एल्युमिनियम और समुद्री जल से त्वरित हाइड्रोजन उत्पादन: सक्रियण धातुओं की उन्नत पुनर्प्राप्ति

तरल धातुओं का उपयोग करके, एल्युमीनियम के यांत्रिक रासायनिक सक्रियण के माध्यम से एल्युमीनियम-जल प्रतिक्रिया (AWR) से हाइड्रोजन और ऊष्मा उत्पन्न करना संभव है। 1 शोधकर्ताओं ने इमिडाज़ोल और कैफीन जैसे त्वरक को घोल में मिलाकर एल्युमीनियम और समुद्री जल से त्वरित हाइड्रोजन उत्पादन का प्रदर्शन किया।

अध्ययन का उद्देश्य: पानी में एल्युमीनियम की प्रतिक्रियाशीलता को प्रेरित करने के लिए सतह कोटिंग के रूप में उपयोग किए जाने वाले गैलियम-इंडियम यूटेक्टिक को पुनः प्राप्त करना।

एल्युमिनियम और समुद्री जल से त्वरित हाइड्रोजन उत्पादन

इस अध्ययन में, शोधकर्ता गैलियम-इंडियम यूटेक्टिक (eGaIN) की रिकवरी की जांच करते हैं। इस सामग्री का उपयोग एल्युमिनियम के सतही उपचार के लिए किया जाता है। वैज्ञानिकों का लक्ष्य एल्युमिनियम को और अधिक सक्रिय करने के लिए इस सामग्री का पुनः उपयोग करना है। इसके अलावा, अध्ययन यह मूल्यांकन करता है कि eGaIn को पुनर्प्राप्त करते समय हाइड्रोजन को कुशलतापूर्वक उत्पन्न करने के लिए प्रतिक्रिया स्थितियों और रासायनिक त्वरक का अनुकूलन कैसे होता है।

मुख्य आकर्षण

• सक्रिय एल्यूमीनियम जल के साथ प्रतिक्रिया करके ऊष्मा, हाइड्रोजन गैस और एल्यूमीनियम ऑक्सीहाइड्रॉक्साइड (एक गैर विषैली और मूल्यवान वस्तु) उत्पन्न करता है।
• यह हाइड्रोजन उत्पादन और परिवहन का एक लागत प्रभावी और कुशल तरीका है।
• समुद्री जल में इमिडाज़ोल की थोड़ी मात्रा डालने के 10 मिनट के अंदर तीव्र प्रतिक्रिया होने लगती है।
• अचानक प्रतिक्रियाओं से 90% से अधिक गैलियम-इंडियम यूटेक्टिक की पुनः प्राप्ति और पुनः उपयोग संभव हो पाता है।
• अनुमानित हाइड्रोजन उत्पादन का 99% एल्युमीनियम के द्रव्यमान के आधार पर उत्पादित किया गया।
• उच्च तापमान पर प्रतिक्रिया करने पर खारे पानी में एल्युमीनियम की तीव्र और पूर्ण प्रतिक्रिया देखी गई।

इसके अलावा, लागत कम करने और प्रक्रिया की स्थिरता में सुधार करने के लिएइंडियम और गैलियम का पुनर्चक्रण महत्वपूर्ण है। जंग को रोकने के लिए, जब एल्युमीनियम ऑक्सीजन के संपर्क में आता है तो एक सुरक्षात्मक ऑक्साइड परत बनती है। उच्च शक्ति घनत्व वाले हाइड्रोजन को उत्पन्न करने के लिए इस ऑक्साइड परत को तोड़ना आवश्यक है।

हरित हाइड्रोजन के उत्पादन में गैलियम और इंडियम की भूमिका

AWR तब होता है जब लिक्विड मेटल यूटेक्टिक के साथ सक्रियण एल्युमिनियम को कमज़ोर करने के लिए कम पिघलने वाले धातु मिश्र धातुओं का उपयोग करता है। यह पानी को ऑक्साइड परत में घुसने देता है। यहाँ, गैलियम और इंडियम की महत्वपूर्ण भूमिका हैगैलियम ऑक्साइड परत में प्रवेश करता है और इंडियम मिश्र धातु को कण सीमाओं तक पहुंचने की अनुमति देता है।

इसके अलावा, शोधकर्ता रेहबिंडर प्रभाव द्वारा सामग्री की लचीलापन और कठोरता को कम करते हैं। इसके परिणामस्वरूप सतह ऑक्साइड फ़िल्में नष्ट हो जाती हैं और eGaIn को एल्युमिनियम में प्रवेश करने में सक्षम बनाता है। प्रतिक्रिया के दौरान इंडियम और गैलियम को पुनर्चक्रित करते समय किसी भी परिवर्तन को रोकना महत्वपूर्ण है।

आरटीई पूर्व अध्ययन, एल्युमीनियम सक्रियण में eGaIn की पुनर्प्राप्ति AWRs को बढ़ाकर सुनिश्चित की जाती है। एक अन्य अध्ययन का निष्कर्ष एल्युमीनियम पानी के साथ प्रतिक्रिया करके हाइड्रोजन, ऊष्मा और एल्युमीनियम ऑक्सीहाइड्रॉक्साइड (AIOOH) बनाता है। यह 86 MJ/L का उच्च ऊर्जा घनत्व भी प्रदान करता है, जो डीजल से दोगुना और Li-आयन बैटरी से 40 गुना अधिक है।

AWR में शामिल ऊर्जा का लगभग आधा हिस्सा गैसीय हाइड्रोजन के रूप में निकलता है। शेष आधा हिस्सा 400-450 kJ मोल एल्युमिनियम के बीच ऊष्मीय ऊर्जा के रूप में निकलता है। इस प्रक्रिया को प्रदर्शित करने के लिए यहाँ एक समीकरण दिया गया है। Q1 और Q2 प्रत्येक प्रतिक्रिया द्वारा जारी की गई ऊष्मा को दर्शाते हैं।

• Al + 2H2O/3 2 H2 + AlOOH + Q1 (समीकरण 1)
• Al + 3H2O/3 2 H2 + AlðOHÞ3 + Q2 (समीकरण 2)

शोध के अनुसार, लिथियम बैटरी की तुलना में कार्बन नैनोट्यूब रस्सियों में अधिक ऊर्जा भंडारण होता है

अवलोकन और परिणाम

आयनिक विलयनों में पुनर्प्राप्ति हाइड्रोजन का उत्पादन करना

12 M NaCl घोल में सक्रिय एल्युमिनियम पेलेट की 3.9 घंटे की प्रतिक्रिया के बाद, तरल eGaIn कण निकलते हैं। इन कणों का निर्माण और विलय प्रतिक्रिया में प्रगति के साथ जारी रहा।

इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी और एक्स-रे विवर्तन (एक्सआरडी) विश्लेषण से पता चलता है कि तरल धातु चरण में शुद्ध गैलियम-इंडियम मिश्र धातु होती हैइसके चारों ओर एल्युमीनियम और ऑक्सीजन की उच्च सांद्रता है।

हालाँकि, आणविक संरचना और सांद्रता सहित आयनिक विलयनों के बीच अंतर को समझने के लिए विश्लेषण अभी किया जाना बाकी है। इससे प्रतिक्रिया की दर और पुनर्प्राप्ति दर स्पष्ट हो जाएगी।

यह आंकड़ा समय के साथ हाइड्रोजन उत्पादन की प्रगति को दर्शाता है। इसमें आइसोकोरिक स्थितियों के तहत लवण या सल्फेट्स को जोड़ने जैसे विभिन्न समाधानों में AWR शामिल है। एक व्युत्क्रम घातीय वृद्धि पैटर्न है जो एक असिमोटोटिक सीमा तक पहुँचता है। नीचे दी गई छवि 2 अलग-अलग व्यवस्थाओं को दिखाती है।

• प्रथम शासन - डीआई जल में मानक एडब्ल्यूआर की विशेषता यह है कि प्रतिक्रिया प्रेरण समय के 30 सेकंड के बाद शुरू होती है और 5 मिनट के भीतर पूरी हो जाती है।
• दूसरा शासन - यह क्लोरीन युक्त सभी पदार्थों में देखा गया। यह धीमी प्रतिक्रिया दर दिखाता है और 250 से 1250 मिनट (लगभग 4 से 21 घंटे) के भीतर पूरा हो जाता है।

टिप्पणियों

• बार-बार किये गये प्रयोगों से यह पुष्टि होती है कि क्लोरीन की उपस्थिति से अभिक्रिया धीमी हो जाती है।
• कुछ सल्फेट मानक अभिक्रिया 0.5 M MgSO4, 0.5 M CaSO4, 0.5 M Na2SO4, और 0.25 M K2SO4 को धीमा कर देते हैं।
• अन्य उच्च प्रतिक्रिया दर बनाए रखते हैं जैसे 0.5 M FeSO4 और 3 M Al2ðSO4Þ3।

अनुपात और प्रतिक्रिया दर के बीच संबंध

नीचे दी गई तालिका सल्फेट और लवण युक्त विभिन्न विलयनों में किए गए विभिन्न प्रयोगों के परिणाम दिखाती है। इसका उद्देश्य रिकवरी अनुपात और प्रतिक्रिया दरों के बीच संबंध का विश्लेषण करना था।

समाधान का प्रकार	रिकवरी अनुपात (±5)	प्रतिक्रिया दर (एल/मिनट/किग्राएल)
3 एम NaCl	100.00	2.22
0.5 एम Na2SO4	97.12	3.48
0.1 एम Al2 (SO4) 3	0.00	212.65
0.1 एम Fe SO4	0.00	1,159.42
0.1 एम सीए SO4	0.00	12.71
0.25 एम K2SO4	80.64	3.03
0.5 एम एमजी SO4	100.00	5.62

टिप्पणियों

• शोधकर्ताओं ने उल्लेखनीय अंतरनिर्भरता पाई है।
• उच्च पुनर्प्राप्ति अनुपात कम प्रतिक्रिया दरों के साथ सहसंबंधित है।
• तीव्र प्रतिक्रियाएं विशेष रूप से नमक और सल्फेट विलयनों में पुनर्प्राप्ति को बाधित करती हैं।
• जल के साथ यूटेक्टिक की प्रत्यक्ष प्रतिक्रिया के कारण डीआई जल में रिकवरी कम या न के बराबर होती है।
  AWR की प्रगति के साथ, कण की सीमाओं में यूटेक्टिक पदार्थ बाहर निकल जाते हैं, क्योंकि कणों का आकार माइक्रोमीटर से मिलीमीटर तक होता है।
• उच्च ज़ीटा-विभव मान, इलेक्ट्रोस्टैटिक बलों के माध्यम से कणों के प्रभावी प्रतिकर्षण को सुगम बनाकर निलंबन को स्थिर करते हैं।
• eGaIn ऋणात्मक रूप से आवेशित होने के कारण धनात्मक रूप से आवेशित आयनों को आकर्षित करता है, जो पुनर्प्राप्ति के लिए इसके ज़ीटा-पोटेंशियल और कोलाइडल स्थिरता पर निर्भर करते हैं।
• विभवान्तर का उच्च निरपेक्ष मान कणों को एक दूसरे के निकट आने से रोकता है।

पैटर्न के अनुसार, प्रतिक्रिया गतिकी का ऐसे विलयनों में eGaIn पुनर्प्राप्ति की दक्षता पर सीधा प्रभाव पड़ता है। हालाँकि AWR अधिकांश जलीय माध्यमों में होता है, लेकिन विभिन्न कारक सक्रिय तत्वों की पुनर्प्राप्ति को प्रभावित करते हैं। इन कारकों में आयनिक प्रजातियाँ और विलयन का तापमान शामिल हैं।

परिवहन अनुप्रयोगों के लिए हाइड्रोजन उत्पन्न करने के लिए इन-व्हीकल रिएक्टरों का उपयोग करना कुशल eGaIn रिकवरी और तेज़ प्रतिक्रियाओं को प्राप्त करने में चुनौतीपूर्ण लगता है। यह इंजनों को चलाने के लिए उच्च हाइड्रोजन उत्पादन दरों के लिए महत्वपूर्ण है।

रासायनिक त्वरक हरित हाइड्रोजन उत्पादन के लिए

घरेलू उत्पाद परीक्षण में एक सरल त्वरक, AWR आयनिक समाधान के लिए कैफीन. लुओ एट अल. ने पिछले अध्ययन में विभिन्न क्रॉस-युग्मन प्रतिक्रियाओं में उत्प्रेरक के रूप में कैफीन कॉम्प्लेक्स के उपयोग पर पहले ही जोर दिया जा चुका है।

इसके अलावा, हाल के जैव-चिकित्सा अध्ययनों में कैफीन का उपयोग एक एजेंट के रूप में किया गया है गैलियम और एल्युमिनियम. ये दर्शाता है कैफीन की आपसी संबंधों में क्षमता AWR प्रक्रिया में शामिल धातुओं के साथ।

कुल मिलाकर, अध्ययनों से पता चलता है कि कैफीन की विशेषताएँ सुरक्षित हैं और अणुओं को तेजी से अवशोषित करती हैं। उनमें अन्य पदार्थों के साथ बंधन बनाने की क्षमता होती है। यह इस स्थिति में एक व्यवहार्य त्वरक के रूप में इसके आकर्षण को और बढ़ाता है।

टिप्पणियों

• खाद्य कॉफ़ी की प्रतिक्रिया दर अधिक होती है।
• शोधकर्ताओं ने मुख्य घटक कैफीन को अलग किया, फिर उच्च गुणवत्ता वाले अभिकर्मक ग्रेड >99% का उपयोग करके इसका परीक्षण किया।
• इन विभिन्न सांद्रताओं में प्रतिक्रिया दर और हाइड्रोजन की पैदावार में एकरूपता देखी गई। इस प्रयोग में सभी मामलों में प्रतिक्रिया समय लगभग 5 मिनट था।

निम्नलिखित चित्र कैफीन के परीक्षण के परिणाम दर्शाता है।

नमकीन पानी में इमिडाज़ोल का परीक्षण

कैफीन की आणविक संरचना में पाए जाने वाले चक्रीय घटक इमिडाज़ोल का भी परीक्षण किया गया। शोधकर्ताओं ने नमकीन पानी में इमिडाज़ोल की विभिन्न सांद्रता के प्रभाव का परीक्षण किया। इससे सूक्ष्म तंत्र की बेहतर समझ मिली।

टिप्पणियों

• जब इमिडाज़ोल की अलग-अलग मात्राएं मिलाई गईं, तो प्रतिक्रिया दर में उल्लेखनीय वृद्धि हुई, जो 0.02 से 1 m तक थी।
• उच्च नमक सांद्रता (0.6 से 4 मी NaCl) के साथ भी, प्रतिक्रियाएँ 20 मिनट के भीतर घटित हुईं।
• इमिडाज़ोल या कैफीन की सांद्रता बढ़ने के साथ, eGaIn पुनर्प्राप्ति अनुपात में उल्लेखनीय कमी आई।
• सर्वोत्तम पुनर्प्राप्ति 33 एम की सांद्रता पर 0.001% प्राप्त की गई।
• इमिडाज़ोल की सांद्रता 90 M तक कम करने पर लगभग 0.02% का बेहतर रिकवरी अनुपात देखा गया।

इस प्रयोग के माध्यम से आयनिक विलयनों में एडब्ल्यूआर पर इमिडाज़ोल और कॉफ़ी जैसे यौगिकों के प्रभाव के बारे में रोचक जानकारी सामने आई। धातुओं की सतह पर बंधे मुक्त नाइट्रोजन परमाणुओं की उपस्थिति के साथ सभी मामलों में प्रतिक्रिया दर बढ़ जाती है। इसके अलावा, रिकवरी अनुपात द्विध्रुवीय क्षण की ताकत, विविध आणविक संरचना, बदलती ज्यामिति और विद्युत ऋणात्मकता से प्रभावित थे।

प्रारंभिक तापमान प्रभाव

eGaIn की वसूली उच्च स्तर पर रही 90°C पर 0.6 M NaCl में लगभग 80% और 77°C पर लगभग 90%। ऐसे परिणाम वाहन इंजनों में हाइड्रोजन उत्पादन को प्रोत्साहित करते प्रतीत होते हैं। हालाँकि, 90 डिग्री सेल्सियस पर रिकवरी में कमी एक सीमा को इंगित करती है जो एक तापमान सीमा की उपस्थिति का सुझाव देती है जो eGaIn रिकवरी दक्षता को प्रभावित करती है। कुल मिलाकर, यह अंतर्दृष्टि व्यावहारिक अनुप्रयोग के लिए AWR प्रक्रिया को अनुकूलित करने में सहायक है, विशेष रूप से समुद्री जल की स्थिति जैसे परिदृश्यों में।

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समुद्री जल परीक्षण, विस्तार और eGaIn का पुनः उपयोग

प्रयोग की संचालनीयता को सत्यापित करने के लिए, समुद्री जल का परीक्षण त्वरक के साथ और बिना त्वरक के किया गया। शोधकर्ताओं ने अमेरिका के मैसाचुसेट्स के रेवरे में रेवरे बीच से पानी एकत्र किया, जो अटलांटिक महासागर से आता है। परीक्षण उन्हीं तरीकों का उपयोग करके किए गए।

टिप्पणियों

• कमरे के तापमान पर, 0.6 M NaCl घोल और वास्तविक समुद्री जल का हाइड्रोजन उत्पादन और प्रतिक्रिया गति के संदर्भ में व्यवहार समान होता है।
• कैफीन या इमिडाज़ोल जैसे रासायनिक त्वरक मिलाने और खारे पानी को पहले से गर्म करने से प्रतिक्रिया दर में वृद्धि हुई।
• पूरे प्रयोग के दौरान प्रतिक्रिया दर और पुनर्प्राप्ति अनुपात एक समान रहे।
• 50 लीटर समुद्री जल के घोल से सक्रिय एल्यूमीनियम का द्रव्यमान 5 ग्राम से अधिक हो गया।
• बरामद पदार्थ का वजन eGaIn इनपुट द्रव्यमान से अधिक था। यह अतिरिक्त तत्वों की उपस्थिति को और भी साबित करता है।
• 24 घंटे तक DI जल में प्रतिक्रिया होने के बाद, eGaIn अन्य पदार्थों से अलग हो गया।
• पृथक किये गये eGaIn का पुनर्प्राप्ति अनुपात 90% से 100% तक है।

इसके बाद, अधिक ताजा एल्युमिनियम को सक्रिय करने के लिए पुनर्प्राप्त यूटेक्टिक का पुनः उपयोग किया गया। पूरे शोध में देखी गई स्थिरता ने यूटेक्टिक को कई बार पुनर्चक्रित करने की संभावना को प्रदर्शित किया। इसके माध्यम से, आयनिक घोल के कारण अधिक एल्युमिनियम को सक्रिय करना संभव है।

शोधकर्ता नवीनतापूर्वक अपशिष्ट जल और समुद्री जल से सूक्ष्म शैवाल के साथ कम कार्बन ईंधन बनाना.

निष्कर्ष

निष्कर्ष में, eGaIn की रिकवरी EDL निर्माण पर निर्भर करती है। हाइड्रोजन उत्पादन के लिए eGaIn के साथ एल्युमिनियम पेलेट को पुनः सक्रिय करने के कारण लागत में कमी संभव है। त्वरक के साथ हाइड्रोलिसिस में 0.6 M NaCl वाले समुद्री जल का उपयोग किया गया। इमिडाज़ोल और कैफीन जैसे रासायनिक त्वरक ने प्रतिक्रिया और रिकवरी दरों पर सकारात्मक प्रभाव दिखाया।

इसके अलावा, हाइड्रोजन भंडारण के लिए ऊर्जा संतुलन महत्वपूर्ण है। ईंधन उत्पादन के लिए एल्युमीनियम उपचार के लिए कुल ऊर्जा उत्पादन का लगभग 2% आवश्यक है। यह इसके लिए आवश्यक उच्च भंडारण क्षमता को और भी उजागर करता है। इस प्रकार, शोधकर्ता प्रक्रिया की लागत और कार्बन पदचिह्न का लगातार विश्लेषण कर रहे हैं। इससे प्रौद्योगिकी की आर्थिक व्यवहार्यता और स्थिरता निर्धारित करने में मदद मिलेगी।

स्रोत: एल्युमीनियम और समुद्री जल से त्वरित हाइड्रोजन उत्पादन के लिए सक्रियण धातुओं की उन्नत पुनर्प्राप्ति