Водень відіграє центральну роль в енергетичному переході. Газ переважно виробляється за допомогою електролізерів. Цей процес вимагає критично важливої сировини, такої як метали платинової групи, рідкоземельні елементи та нікель , які діють як каталізатори. Дослідники з Інституту ресурсних технологій імені Гельмгольца у Фрайберзі тепер змогли відновити ці функціональні матеріали за допомогою інноваційних процесів флотації та рідинно-рідинної екстракції частинок, таким чином реінтегруючи їх у матеріальний цикл. Це дослідження є частиною флагманського проекту BMBF H2Giga, який досліджує довговічність та можливість переробки водневих електролізерів.
Водень вважається чистим енергоносієм, який може сприяти зменшенню викидів CO2. Особлива увага тут приділяється зеленому водню, який виробляється шляхом електролізу води з використанням відновлюваних джерел енергії, таких як енергія вітру та сонця. Водень використовується в промисловості, наприклад, як сировина для виробництва хімічних речовин та сталі, а також у транспортному секторі, де він служить паливом для автомобілів на паливних елементах. Крім того, водень також може використовуватися для зберігання надлишкової енергії з відновлюваних джерел, що робить його важливим компонентом сталого та кліматично чистого енергетичного майбутнього. Згідно з національною водневою стратегією, очікується, що Німеччині до 2030 року знадобиться від 95 до 135 терават-годин водню.
Існує кілька методів виробництва водню, один з яких – електроліз води: у цьому процесі вода розщеплюється на водень і кисень за допомогою електричного струму. Каталізатори в електролізері складаються з критично важливих металів, так званих функціональних матеріалів. Електролізери з протонно-обмінною мембраною (PEM) переважно використовують метали платинової групи, такі як платина, іридій і паладій. Високотемпературні електролізери використовують рідкісноземельні елементи та нікель. Забезпечення цієї критично важливої сировини є надзвичайно важливим. Це завдання, яке вирішують дослідники Інституту Гельмгольца у Фрайберзі (HIF) під керівництвом Технічної академії Берга Фрайберга в рамках проекту ReNaRe.
ReNaRe розшифровується як «Переробка – Стале використання ресурсів» і є частиною флагманського проекту H2Giga. Для реалізації національної водневої стратегії Федеральне міністерство освіти та досліджень (BMBF) запустило три флагманські проекти, спрямовані на допомогу Німеччині у впровадженні водневої економіки. Один з них – H2Giga, який зосереджений на масовому виробництві водневих електролізерів. ReNaRe вирішує проблему закінчення терміну служби електролізерів, прагнучи реінтегрувати використані матеріали, і особливо критичні метали, у цикл переробки.
«Ми працюємо над переробкою PEM та високотемпературних електролізерів, оскільки вони легко розбираються. Ми використовуємо методи розділення надтонких частинок для відновлення функціональних матеріалів. Критичні анодні та катодні матеріали присутні у вигляді дрібних частинок, приблизно в соту частину розміру людської волосини. Рідинно-рідинна екстракція частинок та агломераційна флотація виявилися придатними для розділення цих функціональних матеріалів. Екстракція надтонких частинок використовує сталий цикл розчинник-вода для ефективного розділення гідрофобних (водовідштовхувальних) катодних каталізаторів та гідрофільних (водопритягувальних) анодних каталізаторів. Додатковий процес агломераційної флотації використовує інноваційний, сталий гідрофобний сполучний матеріал, що забезпечує агломерацію частинок в однорідну масу. Цей сполучний матеріал базується на спеціальній емульсійній технології — суміші олії та води з дуже високим вмістом води, яка вибірково зв’язує гідрофобні надтонкі частинки». «Частинки агломеруються. Це дозволяє розділяти гідрофільні дрібні частинки шляхом їх адгезії до газових бульбашок та їх видалення в піні», — пояснює Сохьон Ан, докторант HIF, описуючи процедуру. «Використовуючи обидва методи, нам вдалося відновити до 90 відсотків критично важливих функціональних матеріалів та повернути їх у матеріальний цикл. Це вирішальний крок до економічного та сталого використання водневого електролізу».
У цьому проєкті дослідники розробляють відповідну схему процесу, яка дозволяє здійснювати переробку в технічному масштабі та адаптується до поточних і майбутніх технологічних розробок. Крім того, проводяться оцінки технологій у формі аналізу життєвого циклу та техніко-економічного аналізів для кількісної оцінки переваг переробки для сталого розвитку та економічної ефективності.
Оригінальна публікація en
С. Ан, С.А. Патіл, М. Рудольф: Рециркуляція надтонких частинок - Ефективність гідрофобної подвійної емульсійної техніки для селективної агломерації та пінної флотації надтонких частинок катодного каталізатора з водних електролізерів PEM, у ACS Engineering, 2025 (DOI: 10.1021/acsengineeringau.4c00042)
С. Ан, С.А. Патіл, М. Рудольф: Вплив поверхнево-активних речовин на селективне механічне розділення активних матеріалів дрібних високотемпературних електролізерів, що сприяє циркулярній економіці, у Industrial Chemistry & Materials, 2024 (DOI: 10.1039/D4IM00044G)
С. Ан, М. Рудольф: Розробка процесів механічного розділення дрібних частинок з використанням репрезентативних каталітичних матеріалів для переробки води в електролізерах PEM з використанням їхніх змочувальних характеристик, у ChemCatChem, 2024 (DOI: 10.1002/cctc.202300931)
також читати
Рідкісноземельні елементи: перші конкретні кроки до циркулярної економіки | Pugnalom
Дослідникам вдалося виробити «зелений» нікель | Pugnalom
