Hệ thống chiết xuất đồng thời hydro, nước ngọt và uranium từ biển

Nhóm nghiên cứu tại Viện Vật lý Hóa học Đại Liên, thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, phát hệ thống đồng sản xuất quy mô nhỏ, có khả năng vận hành ổn định, sử dụng cùng một quy trình để sản xuất cả hydro và nước ngọt từ biển, đồng thời có thể thu hồi uranium, brom và nhiều tài nguyên khác.

Sản xuất hydro từ nước biển bằng năng lượng tái tạo được xem là hướng phát triển xanh, nhưng những công nghệ hiện nay vẫn gặp nhiều trở ngại.

Nếu điện phân trực tiếp nước biển, lượng ion chloride cao có thể phản ứng với cực dương và gây ăn mòn điện cực. Trong khi đó, canxi và magiê tạo cặn trên cực âm, làm giảm hiệu suất thiết bị.

Một giải pháp khác là khử muối nước biển bằng thẩm thấu ngược hoặc chưng cất để tạo nước tinh khiết, sau đó mới điện phân lấy hydro. Phương pháp này tránh được nhiều vấn đề của điện phân trực tiếp, nhưng cần thêm thiết bị khử muối, khiến chi phí và lượng điện tiêu thụ tăng.

Các nhà khoa học Trung Quốc lựa chọn cải tiến phương pháp thứ hai bằng cách kết nối quá trình điện phân và khử muối, qua đó tận dụng nguồn nhiệt thải giữa hai công đoạn.

Năm 2023, nhóm nghiên cứu chế tạo hệ thống thử nghiệm công suất 25 kW dựa trên công nghệ này. Liên đoàn Công nghiệp Dầu mỏ và Hóa chất Trung Quốc đánh giá hệ thống đạt trình độ dẫn đầu quốc tế.

Nhóm sau đó nâng công suất lên 250 kW và tập trung tận dụng lượng nhiệt thất thoát trong quá trình điện phân. Tính toán cho thấy giải pháp này không chỉ tiết kiệm năng lượng mà còn có khả năng mang lại hiệu quả kinh tế.

Trong các hệ thống thương mại hiện nay, khi thiết bị hoạt động ở 80-90°C, khoảng 30% điện năng trở thành nhiệt thải khó tận dụng. Nhiệt này thường được loại bỏ bằng hệ thống nước làm mát, khiến quá trình tiếp tục tiêu tốn thêm năng lượng và nước ngọt.

Để tận dụng nguồn nhiệt trên, nhóm nghiên cứu kết nối thiết bị điện phân với hệ thống khử muối. Nhiệt thải từ quá trình điện phân được đưa trực tiếp vào tháp chưng cất chân không, giúp nước biển sôi và bay hơi ở nhiệt độ thấp, khoảng 40-50°C. Hơi nước sau đó được ngưng tụ thành nước ngọt.

Lượng nước ngọt thu được đủ cung cấp trở lại cho quá trình điện phân và vẫn còn dư. Trong khi đó, phần nước biển cô đặc còn lại có thể tiếp tục được xử lý qua nhiều công đoạn để thu hồi muối, uranium, brom và các tài nguyên biển khác.

Theo Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, hệ thống công suất 250 kW có thể sản xuất 380.000 m³ hydro tiêu chuẩn mỗi năm, với độ tinh khiết 99,9999%, đồng thời tạo ra 256 tấn nước ngọt.

So với phương pháp điện phân nước kiềm truyền thống để sản xuất hydro, hệ thống mới giúp tăng hiệu suất sử dụng điện 14,4%. Trong thử nghiệm, thiết bị hoạt động ổn định suốt 40 ngày dù được khởi động và dừng hàng ngày, không ghi nhận sự suy giảm đáng kể.

Phân tích chi phí cho thấy công nghệ mới có khả năng cạnh tranh kinh tế tốt hơn quy trình sản xuất hydro truyền thống gồm hai bước khử muối rồi điện phân.

Nếu sử dụng điện gió trên bờ với giá 0,033 USD/kWh, chi phí sản xuất hydro ước tính khoảng 2,1 USD/kg. Với điện mặt trời giá 0,049 USD/kWh, chi phí vào khoảng 2,9 USD/kg, trong khi giá bán hydro hiện khoảng 3,9 USD/kg.

Nhà khoa học Deng Dehui cho biết các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung phát triển chất xúc tác hiệu quả hơn, tăng khả năng thu hồi nhiệt thải và ứng dụng AI để tối ưu thông số vận hành, qua đó nâng hiệu suất tổng thể của hệ thống.