הסרת תחמוצות חנקן מכלי השרפה של מימן על ידי פוטוליזה ישירה

מדוע חשוב לנקות פליטת מימן

מימן מקודם לעתים קרובות כדלק נקי משום שהוא אינו משחרר פחמן דו‑חמצני בשריפה. אף על פי כן, להבה של מימן באוויר רגיל עלולה ליצור תחמוצות חנקן — משפחת גזים שמכעיסה את הריאות, מחמירה את העשן האמורפי ותורמת לגשמי חומצה. מחקר זה בוחן האם אור אולטרה‑סגול (UV) — המוכר מהזהרות שזיפות השמש ונורות חיטוי — יכול לשמש לסילוק תחמוצות החנקן מפלטים של דודי מימן, וכך להפוך את חימום המימן לנקי יותר בערים ובתעשייה.

חימום במימן ללא תופעות לוואי נסתרות

למימן מספר יתרונות כדלק עתידי: צפיפות אנרגטית גבוהה, היעדר פחמן או גופרית בפליטה, והסיכוי לייצור באמצעות חשמל מתחדש. לחימום מבנים או תהליכי תעשייה, שריפת מימן בדוד יכולה להיות זולה ויעילה יותר מאשר שימוש בתאי דלק. הצרה היא שכאשר מימן בוער באוויר, טמפרטורת הלהבה הגבוהה גורמת לחנקן היציב באוויר להגיב עם חמצן וליצור תחמוצות חנקן (המכונות לעתים «NOx»). גזים אלה מזיקים לבריאות ולסביבה, ולכן כל מעבר נרחב לדודי מימן דורש דרך אמינה להסרת NOx מפליטותיהם.

מאירים אור חדש על ניקוי הפליטות

טכנולוגיות הבקרה על NOx הקיימות כיום, כמו ממירים קטליטיים והחזרת גזי פליטה, עובדות היטב אך מוסיפות עלות, מורכבות ועוד צריכת אנרגיה. החוקרים בודקים רעיון שונה: חשיפת פליטת המבער החמה של מימן ישירות לאור UV עז, תהליך שנקרא פוטוליזה. הפוטונים של ה‑UV נושאים מספיק אנרגיה לשבור קשרים כימיים מסוימים במולקולות גז. כשתחמוצות חנקן סופגות פוטונים אלה, הן עלולות להיסדק לחתיכות פשוטות יותר כמו אטומי חנקן וחמצן בודדים, שיוכלו להגיב בהמשך וליצור תוצרים פחות מזיקים כגון חנקן מולקולרי, חמצן, או חומצה חנקתית שניתן ללכוד במים או בתמיסות בסיסיות. הצוות התרכז במיוחד באורכי גל UVC בעלי אנרגיה גבוהה, היעילים ביותר לשבירת קשרים חזקים בגזים.

בניית דוד קטן וטור ניקוי ייחודי ל‑UV

כדי לבדוק את הקונספט בתנאים מציאותיים, החוקרים בנו מערכת מעבדתית המדמה דוד מימן קטן הפועל בלחץ אטמוספרי רגיל. מימן וחמצן יוצרו יחד באלקטרוליזר, כך שהמבער קיבל את תערובת הגזים המתאימה ללא צורך באוויר חיצוני. כאשר להבת המימן‑חמצן בוערת באוויר, היא יוצרת פליטה חמה המכילה אדי מים, חמצן וחנקן עודפים, וכמויות קטנות של חנקן חד‑חמצני (NO) וחנקן דו‑חמצני (NO₂). פליטה זו זרמה כלפי מעלה דרך טור שקוף בגובה שני מטרים שכלל נורת כספית עוצמתית בעוצמה של 160 וואט בספקטרום UV. חיישנים ממוקמים בגבהים שונים מדדו כמה NO, NO₂ וסה״כ NOx נותרו בגז כאשר הנורה נדלקה או כבויה, ובתנאי לחצים וקצבי זרימה שונים של המבער.

מה קרה לגזי הפליטה

כיבוי הנורה והדלקתה הראו כי הפעלת אור ה‑UV הורידה בעקביות את רמת החנקן החד‑חמצני, ולעתים אף לאפס בתוך טווח המדידה. במקביל הגדילה כמות חנקן הדו‑חמצני, שכן חלק מה‑NO הומר במקום להיהרס לחלוטין. האם החלופה הזו הובילה לפליטה נקייה יותר תלויה במידה רבה בכמות ה‑NOx ההתחלתית ומהירות מעבר הגז דרך האור. בקצב זרימה נמוך יותר, שבו רמות ההתחלה של NOx היו גבוהות יותר, המערכת השיגה הפחתה כוללת אמיתית: בנקודת תפעול אחת, סה״כ NOx ירד בכ‑12 אחוזים. בקצבי זרימה גבוהים יותר או ברמות NOx התחלתיות נמוכות מאוד, סה״כ NOx עלה בפועל, מה שמרמז שה‑UV בעיקר שינה את החלוקה בין צורות התחמוצות ולא הסיר אותן. הנורה גם חיממה מעט את הגזים, אך העלייה בטמפרטורה הייתה קטנה מדי כדי להסביר את השינויים הכימיים על בסיס חום בלבד.

מסקנות לגבי חימום מימני נקי יותר

המחקר מראה כי אור UV חזק יכול לשנות את תמהיל תחמוצות החנקן בפליטות דודי מימן ותחת התנאים הנכונים להקטין במידה מתונה את הכמות הכוללת. הביצועים הטובים ביותר שנמדדו — בסביבות 10 אחוזי הסרה — הושגו ברמות NOx התחלתיות יחסית גבוהות ובזמן שהפליטה שהתה מספיק באור. למרות שזו יעילות נמוכה יותר מאשר חלק מהשיטות המתקדמות בפלסמה, גישת ה‑UV צורכת הרבה פחות אנרגיה ניתנת ואולי קלה יותר לשילוב בתוך דודים אמיתיים. עבור הציבור, המסר המרכזי הוא שחימום במימן אינו נטול זיהום באופן אוטומטי, אך כלים חדשים כמו פוטוליזה ב‑UV יכולים לסייע לשלוט בפליטות החבויות אם יותקנו ויותאמו בקפידה.

ציטוט: Kreft, D., Szczodrowski, K. & Marszałkowski, K. Nitrogen oxides removal from hydrogen flue gas by direct photolysis. Sci Rep 16, 13238 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39200-4

מילות מפתח: דודי מימן, תחמוצות חנקן, טיפול באולטרה־סגול, ניקוי גזי פליטה, בקרת זיהום אוויר