تولید انرژی الکتریکی از محل تلاقی آب شور و شیرین در سواحل

متخصصان، تکنولوژی جدید هیبریدی ساخته‌اند که در محل تلاقی آب شیرین و آب شور در ساحل، میزان بی‌سابقه‌ای انرژی الکتریکی تولید می‌کند.

به گزارش ایانا از ساینس دیلی ، محققان در کالج مهندسی پن استیت، تکنولوژی جدید هیبریدی ساخته‌اند که در محل تلاقی آب شیرین و آب شور در ساحل، میزان بی‌سابقه‌ای انرژی الکتریکی تولید می‌کند.

به گفته کریستوفر گورسکی استادیار رشته مهندسی محیط زیست در پن استیت: "هدف این تکنولوژی تولید برق از محل تلاقی رودخانه‌ها با دریاهاست. این تکنولوژی مبتنی بر اختلاف غلظت نمک بین این دو منبع آبی است".

اختلاف در غلظت نمک، پتانسیل تولید انرژی کافی برای 40 درصد نیاز جهانی را دارد. هر چند در حال حاضر روش‌هایی برای تولید این انرژی وجود دارد اما دو روش موفق‌تر یعنی اسمز فشار کاهنده ( pressure retarded osmosis ) و الکترودیالیز معکوس، نقایص بسیاری دارند.

روش PRO که رایج‌ترین روش است، به‌طور انتخابی به آب اجازه می‌دهد که از طریق غشای نیمه تراوا در حالی که نمک را پس می‌زند، عبور کند. سپس فشار اسمزی حاصل از این فرآیند، با توربین‌های در حال چرخش به انرژی تبدیل می‌شود.

گورسکی می‌گوید: "روش PRO از نظر میزان انرژی که می‌توانید به دست آورید تا کنون بهترین تکنولوژی بوده است. اما مشکل اصلی این روش این است که غشاها آب را از طریق نادرست حمل می‌کند و این بدان معنی است که روی آنها باکتری‌ها رشد می‌کنند یا رسوبات روی سطح آنها می‌چسبد و دیگر نمی‌توانند آب را منتقل کنند".

این امر به این دلیل رخ می‌دهد که سوراخ‌های روی غشاها بسیار ریز هستند و برای همین زود مسدود می‌شوند. به علاوه، این روش توانایی این را ندارد که فشار آب‌های بسیار شور را تحمل کند.

دومین تکنولوژی یعنی RED ، برای تولید ولتاژ در غشاهای مبادله کننده یون‌ها از یک گرادیان الکتروشیمیایی استفاده می‌کند.

گورسکی توضیح می‌دهد: "غشاهای مبادله کننده یون، تنها به یون‌های با بار مثبت یا بار منفی اجازه عبور می‌دهد. بنابراین تنها نمک محلول از آن عبور می‌کند و نه خود آب".

در اینجا انرژی وقتی تولید می‌شود که در نتیجه عبور انتخابی یون، به یون‌های کلرید یا سدیم اجازه عبور داده نشود. غشاهای مبادله کننده یون نیازی به آب ندارد تا از آن عبور کند، بنابر این به آن سادگی که غشاهای به کار رفته در روش قبلی خراب می‌شود، از کار نمی‌افتد. اما مشکل روش RED این است که توانایی تولید مقادیر بالای انرژی را ندارد.

تکنولوژی سوم، ترکیب ظرفیتی CapMix ، یک روش تقریبا جدید است که به تازگی کشف شده است. CapMix تکنولوژی مبتنی بر الکترود است؛ وقتی دو الکترود یکسان به‌طور متوالی در معرض دو نوع آب با غلظت متفاوت نمک مثل آب شیرین و آب دریا قرار می‌گیرند، انرژی را از ولتاژی که تولید می‌کند، می‌گیرد. مشکل این روش مثل RED این است که قادر به تولید حجم قابل قبولی از انرژی نیست.

گورسکی همراه با بروس لوگان و سایر محققان همکار خود راه حلی احتمالی برای این مشکلات پیدا کرده‌اند. این محققان دو تکنولوژی RED و CapMix را در یک سلول شناور الکتروشیمیایی با هم ترکیب کرده‌اند.

گورسکی می‌گوید: "با ترکیب این دو روش، انرژی بسیار بیشتری تولید می‌شود".

این تیم یک جریان سلولی خاص را طراحی کردند که در آن دو کانال با غشای مبادله کننده آنیون از هم جدا شدند. یک الکترود مسی هگزاسیانوفرات در هر کانال جایگذاری شد و از پوشش گرافیتی به عنوان جمع‌کننده جریان استفاده شد. سپس سلول با پیچ و مهره بسته شد. پس از ساخت، یکی از کانال‌ها با آب مصنوعی دریا تغذیه شد در حالی که کانال دیگر با آب شیرین تغذیه شد. عوض شدن متوالی جریان آب به سلول اجازه داد که دوباره شارژ شود و انرژی بیشتری تولید کند. آنها بررسی کردند که چگونه ولتاژ قطع شده به کار رفته برای تغییر مسیر جریان، مقاومت بیرونی و غلظت‌های مختلف نمک، بر روی اوج و میانگین تولید انرژی تاثیر گذاشت.

گورسکی می‌گوید: "در اینجا دو اتفاق باعث می‌شود که این سیستم کار کند. اول اینکه نمک وارد الکترودها می‌شود. دوم اینکه شما جریان کلرید را دارید که در طول غشا عبور می‌کند. از آنجا که هر دوی این فرآیندها ولتاژ تولید می‌کنند، حاصل آن ولتاژی ترکیبی در الکترودها و سراسر غشا است".

این تیم برای اندازه‌گیری ولتاژ به‌دست آمده از سلول شناور بسته به نوع غشای استفاده شده و اختلاف شوری، در حالی که دو محلول را به حجم 15 میلی لیتر در دقیقه عبور می‌دادند، ولتاژهای سلول مدار باز را ثبت کردند. با این روش آنها مشخص کردند که به هم بستن سلول‌های چند تایی، بر تولید الکتریسیته تاثیر می‌گذارد. این تکنولوژی در 12.5 وات بر متر مربع، به اوج تولید انرژی می‌رسد که در مقایسه با میزان گزارش شده در روش‌های RED (2.9 وات در متر مربع) و بالاترین حجم تولید انرژی در روش PRO (9.2 وات در متر مربع) بی‌سابقه است و در عین حال اشکالات آن روش‌ها را هم ندارد.

گورسکی می‌گوید: "آنچه که ما نشان دادیم این است که می‌توانیم حجم انرژی را تا سطحی که قبلا محققان برای روش اسمز فشار کاهنده گزارش داده‌اند و نیز بالاتر از مقداری که هر یک از دو روش به تنهایی انرژی تولید می‌کنند بالا ببریم".

هر چند نتایج امیدوارکننده است اما این محققان می‌خواهند بر روی پایداری الکترودها در طی زمان، بیشتر تحقیق کنند و می‌‌خواهند بدانند که مولفه‌های دیگر در آب دریا- مثل منیزیوم و سولفات- آیا می‌توانند تاثیری بر عملکرد این سلول داشته باشند یا خیر.

گورسکی می‌گوید: "یافتن منابع تجدیدپذیر انرژی مهم است و اگر بتوانیم انرژی بدون کربن تولید کنیم حتما باید این کار را بکنیم."/

ترجمه: محسن حدادی

L-960315-03