Hydrogen has gained much attention as energy carrier and also as one of the cleanest energy source .However till now it has not been able to play a significant role as an energy source. One of the reason for this is high cost of hydrogen electrolysers which if working on renewable energy sources (wind, solar) have least carbon footprint area. One of the reason is that commercial electrolysers cannot operate except either in high purity water such as SPE (Solid Polymer Electrolyte) electrolysers or high concentration of alkali, usually KOH such as alkaline water electrolysers.The usage of high purity water is also becoming an expensive option with deteriorating environmental conditions in most countries. Furthermore many of electrolysers work at high temperature and pressure to decrease voltage losses further restricting their use to selected countries where electricity prices are cheap.Though there is an exhaustive list of studies on hydrogen production from water electrolysis and electrochemical degradation of pollutants however very few studies have focused on the aspect of hydrogen production from pollutants.
Therefore, this study focuses on using simulated wastewater (greywater and urine) as a water source for electrolytic hydrogen production .It explores alternative electrode materials and candidate wastewaters which can provide hydrogen at low power and cost while working at room temperature and pressure (RTP) and either mineralizing most of contaminants or turning them to environmentally benign substances which can be easily removed.
Experiments were carried out in batch and semi-batch electrolytic reactors to identify possible problems and optimize conditions for wastewater electrolysis at RTP. Low power with current density varying from $25mA/cm^2$ to $150 mA/cm^2$ in batch and 1.25 to $2.5 mA/cm^2$ in semi-batch reactor was used. The reactor design was modified to decrease voltage losses and increase hydrogen yield. Some effluent parameters were also studied to understand the mechanism of wastewater electrolysis for hydrogen production at cathode and degradation of contaminants at anode through direct and indirect oxidation.
It was found that amongst the electrode materials studied an alloy hastlelloy (C-276) has the best performance as cathode material and amongst the anodes a dimensionally stable anode (DSA) made of $Ti/IrO_2$ gives the most stable performance. This study shows that wastewater electrolysis can be a cheap and safe alternative to highly corrosive and expensive alkaline electrolysis. On anode nitrogenous wastes are degraded first and then other organics are broken down or completely mineralized.30 to 50% of hydrogen is provided by the nitrogenous and organic degradation. From the experiments on simulated greywater it was found that kaolin which was used as source of inorganic suspended solids can increase hydrogen production though this effect decreases with time. However due to low conductivity of greywater voltage losses are very high. From the experiments on simulated urine it was found that urine can be ideal source for hydrogen production though methods to mitigate the chlorine evolution need further attention.
These findings suggest that the wastewater electrolysis can be a reliably safe cheap and low power source for hydrogen production.Further coupling with photovoltaic system can make it ideal as future source for hydrogen production.
수소는 무공해의 미래 에너지 원으로 크게 각광받고 있으나, 지금까지 석유와 같은 에너지원에 비하여 크게 이용되어 지지 않는다. 이러한 이유중의 하나는 수소를 발생시키기 위한 전기분해장치의 가격이 크기 때문이다. 현재 이용되고 있는 전기 분해장치는 SPE 전기분해장치와 같이 초순수에서 작동되거나, 알칼라인 전기분해장치와 같이 높은 알칼리 농도에서 운영된다. 초순수의 사용은 그 제조과정에서 다른 환경을 파괴하는 주범이 될 수도 있다. 또한, 이러한 전기분해장치는 전압손실을 줄이기 위해서 고온, 고압조건에서 운영된다. 물의 전기분해를 통해 수소 생산과 오염물질 분해 등에 대해서는 많은 연구가 진행되어 왔지만, 오염물을 통한 수소생산에 대한 연구를 많이 이루어져 있지 않다. 그러므로, 본 연구에서는 인위적으로 만든 폐수 (중수도 용수, 소변)를 이용하여 수소생산 가능성을 검토하였다. 즉, 연구와 상온, 대기압 조건에서 저에너지/ 비용으로 수소를 발생시킬수 있는 전극 물질과 폐수들에 대한 연구와 오염물질의 미네랄화 또는 그것들을 쉽게 처리가 가능한 환경적으로 안정적인 물질로 변환시기는 연구가 수행되었다.
대기압, 상온조건에서 폐수의 전기분해 조건을 최적화하기 위해 batch 와 semi-batch 반응기에서 실험을 수행하였다. Batch 반응기에서는 $25mA/cm^2$ 에서 $150 mA/cm^2$ 의 전류밀도, Semi-batch 반응기에서는 $1.25mA/cm^2$ to $2.5 mA/cm^2$ 의 전류밀도의 저에너지 조건이 수소 발생량을 판단하기 위해 이용되었다. 반응기는 전압손실을 줄이고, 수소생산을 늘리기 위해 설계되었고, 음극에서의 수소발생을 위한 폐수전기분해와, 직(간)접적인 산화를 통한 양극에서의 오염물질분해 메커니즘을 분석하기 위해 배출물질에 대한 연구도 수행되었다.
여러가지 전극 물질 중에 hastlelloy 합금이 음극물질로 가장 큰 효율을 나타냈으며, 양극물질에서는 $Ti/IrO_2$ 이 가장 안정적으로 운영되었다. 또한 이 연구를 통해 폐수 전기분해 장치는 부식이 많고, 비싼 알칼라인에 비해 싸고 안정적이었다. 양극에서는 질소화합물이 먼저 분해되었고, 그 후에 다른 유기물이 분해되거나 미네랄화되었다. 수소의 30-50%는 질소화합물과 유기물 분해를 통해 생산되었다. 인위적으로 생성된 중수도 용수에 대한 실험결과, 무기 부유물질로 나타나는 카올린(kaolin)이 수소발생을 증가시킬 수 있지만, 시간이 지남에 따라 이러한 효과는 감소되었다. 그러나, 중수도용수의 낮은 전도성으로 인하여 전압 손실은 매우 컸다. 인위적인 소변에 대한 실험결과, 염소생성을 완화시키는 것에 주의가 필요하지만, 소변물질은 수소발생에 있어서 이상적인 물질임을 알 수 있다.
이러한 결과를 통해 폐수 전기분해는 수소생산을 위한 값싸고, 많은 에너지가 필요하지 않는 것으로 판단된다. 게다가, 이 시스템이 광전지 시스템과 결합된다면, 향후 수소 생산을 위한 미래 자원이 될 것이다.
