A hidrogén előállítása szennyvízből új távlatokat nyit a fenntartható energiaiparban, miközben jelentősen csökkenti a vízkezelési költségeket. A Princeton Egyetem mérnöki karának legfrissebb kutatása szerint a tiszta víz helyett szennyvíz is használható hidrogén előállítására, ami akár 47%-kal mérsékelheti a vízkezelési költségeket a hidrogéntermelés során.
A kutatás háttere és jelentősége
A hidrogén, mint tiszta energiaforrás, kulcsszerepet játszhat az ipari szektorok dekarbonizációjában, különösen azokban, amelyeket nehéz elektromos árammal működtetni, például az acél- és műtrágyagyártásban. Azonban a jelenlegi elektrolitikus hidrogéntermelés nagy mennyiségű tiszta vizet igényel, ami nemcsak költséges, hanem helyi vízkészletekre is nyomást gyakorol.
Z. Jason Ren, a kutatás vezető szerzője és a polgári és környezeti mérnöki tanszék professzora elmondta: „A hidrogén infrastruktúra általában versenyez a helyi frissvízhasználattal. Ugyanakkor minden településen van szennyvíztisztító telep, ami egy nagyon elosztott vízforrást jelenthet a hidrogéngazdaság számára.”
Hidrogén előállítása elektrolízissel – alapok
A megújuló energiával előállított hidrogént zöld hidrogénnek nevezzük. Ez az elektrolízis folyamatán alapul, amely során a vizet hidrogénre és oxigénre bontják. Az elektrolizáló berendezésben az elektromos áram hatására pozitív töltésű hidrogénionok (protonok) mozognak az anódtól egy speciális membránon keresztül a katód felé, ahol elektronokkal egyesülve hidrogéngázzá alakulnak.
Jelenleg az Egyesült Államokban termelt hidrogén nagy része kék hidrogén, amelynek előállításához földgázt használnak energiaként, és legalább részben elfogják és tárolják a keletkező szén-dioxidot. Ez alacsonyabb szén-dioxid-kibocsátást eredményez, mint a közvetlen földgázhasználat.
A tiszta víz igényének problémája és a szennyvíz alternatívája
A zöld hidrogén előállítása azonban általában ultrapure (ultratiszta) vizet igényel, amelyet fordított ozmózis vagy más tisztítási eljárásokkal állítanak elő. Ez jelentős költséggel jár és energiaigényes folyamat.
A Princeton kutatócsoportja azt vizsgálta, hogy vajon a szennyvíztisztító telepeken kezelt, úgynevezett „visszanyert” szennyvíz alkalmas-e közvetlenül az elektrolízishez anélkül, hogy teljesen megtisztítanák azt. Ez a visszanyert víz olyan tisztítási fokozaton esik át, amely alkalmassá teszi például talajvízbe engedésre vagy öntözésre.
Kísérleti eredmények és kihívások
Korábbi próbálkozások során az ilyen típusú vízzel végzett elektrolízis rendszerint csak rövid ideig működött megfelelően. A kutatócsoport ezért részletes diagnosztikai kísérleteket végzett protoncserélő membrános elektrolizáló berendezéssel – ugyanazzal a technológiával, amelyet jelenleg is használnak ultrapure vízzel.
- Elektrokémiai tesztek és mikroszkópos elemzés: összehasonlították az ultrapure vizet és a visszanyert szennyvizet használó rendszereket.
- Teljesítménycsökkenés: A visszanyert vízzel működő rendszer gyorsan vesztett hatékonyságából arra következtettek, hogy valamilyen komponens akadályozza az iontranszportot.
- Kiváltó ok: A kalcium- és magnéziumionok okozzák a problémát – ezek az ásványi anyagok lerakódnak a membránon, eltömítve azt és megakadályozva az ionok áramlását.
Innovatív megoldás: savasítás kéntartalmú savval
A kutatók egyszerű és hatékony megoldást találtak: a visszanyert vizet kénsavval savasították. Ez az acidifikált pufferoldat bőséges protonforrást biztosít, amelyek versenyezni tudnak más ionokkal, így fenntartva az ionvezetőképességet és az elektromos áram folytonosságát.
Z. Jason Ren kiemelte: „Az ultrapure víz előállítása drága ionmentesítést igényel. Most azonban elegendő egy kis savasítás ahhoz, hogy ionokat tartalmazó vizet használjunk az elektrolizálóban – így több mint 300 órán át stabilan működik.”
Költség- és energiahatékonyság javulása
A kutatócsoport becslése szerint a visszanyert szennyvíz alkalmazása akár 47%-kal csökkentheti a vízkezelési költségeket és mintegy 62%-kal mérsékelheti annak energiafelhasználását. Fontos továbbá, hogy a savasító anyag körforgásban marad – nem kerül ki a rendszerből –, ami környezetvédelmi és gazdasági szempontból is előnyös.
További fejlesztések és ipari alkalmazás
A Princeton csapata ipari partnerekkel együttműködve dolgozik azon, hogy módszerüket nagyobb léptékben is teszteljék, valamint megvizsgálják annak alkalmazhatóságát előkezelt tengervíz esetében is. Korábbi tanulmányukban feltérképezték az Egyesült Államok legalkalmasabb helyszíneit arra, hogy hidrogéngyártó létesítményeket telepítsenek közvetlenül szennyvíztisztító telepek mellé.
Záró gondolatok
A kutatás nemcsak mély műszaki elemzésből állt, hanem átfogó stratégiai munkát is magában foglalt annak érdekében, hogy támogassa egy országos hidrogénstratégia kialakítását. A visszanyert szennyvízzel történő hidrogéngyártás új lehetőséget kínál arra, hogy fenntarthatóbbá tegyük az ipari energiatermelést anélkül, hogy további terhet róna helyi vízkészletekre.
Forrás: Z. Jason Ren és munkatársai „Electrolytic hydrogen production from acidified wastewater effluent” című tanulmánya, Water Research, 2023. szeptember 24.
Forrás: https://engineering.princeton.edu/news/2025/10/28/dirty-water-boosts-prospects-clean-hydrogen