Radiolizės būdu gaminant vandenilį vandens molekulė skaldoma β ir γ spinduliais. Ši technologija nereikalauja aukštos temperatūros, tačiau jos efektyvumas labai mažas.

Vandenilis iš vandens garų plazmos

Vytauto Didžiojo universiteto, Lietuvos energetikos instituto ir Kauno technologijos universiteto mokslininkai užpatentavo naują vandenilio gamybos būdą iš vandens. Technologinė idėja pateikta 1 paveiksle. Įrenginyje vykstančius procesus trumpai galima apibūdinti taip. Kaitintuvas išgarina vandenį, kurie kaupiasi vandens garų kameroje. Garai pro specialias diafragmas patenka į jonizatoriaus vakuuminę kamerą. Diafragma suformuoja vandens nanolašus, kurių dydis apie 5 nm. Tokiame lašelyje vandens molekulių yra apie 30000. Jonizatorius įelektrina nanolašus, todėl pastarieji greitėdami juda link specialios membranos. Įsibėgėję nanolašai atsitrenkia į paviršių ir suyra, o sąveikos su membrana metu vandens molekulės disocijuoja (parodyta 2 – 3 paveiksluose). Membranos mikrostruktūra tokia, kad pro ją prasiskverbti gali tik vandenilio atomai, kurie surenkami vandenilio kameroje.

Išradėjų nuotr./Įrenginio vandenilio gavimui iš vandens schema

Įelektrinti nanolašai – tai vandens garų plazma, sudaryta iš teigiamų molekulinių jonų. Membranai suteikus neigiamą potencialą (iki 2 kV), įelektrinti nanolašai kerta į membranos paviršių ir skyla į atomus. Toks paviršiaus apšaudymas įelektrintomis molekulėmis vadinamas molekuline jonine implantacija.

Žemiau parodyta schema, paaiškinanti energingų vandens nanolašų skilimą į H ir O atomus. Krintantis energingas nanolašas sąveikauja su membrana, perduoda dalį savo kinetinės energijos membranos atomams, inicijuoja jų svyravimus ir lokalinę deformaciją. Dėl to membranoje formuojasi lokalinis aukštatemperatūrinis pikas, į kurį įterptos vandens molekulės disocijuoja į vandenilio ir deguonies atomus. Nanolašas pilnai skyla į jį sudarančius atomus per maždaug 20-30 fs.

Išradėjų nuotr./Įelektrinto vandens nanolašo susidūrimas su membrana ir skilimas į vandenilio ir deguonies atomus

Naujo metodo privalumai

Vytauto Didžiojo universiteto profesorius dr. Liudas Pranevičius nurodo tokius šio vandenilio gavybos būdo privalumus: „Tai ekologiškai švari technologija, kuriai nereikia nei brangių katalizatorių, nei aukštų temperatūrų. Vandens molekulės skilimas ir vandenilio nuo deguonies atomų atskyrimo procesai vyksta vienu metu, todėl nereikia papildomo proceso vandeniliui atskirti nuo reakcijos produktų. Įelektrintus vandens nanolašus galima nukreipti į didelių paviršių membranas (1 m2 ir daugiau), taip padidinant vandenilio gavybą. Visi procesai vyksta kambario temperatūroje, o esant dideliems nanolašų srautams membranos papildomai gali būti nesudėtingai vėsinamos vandeniu. Be to procesas lengvai valdomas keičiant jonus greitinančią įtampą ir matuojant srovę.“

Vis tik pasiūlytas vandenilio gavybos metodas reikalauja sudėtingų įrengimų. Ar ekonomiškai pasiteisina ši brangi technologija? Lietuvos energetikos instituto Vandenilio technologijų centro direktoriaus dr. Dariaus Milčiaus nuomone, daug kainuoja pradinės investicijos. Vėliau, gaminant vandenilį, visa įranga dirba santykinai nesudėtingomis fizikinėmis sąlygomis, todėl jos patikimumas didelis. Be to, pabrėžia Centro direktorius, kol kas atliekami tyrimai, ir padaryta labai daug: pagilintas supratimas apie vandens molekulių atomizaciją medžiagose, ištirtas vandenilio pernašos mechanizmas nanokristalinėse medžiagose. Tai Lietuvos mokslininkų indėlis sprendžiant sudėtingas problemas, susijusias su vandenilio energetikos plėtra.

Pagrindinė pasiūlyto vandenilio gamybos iš vandens technologijos dalis yra membrana, kurios paviršiuje skyla vandens molekulės. Membrana turi būti pakankamai plona, o mikrostruktūra tokia, kad praleistų vandenilio atomus, o deguonies atomus sulaikytų ant paviršiaus. Ji turi nekeisti savo elementinės sudėties ir struktūros po ilgo apspinduliavimo jonais, turi būti atspari temperatūriniams svyravimams ir t.t. Todėl VDU, LEI ir KTU mokslininkų kolektyvas, vykdydamas nacionalinės programos „Ateities energetika“ projektą „Vandenilio gavyba iš vandens garų plazmos molekulinės implantacijos būdu“ (Nr. ATE-02/2010), daugiausia dėmesio skyrė būtent membranų, kurios būtų tinkamos vandeniliui atskirti, tyrimams.

Vandenilį atskirianti membrana

Kad vandens molekulės suskiltų, o vandenilis atskirtas, membrana turi turėti tokią struktūrą, kokia pateikta 3 paveiksle. Plonas (2-5 μm) viršutinis membranos sluoksnis formuojamas ant porėto padėklo, kurio storis 200-500 μm, o porų dydis iki 100 nm. Pro šias poras išteka vandenilis suformuodamas H2 molekules. Tuo tarpu viršutinio membranos sluoksnio, kuriame vyksta vandens molekulių skaldymas į deguonies ir vandenilio atomus ir vandenilio atskyrimas, storis 2-5 μm. Ji gali būti metalinė arba keramikinė, turi turėti tankią nanokristalinę struktūrą (kristalitų dydis – 15-50 nm) su tarpkristaliniais kanalais, kurių matmenys būtų mažesni nei 1 nm.

Disociavusių H ir O atomų rekombinacijos tikimybė medžiagoje yra nedidelė, todėl H atomų susidarymo efektyvumas medžiagoje siekia beveik 100%. Laisvas vandenilis atskiriamas nuo deguonies parenkant membranų medžiagas ir struktūrą, kuri sulaiko O atomus membranos paviršiniame sluoksnyje (formuoja oksidus) ir praleidžia H atomus per membraną difuzijos nanokristatalitų briaunomis būdu.

Išradėjų nuotr./Įelektrinto vandens nanolašo susidūrimas su membrana ir skilimas į vandenilio ir deguonies atomus

Vytauto Didžiojo universiteto Fizikos katedros doktorantas Martynas Lelis aktyviai darbavosi prie vandenilio gavybos sistemos kūrimo ir tyrimo darbų. Jo nuomone, sintetinant medžiagas galima efektyviai išnaudoti nanoinžinerijos privalumus, tačiau reikiamų savybių medžiagos atradimas – tai daug kruopščių pastangų reikalaujantis darbas. Ne išimtis ir membranų vandenilio atskyrimui formavimas.

Žemiau parodyti keramikos tipo medžiagos LaNbO4 plonų sluoksnių paviršiaus mikrostruktūra po jos suformavimo kambario temperatūroje ir po atkaitinimo 1100 oC. Vienas iš atliktų tyrimų rezultatų yra tai, kad didžiausias vandenilio pralaidumas (arba protoninis laidumas) retuosiuose žemės metaluose stebimas lantano junginiuose.

Išradėjų nuotr./LaNbO4 plonų sluoksnių paviršiaus mikrostruktūra po jos suformavimo kambario temperatūroje

Išradėjų nuotr./LaNbO4 plonų sluoksnių paviršiaus mikrostruktūra po atkaitinimo 1100 laipsnių pagal Celsijų temperatūroje

Apibendrinant galima pasakyti, kad Lietuvos mokslininkai pasiūlė naują vandenilio gavybos iš vandens technologiją, kuri padės spręsti aktualias vandenilio ekonomikos ir gamtos apsaugos problemas. Siūlomas vandenilio gavybos būdas suteikia naujas galimybes vandeniliui iš vandens gauti nenaudojant brangių katalizatorių ir garantuoja 100 % ekologiškai švarią technologiją.

Parengė doc. dr. Arvydas Kanapickas,
Fizikos katedra,
Gamtos mokslų fakultetas,
Vytauto Didžiojo universitetas