جهاز تنقية المياه بالهيدروجين الإلكتروليتي

مع تزايد السعي العالمي نحو الطاقة النظيفة والتنمية المستدامة، باتت طاقة الهيدروجين، باعتبارها ناقلاً فعالاً ونظيفاً للطاقة، تحظى باهتمام متزايد. وباعتبارها حلقة وصل أساسية في سلسلة صناعة طاقة الهيدروجين، فإن تقنية تنقية الهيدروجين لا تقتصر على ضمان سلامة وموثوقية هذه الطاقة فحسب، بل تؤثر أيضاً بشكل مباشر على نطاق استخدامها وفوائدها الاقتصادية.

1. متطلبات الهيدروجين المنتج

يُعدّ الهيدروجين مادةً كيميائيةً خامةً وناقلاً للطاقة، وله متطلباتٌ مختلفةٌ من حيث النقاء ومحتوى الشوائب باختلاف تطبيقاته. ففي إنتاج الأمونيا الاصطناعية والميثانول وغيرها من المنتجات الكيميائية، ولتجنب تسمم المحفزات وضمان جودة المنتج، يجب إزالة الكبريتيدات والمواد السامة الأخرى الموجودة في غاز التغذية مسبقًا لتقليل محتوى الشوائب بما يتوافق مع المتطلبات. أما في المجالات الصناعية الأخرى، كصناعات المعادن والسيراميك والزجاج وأشباه الموصلات، فيتلامس غاز الهيدروجين مباشرةً مع المنتجات، وتكون متطلبات النقاء ومحتوى الشوائب أكثر صرامة. فعلى سبيل المثال، في صناعة أشباه الموصلات، يُستخدم الهيدروجين في عملياتٍ مثل تحضير البلورات والركائز، والأكسدة، والتلدين، وغيرها، والتي تفرض قيودًا صارمةً للغاية على الشوائب الموجودة فيه، كالأكسجين والماء والهيدروكربونات الثقيلة وكبريتيد الهيدروجين.

2. مبدأ عمل إزالة الأكسجين

بفعل عامل مساعد، يتفاعل مقدار ضئيل من الأكسجين الموجود في الهيدروجين مع الهيدروجين لإنتاج الماء، محققًا بذلك هدف إزالة الأكسجين. هذا التفاعل طارد للحرارة، ومعادلته كالتالي:

2H₂ + O₂ (عامل مساعد) - 2H₂O + Q

لأن التركيب والخصائص الكيميائية وجودة المحفز نفسه لا تتغير قبل وبعد التفاعل، يمكن استخدام المحفز بشكل مستمر دون تجديد.

يتكون جهاز إزالة الأكسدة من هيكل أسطواني داخلي وخارجي، حيث يُوضع المحفز بينهما. يُركّب عنصر تسخين كهربائي مقاوم للانفجار داخل الأسطوانة الداخلية، ويوجد مستشعرا حرارة في أعلى وأسفل عبوة المحفز لرصد درجة حرارة التفاعل والتحكم بها. تُغلّف الأسطوانة الخارجية بطبقة عازلة لمنع فقدان الحرارة وتجنب الحروق. يدخل الهيدروجين الخام إلى الأسطوانة الداخلية من المدخل العلوي لجهاز إزالة الأكسدة، ويُسخّن بواسطة عنصر تسخين كهربائي، ثم يتدفق عبر طبقة المحفز من الأسفل إلى الأعلى. يتفاعل الأكسجين الموجود في الهيدروجين الخام مع الهيدروجين بفعل المحفز لإنتاج الماء. يمكن خفض نسبة الأكسجين في الهيدروجين الخارج من المخرج السفلي إلى أقل من جزء في المليون. يخرج الماء الناتج عن هذا التفاعل من جهاز إزالة الأكسدة في صورة غازية مع غاز الهيدروجين، ويتكثف في مبرد الهيدروجين اللاحق، ثم يُرشّح في فاصل الهواء والماء، ويُصرّف من النظام.

3. مبدأ عمل الجفاف

تعتمد عملية تجفيف غاز الهيدروجين على طريقة الامتزاز، باستخدام المناخل الجزيئية كمواد ماصة. بعد التجفيف، يمكن أن تصل درجة تكثف غاز الهيدروجين إلى أقل من -70 درجة مئوية. المنخل الجزيئي هو نوع من مركبات الألومينوسيليكات ذات بنية مكعبة، تتكون داخله العديد من التجاويف المتساوية الحجم بعد التجفيف، ويتميز بمساحة سطحية كبيرة جدًا. سُميت المناخل الجزيئية بهذا الاسم لقدرتها على فصل الجزيئات ذات الأشكال والأقطار والقطبية ودرجات الغليان ومستويات التشبع المختلفة.

الماء جزيء شديد القطبية، وللمنخل الجزيئي انجذاب قوي للماء. يُعدّ امتزاز الماء على المناخل الجزيئية امتزازًا فيزيائيًا، وعندما يصل الامتزاز إلى حدّ التشبع، يحتاج إلى فترة من الزمن للتسخين والتجديد قبل أن يتمكن من الامتزاز مرة أخرى. لذلك، يتضمن جهاز التنقية مجففين على الأقل، أحدهما يعمل بينما يُجدد الآخر، لضمان الإنتاج المستمر لغاز الهيدروجين المستقر عند نقطة الندى.

يتكون المجفف من هيكل أسطواني داخلي وخارجي، حيث تُوضع المادة الماصة بين الأسطوانتين. يُركّب عنصر التسخين الكهربائي المقاوم للانفجار داخل الأسطوانة الداخلية، ويوجد مستشعرا حرارة في أعلى وأسفل حشوة المنخل الجزيئي لرصد درجة حرارة التفاعل والتحكم بها. تُغلّف الأسطوانة الخارجية بطبقة عازلة لمنع فقدان الحرارة وتجنب الحروق. يكون تدفق الهواء معكوسًا في حالة الامتزاز (بما في ذلك حالتي التشغيل الأولية والثانوية) وحالة التجديد. في حالة الامتزاز، يكون الأنبوب العلوي مخرجًا للغاز والأنبوب السفلي مدخلًا له. وفي حالة التجديد، يكون الأنبوب العلوي مدخلًا للغاز والأنبوب السفلي مخرجًا له. يمكن تقسيم نظام التجفيف إلى مجففين برجيين أو ثلاثة مجففات برجية حسب عدد المجففات.

4. عملية البرجين

يحتوي الجهاز على مجففين يعملان بالتناوب ويعيدان توليد الطاقة خلال دورة واحدة (48 ساعة) لضمان التشغيل المستمر للجهاز بأكمله. بعد التجفيف، يمكن أن تصل درجة تكثف الهيدروجين إلى أقل من -60 درجة مئوية. خلال دورة التشغيل (48 ساعة)، يمر المجففان A وB بمرحلتي التشغيل وإعادة التوليد على التوالي.

في دورة تبديل واحدة، يمر المجفف بحالتين: حالة التشغيل وحالة التجديد.

• حالة التجديد: حجم غاز المعالجة هو حجم الغاز الكامل. تشمل حالة التجديد مرحلة التسخين ومرحلة التبريد بالنفخ؛

1) مرحلة التسخين - يعمل السخان الموجود داخل المجفف، ويتوقف التسخين تلقائيًا عندما تصل درجة الحرارة العليا إلى القيمة المحددة أو عندما يصل وقت التسخين إلى القيمة المحددة؛

2) مرحلة التبريد - بعد توقف المجفف عن التسخين، يستمر تدفق الهواء عبر المجفف في المسار الأصلي لتبريده حتى يتحول المجفف إلى وضع التشغيل.

حالة التشغيل: حجم هواء المعالجة يعمل بكامل طاقته، والسخان الموجود داخل المجفف لا يعمل.

5. سير العمل ثلاثي الأبراج

تُستخدم حاليًا عملية الأبراج الثلاثة على نطاق واسع. يحتوي الجهاز على ثلاثة مجففات مزودة بمواد مجففة (مناخل جزيئية) ذات قدرة امتصاص عالية ومقاومة جيدة للحرارة. تتناوب المجففات الثلاثة بين التشغيل والتجديد والامتصاص لضمان التشغيل المستمر للجهاز بأكمله. بعد التجفيف، يمكن أن تصل درجة تكثف غاز الهيدروجين إلى أقل من -70 درجة مئوية.

خلال دورة التبديل، يمر المجفف بثلاث مراحل: التشغيل، والامتصاص، والتجديد. في كل مرحلة، يقع المجفف الأول الذي يدخل إليه غاز الهيدروجين الخام بعد إزالة الأكسجين والتبريد والترشيح بالماء.

1) حالة التشغيل: حجم غاز المعالجة بكامل طاقته، والسخان داخل المجفف لا يعمل، والوسط هو غاز الهيدروجين الخام الذي لم يتم تجفيفه؛

يقع المجفف الثاني الداخل إلى المكان التالي:

2) حالة التجديد: حجم الغاز 20%: تشمل حالة التجديد مرحلة التسخين ومرحلة التبريد بالنفخ؛

مرحلة التسخين - يعمل السخان الموجود داخل المجفف، ويتوقف التسخين تلقائيًا عندما تصل درجة الحرارة العليا إلى القيمة المحددة أو عندما يصل وقت التسخين إلى القيمة المحددة؛

مرحلة التبريد - بعد توقف المجفف عن التسخين، يستمر تدفق الهواء عبر المجفف في المسار الأصلي لتبريده حتى يتحول المجفف إلى وضع التشغيل؛ عندما يكون المجفف في مرحلة التجديد، يكون الوسط هو غاز الهيدروجين الجاف المجفف؛

يقع المجفف الثالث الداخل في:

3) حالة الامتصاص: حجم غاز المعالجة هو 20٪، والسخان الموجود في المجفف لا يعمل، والوسط هو غاز الهيدروجين للتجديد.