بینش تازه ای در مورد فناوری نمک زدایی مبتنی بر باتری

7 ژوئن 2023 -توسط لوئیس یوکسولیان، دانشگاه ایلینوی در اوربانا-شامپین

یک آنالوگ شیمیایی به آبی پروس، رنگدانه آبی شدید مورد استفاده در چاپ چوبی هوکوسای “موج بزرگ کاناگاوا”، در یک تکنیک به روز نمک زدایی آب شور استفاده می شود. مهندسان مکانیک در U. of I. از آن در یک الکترود جدید مجهز به کانال‌های جریان استفاده می‌کنند تا فرآیند نمک‌زدایی را مؤثرتر و کارآمدتر کنند. اعتبار: پس از Katsushika Hokusai، مالکیت عمومی، از طریق Wikimedia Commons

برای دستیابی به نمک‌زدایی مؤثرتر از آب‌های شور در یک مطالعه جدید، مهندسان مکانیک به جای مواد جدید بر حرکت سیال تمرکز کرده‌اند. با افزودن ریز کانال‌هایی به داخل الکترودهای باتری‌مانند ساخته شده از آبی پروس – رنگدانه آبی شدیدی که اغلب در هنر استفاده می‌شود و خواص شیمیایی ویژه‌ای نیز دارد- محققان میزان نمک‌زدایی آب دریا را پنج برابر زیر آستانه آب شیرین نسبت به همتایان غیر کانالی خود افزایش دادند تا به سطوح شوری برسند.

این مطالعه که توسط استاد مهندسی مکانیک و علم دانشگاه ایلینویز Urbana-Champaign، کایل اسمیت و دانشجوی فارغ التحصیل Vu Do انجام شد، از یک آنالوگ شیمیایی به رنگ آبی پروس استفاده کرد. این یافته ها برای کاربردهایی در نمک زدایی، تبدیل و ذخیره انرژی، تبدیل و جذب CO2، اصلاح محیطی، و بازیابی منابع و مواد مغذی آماده شده است.

این مطالعه در مجله Energy and Environmental Science منتشر شده است.

اسمیت گفت: «در کار قبلی، ما پیش‌بینی کردیم که نمک‌زدایی می‌تواند با استفاده از این روش انجام شود، اما هیچ‌کس نمک‌زدایی در سطح آب دریا را در آزمایشگاه تأیید نکرده بود. “در این مدت، ما متوجه شدیم که علاوه بر نوع خاصی از مواد مورد استفاده در الکترودها، پیکربندی سیستم نیز مهم است.”

محققان گفتند که ماده آنالوگ آبی پروس با نگه داشتن یون های دارای بار مثبت مانند سدیم در ساختار کریستالی رنگدانه کار می کند. با این حال، می‌تواند به ساختاری شبیه به دام تبدیل شود، جایی که یون‌ها به راحتی وارد می‌شوند اما در پیچ و خم فضاهای منفذی باردار در مقیاس مولکولی درون الکترود به دام می‌افتند. این تیم دریافت که آنها باید از یک دستگاه تخصصی برای انجام سوئیچینگ پیچیده دریچه و همگام سازی جریان در داخل سلول جریان استفاده کنند تا نمک‌زدایی مداوم را ادامه دهند، بدون این که کارایی سیستم با مشکل مواجه شود.

محققان با حکاکی چندین کانال به عرض 100 میکرومتر – به عرض تقریبی یک موی انسان – بر روی الکترود به اندازه 5 سانتی متر، می توانند مسیری شفاف برای عبور مایعات بدون از دست دادن توانایی بیرون کشیدن یون های نمک از آن فراهم کنند.

به گفته محققان، ساختار مورد استفاده برای این مطالعه می‌تواند آب دریا را که در آزمایشگاه آماده شده است را با سرعت میلی‌لیتر در طول چند ساعت نمک‌زدایی کند، بنابراین گام بعدی تیم افزایش مقیاس است.

اسمیت گفت: «هدف کمک هزینه نیروی دریایی که برای تأمین مالی این مطالعه استفاده می‌شود، نمک‌زدایی دو تا چهار گالن در ساعت – با استفاده از سوخت دیزل به‌عنوان منبع انرژی – برای ارائه یک دستگاه قابل حمل برای تأمین آب برای نیروهای نظامی در واحدهای اعزامی کوچک است.» “البته، گروه ما به برنامه های بسیار گسترده تر برای این دستگاه های باتری مانند علاقه مند است، اما افزایش مقیاس یک گام اساسی برای رسیدن به آن خواهد بود.”

دو گفت: “یکی از جنبه های قابل توجه این مطالعه، مزیت مهندسی مکانیکی است که ما ارائه می دهیم.” “در جامعه تحقیقاتی، تاکید زیادی بر مواد و مواد شیمیایی آنها وجود دارد. اما ما نشان داده‌ایم که مکانیک سیالات سیستم برای به دست آوردن حداکثر بهره از یک ماده عالی زمانی که آن را به درستی ادغام می‌کنید، اهمیت زیادی دارد.”

اعضای گروه تحقیقاتی اسمیت، اروین لود و اریک رئال نیز در این مطالعه مشارکت داشتند.