Matérias-primas críticas dos electrolisadores de volta ao ciclo
Investigadores conseguem reciclar materiais funcionais para a produção de hidrogénio
O hidrogénio desempenha um papel central na transição energética. O gás é produzido principalmente com a ajuda de electrolisadores. Este processo requer matérias-primas essenciais como os metais do grupo da platina, as terras raras ou o níquel como catalisadores. Os investigadores do Instituto Helmholtz de Freiberg para a Tecnologia de Recursos (HIF), um instituto do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), conseguiram agora recuperar estes materiais funcionais utilizando processos inovadores de flotação e separação de partículas líquido-líquido, devolvendo-os assim ao ciclo de materiais. A investigação faz parte do projeto líder H2Giga do Ministério Federal Alemão da Educação e Investigação (BMBF), que está a investigar a longevidade e a reciclabilidade dos electrolisadores de hidrogénio.
Ilustração esquemática dos métodos de separação
Sohyun Ahn
O hidrogénio é considerado uma fonte de energia limpa que pode ajudar a reduzir as emissões de CO2. O foco aqui é particularmente o hidrogénio verde, que é produzido através da eletrólise da água utilizando energias renováveis como a energia eólica e solar. O hidrogénio é utilizado na indústria, por exemplo, como matéria-prima para a produção de produtos químicos e aço, bem como no sector dos transportes, onde é utilizado como combustível para veículos com células de combustível. O hidrogénio pode também ser utilizado para armazenar energia excedentária proveniente de fontes renováveis, o que o torna um elemento importante para um futuro energético sustentável e respeitador do clima. De acordo com a estratégia nacional para o hidrogénio, prevê-se que a Alemanha necessite de 95 a 135 terawatts-hora de hidrogénio em 2030.
Podem ser utilizados vários processos para produzir hidrogénio - um deles é a eletrólise da água: a água é decomposta em hidrogénio e oxigénio através de uma corrente eléctrica. Os catalisadores no eletrolisador são constituídos por metais críticos, os chamados materiais funcionais. Os electrolisadores de membrana de permuta de protões (PEM) utilizam principalmente metais do grupo da platina, como a platina, o irídio e o paládio. Os electrolisadores de alta temperatura utilizam terras raras e níquel. Estas matérias-primas críticas precisam de ser asseguradas. Este é um projeto em que os investigadores do HIF estão a trabalhar sob a liderança da TU Bergakademie Freiberg no projeto ReNaRe.
ReNaRe significa Recycling - Sustainable Resource Utilization (Reciclagem - Utilização Sustentável de Recursos) e faz parte do projeto emblemático H2Giga. Para implementar a estratégia nacional para o hidrogénio, o BMBF criou três projectos emblemáticos para a entrada da Alemanha na economia do hidrogénio. Um deles é o H2Giga, que se centra na produção em série de electrolisadores de hidrogénio. O ReNaRe concentra-se no fim de vida dos electrolisadores, a fim de reintroduzir os materiais utilizados, em especial os metais críticos, no ciclo de materiais.
"Estamos envolvidos na reciclagem de PEM e de electrolisadores de alta temperatura, uma vez que são fáceis de desmontar. Utilizamos técnicas de separação de partículas ultrafinas para recuperar os materiais funcionais. Isto deve-se ao facto de os materiais críticos do ânodo e do cátodo estarem presentes como partículas finas. O seu tamanho corresponde a aproximadamente um centésimo de um cabelo humano. A separação líquido-líquido de partículas e a flotação por aglomeração provaram ser adequadas para separar os materiais funcionais. A extração de partículas ultrafinas utiliza um sistema sustentável de circulação solvente-água para a separação eficaz de catalisadores catódicos hidrofóbicos, ou seja, repelentes de água, e catalisadores anódicos hidrofílicos (que atraem a água). A flotação de aglomeração complementar utiliza um aglutinante hidrofóbico inovador e sustentável para permitir a aglomeração das partículas numa massa uniforme. O aglutinante baseia-se numa tecnologia de emulsão especial, ou seja, uma mistura de óleo e água com um teor de água muito elevado, que aglomera seletivamente partículas ultrafinas hidrofóbicas. Isto permite a separação de partículas ultrafinas hidrofílicas por adesão a bolhas de gás e descarga na espuma", diz Sohyun Ahn, estudante de doutoramento no HIF, descrevendo o procedimento. "Com ambos os processos, conseguimos recuperar até 90% dos materiais funcionais críticos e devolvê-los ao ciclo do material. Um passo importante para a operação da eletrólise do hidrogénio de forma económica e sustentável".
No projeto, os investigadores estão agora a desenvolver um esquema de processo adequado que permite a reciclagem a uma escala técnica e é adaptável aos desenvolvimentos tecnológicos actuais e futuros. Além disso, estão a ser realizadas avaliações tecnológicas sob a forma de análises do ciclo de vida e análises técnico-económicas, a fim de quantificar os benefícios da reciclagem em termos de sustentabilidade e eficiência de custos.
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Publicação original
Sohyun Ahn, Suvarna Patil, Martin Rudolph; "Ultrafine Particle Recycling─Efficiency of the Hydrophobic Double Emulsion Technique for the Selective Agglomeration and Froth Flotation of Ultrafine Cathode Catalyst Particles from PEM Water Electrolyzers"; ACS Engineering Au, Volume 5, 2024-12-20
Sohyun Ahn, Suvarna Patil, Martin Rudolph; "Influence of surfactants on selective mechanical separation of fine active materials used in high temperature electrolyzers contributing to circular economy"; Industrial Chemistry & Materials, Volume 2, 2024
Sohyun Ahn, Martin Rudolph; "Development of Fine Particle Mechanical Separation Processes with Representative Catalyst Materials for Recycling PEM Water Electrolyzers Exploiting their Wetting Characteristics"; ChemCatChem, Volume 16, 2023-12-15
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