در مقاله‌ای که به تازگی در Chemical Science مجله Royal Society of Chemistry منتشر شده است، یک تیم بین‌المللی از محققان نقش غشاهای نانومتخلخل را در تولید انرژی آبی تشریح کردند. نویسندگان از دانشگاه ملی د لا پلاتا در آرژانتین، و دانشگاه فنی دارمشتات و مرکز تحقیقات یون‌های سنگین GSI هلمهولتز در آلمان هستند.
مرکز هلمهولتز برای تحقیقات یون‌های سنگین یک شتاب‌دهنده ذرات در نوع خود در دارمشتات آلمان است که توسط انجمن تحقیقات یون‌های سنگین (GSI) این کشور اداره می‌شود. در آن، محققان از سراسر جهان آزمایش‌هایی را با یون‌های سنگین انجام می‌دهند.
چگونه مخلوط کردن آب انرژی ایجاد می‌کند؟
انرژی آبی با بهره‌برداری از اختلاف فشار اسمزی بین دو منبع آبی که دارای شوری (سطح نمک) متفاوتی هستند به دست می‌آید. فشار اسمزی اندازه‌گیری میزان جذب یک محلول در یک حلال خالص توسط اسمز است. منابع آب با فشار اسمزی متفاوت با سرعت‌های متفاوتی در غشاها نفوذ می‌کنند.
این تفاوت یک منبع انرژی قابل برداشت است که به آن انرژی گرادیان شوری (SGE) یا انرژی آبی گفته می‌شود. انرژی آبی از جذب و تبدیل انرژی آزاد گیبس (یک پتانسیل ترمودینامیکی) به دست می‌آید.
این منبع غیرمنتظره برای اولین بار در سال 1954 پیشنهاد شد، دانشمندان پتانسیل انرژی رودخانه‌ای که با دریا مخلوط می‌شود را با یک آبشار 680 فوتی (207 متری) مقایسه کردند.
هنگامی که آب شیرین با آب شور در محل تلاقی رودخانه‌ها و دریاها مخلوط می‌شود، انرژی آزاد گیبس در تغییرات آنتروپیک که به طور طبیعی در سطح شیمیایی رخ می‌دهد، آزاد می‌شود. امروزه، دانشمندان تخمین می‌زنند که حدود 0.8 کیلووات ساعت در متر مکعب آب از منابع انرژی آبی طبیعی مانند اینها قابل برداشت است.
اولین تکنیک تجربی توسعه یافته برای مهار انرژی آبی، الکترودیالیز معکوس (RED) است. سیستم‌های RED از غشاهای تبادل کاتیونی و آنیونی انباشته برای جذب انرژی آبی از تناوب آب دریا و آب رودخانه استفاده می‌کنند.
در سال 1974، محققان تکنیک جدیدی را توسعه دادند که از غشاهای اسمزی استفاده می‌کرد: اسمز تأخیر یافته فشاری (PRO). در هر دو سیستم، محدودیت اصلی برای تحقق کامل پتانسیل انرژی آبی قابلیت دسترسی به غشاهای مناسب بود که می‌توانستند به طور قابل اطمینان در مقیاس سنتز شوند.
استفاده بالقوه از غشاهای متراکم گزینش‌پذیر یونی برای ایجاد و برداشت انرژی از فشارهای اسمزی مختلف به خوبی ثابت شده است. با این حال، سیستم‌های انرژی آبی به دلیل محدودیت‌های تکنولوژیکی در سنتز غشاهای مناسب، هنوز به سطوح صنعتی تبدیل نشده‌اند.
غشاهای نانومتخلخل برای تحقق بخشیدن به پتانسیل انرژی آبی
توسعه انرژی آبی به طور جدایی‌ناپذیری با توسعه غشاهای کارآمدتر که می‌توانند در مقیاس سنتز شوند مرتبط است. اکنون نسل جدیدی از غشاهای نانومتخلخل (موادی که منافذ آنها بین 0.1 تا 100 نانومتر است) وارد حوزه انرژی آبی شده است.
این مواد می‌توانند به عنوان برداشت‌کننده انرژی آبی عمل کنند، زیرا گروه‌های باردار روی سطح منافذ در مقیاس نانو تشکیل می‌شوند. با این حال، غشاهای نانومتخلخل اولیه پیشنهاد شده برای برداشت انرژی آبی از نظر کارایی شار یون محدود بودند.
بنابراین تحقیقات انرژی آبی بر روی توسعه غشاهای نانومتخلخل متمرکز شده است که به تعداد زیادی یون (اتم‌ها یا مولکول‌های باردار) اجازه می‌دهند از میان آنها جریان پیدا کنند.
غشاهای نانومتخلخل با شار یونی بالا و گزینش‌پذیری مناسب برای مهار انرژی آبی، ارمغانی است که محققان در سراسر جهان به دنبال آن هستند.
موادی پیشنهاد شده‌اند که این الزامات را برآورده می‌کنند، اما سنتز غشاهای نانومتخلخل هنوز یک زمینه جدید است. بنابراین، تولید در مقیاس بزرگ هنوز فقط یک امکان تئوری است و برای تحقق آن باید فعالیت‌های بیشتری صورت گیرد.
مواد و تکنیک‌های جدید برای پیشبرد انرژی آبی
در مقاله‌ای جدید، دانشمندان نشان می‌دهند که استفاده از غشاهای نانومتخلخل با ویژگی‌های انتقال یون مناسب می‌تواند سیستم‌های برداشت انرژی آبی با کارایی بالا که در مقیاس کار می‌کنند را فراهم کند.
انگیزه نویسندگان رویکرد «یادگیری از طبیعت» است. آنها تکنیک‌های بیومیمتیک برای جذب انرژی آبی مبتنی بر نانو کانال‌های حالت جامد (SSN) را تجلیل می‌کنند. آنها استدلال می‌کنند که روش بهینه الکترودیالیز معکوس نانوسیال یا NRED است که از نسل جدید غشاهای نانومتخلخل استفاده می‌کند.
NRED اختلاط کنترل شده را در غشاهای نانومتخلخل به جای اختلاط کنترل نشده در غشاهای متراکم که در RED سنتی استفاده می‌شود، امکان‌پذیر می‌کند. برخلاف غشاهای متراکم، غشاهای نانومتخلخل مقاومت کم در برابر یون‌ها (شار یونی بالا) را با گزینش‌پذیری یونی خوب ترکیب می‌کنند.
این تکنیک هنگامی که یک غشای نانومتخلخل حاوی SSN در معرض محلول الکترولیت قرار می‌گیرد، گرادیان غلظت را از حاصل برهمکنش‌های الکترواستاتیکی جذب یون‌های مخالف و دفع یون‌های همنام تعیین می‌کند.
افزایش مقیاس سنتز غشاهای نانومتخلخل
کلید باز کردن پتانسیل غشاهای نانومتخلخل در تولید انرژی آبی، توسعه تکنیک‌های سنتز مؤثر برای آنها است. تاکنون هیچ روشی به عنوان مؤثرترین روش پدید نیامده است، اما موفقیت‌هایی با پرتوهای یونی، پرتوهای الکترونی و تکنیک‌های الکتروشیمیایی ممکن شده است.
یکی از چالش‌های کلیدی برای تولید دستگاه‌های NRED مقیاس‌پذیر، دشواری جهش از عملکرد تک منافذ به چند کانال است.
نویسندگان آخرین مطالعه، سه مانع اصلی را برای افزایش مقیاس سطح فناوری NRED به سطوح صنعتی شناسایی کردند:
1. کارکردن سیستم‌ها در شرایط کاری واقعی (مقیاس بزرگ‌تر و ظرفیت بالاتر نسبت به شرایط آزمایشگاهی)
2. ایجاد سلول‌های NRED کامل و چند کاناله
3. بهبود خواص مکانیکی و ضد رسوب غشاهای نانومتخلخل
این یادداشت استدلال می‌کند که برای غلبه بر این چالش‌ها به یک تلاش میان‌رشته‌ای نیاز است. مهندسان، دانشمندان مواد، نانوفناوران، شیمی فیزیک دانان و الکتروشیمی‌دانان، همگی نقش مهمی در آینده انرژی آبی دارند.
درباره نویسنده «بن پیلکینگتون»
بن پیلکینگتون نویسنده، ویراستار و نمونه‌خوان مستقل با مدرک کارشناسی‌ارشد در رشته ادبیات انگلیسی از دانشگاه آکسفورد است. او با استفاده از ارتباط نوشتاری متعهد به شفاف‌سازی است و از گفتن داستان‌های پیچیده و فنی به شیوه‌ای مناسب و قابل‌درک، لذت می‌برد.