Kesan Kualiti Air terhadap Penggunaan Tenaga dalam Pengeluaran Hidrogen Elektrolitik PEM

Teknologi elektrolisis Proton Exchange Membrane (PEM) telah menjadi salah satu kaedah arus perdana kerana kecekapannya yang tinggi, ketumpatan arus yang besar, kebolehsuaian suhu yang luas, dan kelajuan tindak balas yang pantas. Walaupun kebanyakan penyelidikan tertumpu pada demonstrasi elektrolisis PEM, pembangunan pemangkin baharu atau penambahbaikan dalam membran pertukaran proton, sistem dan pengoptimuman air suapan kekal sebagai cabaran kritikal. Oleh itu, kajian ini menekankan kesan parameter kualiti air—termasuk pH, Jumlah Pepejal Terlarut (TDS) dan kekonduksian—ke atas penggunaan tenaga elektrolisis PEM untuk mengoptimumkan pengeluaran hidrogen. Parameter ini selalunya saling berkaitan dan mempengaruhi prestasi elektrolisis.

Prinsip kerja a Elektrolisis PEM melibatkan penguraian elektrokimia air kepada hidrogen dan oksigen pada elektrod. Oleh kerana air adalah medium tindak balas utama, kualitinya secara langsung mempengaruhi kecekapan elektrolisis dan penggunaan tenaga. Faktor kualiti air utama termasuk pH, TDS dan kekonduksian. Sebagai contoh, pH boleh mengubah potensi tindak balas pengurangan oksigen, dengan itu menjejaskan penggunaan tenaga, tetapi tahap pH yang melampau boleh menyebabkan degradasi membran. Kekonduksian yang rendah boleh membantu mengurangkan penggunaan tenaga, tetapi kekonduksian yang terlalu tinggi boleh merosakkan membran. TDS berkaitan dengan kekonduksian air dan boleh menyebabkan masalah penskalaan. Persatuan Pengujian dan Bahan Amerika (ASTM) mengesyorkan menggunakan air ternyahion Jenis I (jumlah karbon organik <50 ppb, kerintangan >1 MΩ·cm, natrium dan klorin <5 µg/L). Walau bagaimanapun, sumber air sebenar selalunya mengandungi kekotoran, meningkatkan kos penulenan. Kajian menunjukkan bahawa tiada hidrogen dihasilkan apabila TDS adalah sifar, manakala tahap TDS yang tinggi (0–2000 ppm) membantu meningkatkan pengeluaran.

1. Kesan pH terhadap Pengeluaran Gas dan Penggunaan Tenaga​​

Kecekapan elektrolisis air PEM untuk pengeluaran hidrogen (termasuk pengeluaran gas dan penggunaan tenaga) berkait rapat dengan pH elektrolit. Keperluan teras ialah pH mesti kekal dalam "julat optimum" yang direka untuk sistem elektrolisis. Penyimpangan daripada julat ini (terlalu berasid atau terlalu beralkali) akan mengurangkan prestasi sistem dengan ketara. Persekitaran yang terlalu berasid atau beralkali boleh mengalihkan pemangkin daripada keadaan kerja optimumnya, mengurangkan aktiviti kimianya, atau malah menyebabkan kerosakan struktur, yang membawa kepada kadar tindak balas evolusi hidrogen (HER) dan reaksi evolusi oksigen (OER) yang lebih perlahan. Selain itu, keadaan pH yang melampau boleh menjejaskan keadaan penghidratan dan kestabilan kimia membran pertukaran proton (PEM), menghalang pengangkutan H⁺ yang cekap dan menyebabkan "gangguan bekalan" bahan tindak balas. Persekitaran yang terlalu berasid boleh menghakis elektrod dan membawa kepada mendapan yang meliputi tapak aktif, manakala persekitaran yang terlalu beralkali boleh menyebabkan pemendakan kekotoran, bukan sahaja meningkatkan penggunaan tenaga terbuang tetapi juga menghalang penjanaan gas, mengakibatkan pengeluaran gas berkurangan.

2. Kesan Jumlah Pepejal Terlarut (TDS) terhadap Pengeluaran Gas dan Penggunaan Tenaga​​

TDS merujuk kepada jumlah kepekatan bahan bukan organik dan organik yang terlarut dalam air dan merupakan penunjuk utama untuk menilai kualiti air. Pengeluaran gas meningkat dengan kepekatan TDS yang lebih tinggi, kerana TDS yang tinggi boleh bertindak sebagai pemangkin untuk menggalakkan pembentukan hidrogen. Sebaliknya, tahap TDS yang rendah mengakibatkan pengeluaran gas terhad, dan tiada hidrogen dihasilkan apabila TDS adalah sifar.

TDS memberi kesan ketara kepada penggunaan tenaga. TDS yang tinggi meningkatkan kekonduksian air tetapi meningkatkan voltan elektrolisis, membawa kepada penggunaan tenaga yang lebih tinggi. Pada masa yang sama, TDS boleh menyebabkan penskalaan pada elektrod atau membran, mengurangkan kecekapan. Untuk mengurangkan kesan ini, teknologi rawatan air (seperti osmosis terbalik atau penyahionan) disyorkan untuk mengurangkan TDS dan mengoptimumkan penggunaan tenaga.

3. Kesan Kekonduksian Terhadap Pengeluaran Gas​​

Kekonduksian adalah satu lagi parameter penting yang mencerminkan kepekatan ion dalam air. Kekonduksian yang tinggi boleh mengurangkan potensi berlebihan tindak balas pengurangan oksigen anod (OER), mengurangkan permintaan tenaga. Walau bagaimanapun, kekonduksian yang terlalu tinggi meningkatkan risiko kerosakan membran dan penggunaan tenaga pam.

4. Kesan Kualiti Air Berbeza terhadap Penggunaan Tenaga​​

Perbandingan kesan air laut, air perigi dan air ternyahion pada elektrolisis PEM:

• ​​Air laut​​: Garam dan mineral terlarut yang tinggi meningkatkan kekonduksian tetapi juga meningkatkan rintangan, memerlukan voltan yang lebih tinggi dan membawa kepada peningkatan penggunaan tenaga.

• ​​Air telaga​​: Lebih sedikit bahan terlarut biasanya menghasilkan penggunaan tenaga yang lebih rendah daripada air laut, tetapi ketidakpastian dalam komposisi mineral menimbulkan cabaran.

• ​​Air ternyahion​​: Kekonduksian yang rendah mengurangkan rintangan dan meningkatkan kecekapan tenaga, tetapi kekurangan ion yang diperlukan memerlukan penggunaan yang berhati-hati berdasarkan reka bentuk sistem.

5. Kepentingan Pengurusan Kualiti Air​

Elektrolisis air PEM sering memfokuskan pada elektrolisis itu sendiri, namun sistem tambahan (BOP), terutamanya pengurusan air suapan, adalah sama kritikal. Mengoptimumkan parameter kualiti air (pH, TDS, kekonduksian) bukan sahaja meningkatkan kecekapan dan pengeluaran gas tetapi juga memanjangkan jangka hayat peralatan. Walaupun BOP untuk sistem PEM adalah lebih mudah daripada sistem beralkali, mengawal kualiti air tulen kekal sebagai faktor utama dalam mencapai operasi yang cekap dan stabil.