Tehnici avansate de tratare a apei si separare a hidrogenului. Aplicatii in domeniul pilelor de combustibil

CUVANT INAINTE

Autorii, dupa ani de activitate, au simtit nevoia oranduirii cunostintelor din domeniul investigat, punand la dispozitia celor interesati, un material de informare, sistematizat si modern, asupra apei si hidrogenului, cele doua substante foarte raspandite in natura, de la care azi se asteapta ca hidrogenul sa renasca asemeni pasarii Phoenix, metaforic vorbind apa fiind o „cenusa” a lui.

Cartea ofera, la nivelul de cunostinte al autorilor, o trecere in revista a noilor tehnologii din industria apei, legate de purificarea ei, cum sunt: separarea prin membrane, osmoza inversa, filtrarea, procesul de electroliza si cel al schimbului ionic. Pastrand acelasi mod de tratare, pentru hidrogen sunt descrise metode de obtinere industriala a lui, de separare si purificare, si in final de stocare si transport. Continuu se insista asupra utilitatii si necesitatii utilizarii cat mai rapid a celor doua substante.

Lectura cartii – lucru pe care il recomand cat mai multor specialisti dar si factorilor de decizie – serveste initierii in tehnologii specifice apei si hidrogenului, dand o privire generala dar si o indrumare in directia dezvoltarii noului domeniu privind tandemul apa-hidrogen, a problemelor de interes ingineresc pe care le ridica. Ea are si un caracter didactic asigurand instruirea celor care vor sa cunoasca mai bine domeniul respectiv. Pentru detalii este prezentata o pagina bibliografica.

Cartea, ca rod al autorilor, isi are o menire care se regaseste in gandirea lui Paul Langevin: „niciun adevar nu are sens si o valoare omeneasca, daca nu poate fi transmis tuturor oamenilor.”
(Acad. Marius Peculea)

PREFATA

Autorii isi propun ca prin intermediul acestei carti cititorul sa faca o trecere succinta printr-o directie stiintifica si tehnologica de interes actual in scopul consolidarii cunostintelor, despre economia hidrogenului si a infrastructurii necesare implementarii acesteia. Acest demers didactic si stiintific isi propune sa germineze noi idei care sa conduca la dezvoltarea potentialului de inovare existent in invatamantul superior si in cercetarea romaneasca, in vederea obtinerii de sinergii productive in beneficiul tuturor.

Nevoile societatii moderne impun rezolvarea rapida a unor probleme importante, printre care enumeram: crearea de noi surse energetice, valorificarea superioara a materiilor, diversificarea produselor, imbunatatirea calitatii vietii etc. Aceasta inseamna crearea si implementarea de noi procedee si tehnologii mai eficiente si performante.

Cartea se adreseaza atat cercetatorilor cat si a altor categorii de specialisti care isi desfasoara activitatea in domeniul hidrogenului si pilelor de combustibil. De asemenea, lucrarea este un instrument de real folos studentilor si doctoranzilor care au in planul de pregatire domeniul mai sus mentionat.

Economia hidrogenului nu reprezinta doar un demers social si tehnologic, ea isi are la baza o viziune a celor care incearca sa aduca viitorul cat mai aproape de noi. Termenul de „economia hidrogenului” a fost introdus prima data de electrochimistul John O’M. Bockris in anul 1970, dar ideea in sine este mult mai veche, o dovada in acest sens fiind romanul lui Jules Verne, Insula Misterioasa (1874) in care se regaseste urmatorul text: „apa descompusa in elementele sale constituente … va deveni o forta importanta si usor de manevrat … apa va fi utilizata intr-o zi drept combustibil, ca hidrogenul si oxigenul, ce o constituie, folositi izolat sau simultan, vor folosi ca sursa de incalzire si de lumina inepuizabile … Intr-o zi, vapoarele si locomotivele vor fi incarcate cu cele doua gaze comprimate … Nu avem de ce sa ne temem pentru viitor„ .

O economie energetica care sa aiba la baza hidrogenul reprezinta o solutie pentru problemele tot mai acute reprezentate de furnizarea de energie, securitate, poluare precum si modificarile climatice globale. Hidrogenul ofera un potential pe termen lung pentru un sistem energetic care poate lucra fara emisii de noxe si gaze cu efect de sera, bazandu-se pe surse disponibile in mod uzual. Inainte insa ca hidrogenul sa indeplineasca aceste asteptari, exista un ansamblu de problematici tehnice, economice si sociale care trebuie rezolvate sau depasite. In materialul prezentat se regasesc o parte din problemele anterior mentionate.

In momentul de fata cea mai comoda si, in acelasi timp, ieftina metoda de obtinere a hidrogenului este reformarea cu abur a hidrocarburilor, in special a metanului. Un argument care intareste afirmatia precedenta este faptul ca cea mai mare parte din productia de hidrogen a lumii este realizata prin aceasta metoda. Totusi cea mai eficienta, curata si durabila metoda de sinteza a hidrogenului o reprezinta disocierea apei utilizand resurse regenerabile de energie a caror impact asupra mediului sa fie cat mai putin nociv. ?inand cont de afirmatia precedenta, cartea face, in prima parte, o trecere in revista a metodelor moderne de tratare a apei necesara atat sintezei hidrogenului dar si a procedeelor tehnologice implicate, dependente de utilizarea apei. Practic apa trebuie privita atat ca materie prima dar si ca fluid tehnologic. Apa este un element esential, lipsa acesteia fiind de neconceput pentru societatea umana, apa lasandu-si amprenta asupra obiceiurilor noastre socio-culturale si a evolutiei tehnico-industriale.

In partea a doua a cartii autorii descriu rolul hidrogenului in contextul directiilor tehnico-economice actuale, insistandu-se asupra proceselor de purificare a acestuia. Pilele de combustibil sunt foarte sensibile la o serie de compusi chimici, concentratii foarte mici a acestora, nivelul partilor pe milion, aducand prejudicii grave functionarii lor. Cele mentionate conduc la concluzia ca purificarea trebuie privita nu doar ca parte integranta ci si importanta a tehnologiilor pentru hidrogen si pile de combustibil.

Contributiile celor doi autori s-au completat reciproc pe parcursul tuturor capitolelor din material, concurand la realizarea unui material care sa fie atat succint cat si explicit pentru a lamuri diverse fenomene sau procese, dar si de a acoperi un domeniu tehnic destul de vast.

Aparitia acestei lucrarii ar fi fost mult mai dificila fara sfaturile, suportul si incurajarile unor colegi. Nu in cele din urma, tinem sa multumim si sa ne exprimam recunostinta Editurii AGIR pentru contributia importanta adusa la publicarea lucrarii.

Autorii

CUPRINS

Partea I. TRATAREA APEI CU AJUTORUL MEMBRANELOR
1. Tehnologii neconventionale in industria apei. Apa potabila si cea uzata 13
2. Separari cu membrane 24
3. Osmoza inversa 48
4. Ultrafiltrarea 55
5. Microfiltrarea si nanofiltrarea 58
6. Electrodializa 63
7. Schimbul ionic. Membrane schimbatoare de ioni 66

Partea a II a. SEPARAREA HIDROGENULUI
8. Obtinerea hidrogenului 73
9. Hidrogenul, purtator de energie. Utilizarea in pilele de combustibil 82
10. Separarea si purificarea gazelor 92
11. Procese reactive de purificare pentru hidrogen 110
12. Separarea hidrogenului prin membrane 116
13. Tehnici criogenice de separare si lichefiere pentru hidrogen 137
14. Tehnicile de stocare si transport ale hidrogenului 142

BIBLIOGRAFIE 151