Väte är en kritisk komponent i tillverkningen av tusentals vanliga produkter från plast till gödningsmedel, men att producera rent väte är dyrt och energikrävande. Nu, ett forskarlag vid Princeton University har utnyttjat solljus för att isolera väte från industriellt avloppsvatten.

I en artikel publicerad 19 februari i tidskriften Energi- och miljövetenskap , forskarna rapporterade att deras process fördubblade den för närvarande accepterade hastigheten för skalbar teknik som producerar väte genom att klyva vatten.

Tekniken använder en specialdesignad kammare med en "schweizerost" svart kiselgränssnitt för att dela vatten och isolera vätgas. Processen underlättas av bakterier som genererar elektrisk ström när de förbrukar organiskt material i avloppsvattnet; nuvarande, i tur och ordning, underlättar vattenklyvningsprocessen.

Laget, ledd av Zhiyong Jason Ren, professor i anläggnings- och miljöteknik och Andlinger Center for Energy and the Environment, valde avloppsvatten från bryggerier för testet. De rann avloppsvattnet genom kammaren, använde en lampa för att simulera solljus, och såg de organiska föreningarna brytas ner och vätet bubbla upp.

Processen "låter oss behandla avloppsvatten och samtidigt generera bränslen, " sa Jing Gu, en medforskare och biträdande professor i kemi och biokemi vid San Diego State University.

Forskarna sa att tekniken kan tilltala raffinaderier och kemiska anläggningar, som vanligtvis producerar sitt eget väte från fossila bränslen, och står inför höga kostnader för rening av avloppsvatten.

Historiskt sett, väteproduktion har förlitat sig på olja, gas eller kol, och en energikrävande metod som går ut på att bearbeta kolväteförrådet med ånga. Kemikalietillverkare kombinerar sedan vätgasen med kol eller kväve för att skapa högvärdiga kemikalier, såsom metanol och ammoniak. De två är ingredienser i syntetiska fibrer, gödselmedel, plast och rengöringsmedel, bland annat vardagsvaror.

Även om väte kan användas som fordonsbränsle, den kemiska industrin är för närvarande den största producenten och konsumenten av väte. Att producera kemikalier i högt industrialiserade länder kräver mer energi än att producera järn, stål, metaller och mat, enligt en rapport från 2016 från U.S. Energy Information Administration. Rapporten uppskattar att produktion av baskemikalier kommer att fortsätta att vara den främsta industriella energikonsumenten under de kommande två decennierna.

"Det är en win-win-situation för kemiska och andra industrier, sa Lu Lu, den första författaren till studien och en associerad forskare vid Andlinger Center. "De kan spara på rening av avloppsvatten och spara på sin energianvändning genom denna process för att skapa väte."

Enligt forskarna, detta är första gången faktiskt avloppsvatten, inte labbgjorda lösningar, har använts för att framställa väte med hjälp av fotokatalys. Teamet producerade gasen kontinuerligt under fyra dagar tills avloppsvattnet tog slut, vilket är betydelsefullt, forskarna sa, eftersom jämförbara system som producerar kemikalier från vatten historiskt har misslyckats efter ett par timmars användning. Forskarna mätte väteproduktionen genom att övervaka mängden elektroner som produceras av bakterierna, som direkt korrelerar med mängden producerat väte. Mätningen var i den höga delen för liknande laboratorieexperiment och, Ren sa, dubbelt så högt som tekniker med potential att skala för industriellt bruk.

Ren sa att han ser denna teknik som skalbar eftersom kammaren som används för att isolera vätet är modulär, och flera kan staplas för att behandla mer avloppsvatten och producera mer väte.

Även om en livscykelanalys ännu inte har gjorts, forskarna sa att processen åtminstone kommer att vara energineutral, om inte energipositiv, och eliminerar behovet av fossila bränslen för att skapa väte.

Forskarna sa att de sannolikt kommer att experimentera med att producera större mängder väte och andra gaser i framtiden, och ser fram emot att flytta denna teknik till industrin.