مفهوم لباس ضد آب که برای تولید هیدروژن از آب دریا استفاده می شود

ساختار دستگاه قبل از تقسیم آب نمک‌زدایی بدون انرژی انجام می‌دهد.
با ارزان‌تر شدن انرژی‌های تجدیدپذیر، انگیزه‌ای رو به رشد برای یافتن راه‌هایی برای ذخیره اقتصادی آن وجود دارد. باتری ها می توانند شارهای کوتاه مدت در تولید را تحمل کنند اما ممکن است نتوانند کمبودهای طولانی مدت یا تغییرات فصلی در توان خروجی را تحمل کنند. هیدروژن یکی از چندین گزینه در نظر گرفته شده است که این پتانسیل را دارد که به عن

اما هیدروژن مشکلات خاص خود را دارد. به دست آوردن آن از طریق تقسیم آب بسیار ناکارآمد و از نظر انرژی است و ذخیره آن برای مدت طولانی می تواند چالش برانگیز باشد. اکثر کاتالیزورهای تولید کننده هیدروژن با آب خالص نیز بهترین کار را می کنند - این امر لزوماً چیزی نیست که به راحتی به دست آید زیرا تغییرات آب و هوایی شدت خشکسالی را افزایش می دهد.

گروهی از محققان مستقر در چین اکنون دستگاهی ساخته اند که به آن کمک می کند. هنگام شروع با آب دریا می تواند هیدروژن تولید کند - در واقع، دستگاه برای کار کردن باید در آب دریا قرار گیرد. مفهوم کلیدی برای به کار انداختن آن برای هرکسی که می داند بیشتر لباس های ضدآب چگونه کار می کنند آشنا خواهد بود.

من می توانم نفس بکشم

لباس های ضدآب و قابل تنفس متکی به غشایی با منافذ با ساختار دقیق است. . غشاء از ماده ای ساخته شده است که آب را دفع می کند. دارای منافذ بود، اما آنقدر کوچک هستند که اجازه عبور آب مایع را نمی دهند. اما آنقدر بزرگ هستند که تک تک مولکول های آب می توانند از آن عبور کنند. در نتیجه، هر آبی که در قسمت بیرونی لباس وجود دارد، باقی می‌ماند، اما هر تعریقی که در داخل آن تبخیر می‌شود، همچنان از پارچه جاری می‌شود و راه خود را به دنیای بیرون باز می‌کند. در نتیجه، پارچه نفس می کشد.

تبلیغات

یک غشای مشابه در عملکرد دستگاه جدید نقش اساسی دارد. از عبور آب مایع از غشا جلوگیری می کند اما اجازه می دهد تا بخار آب از آن عبور کند. تفاوت بزرگ این است که آب مایع در دو طرف غشاء وجود دارد.

در قسمت بیرونی، آب دریا با مجموعه استاندارد نمک آن وجود دارد. در داخل، محلول غلیظی از یک نمک - هیدروکسید پتاسیم (KOH) در این مورد - وجود دارد که با فرآیند الکترولیز تولید هیدروژن سازگار است. غوطه ور در محلول KOH مجموعه ای از الکترودها است که هیدروژن و اکسیژن را در دو طرف جداکننده تولید می کنند و جریان گاز را خالص نگه می دارند.

پس وقتی سخت افزار شروع به کار کند چه اتفاقی می افتد؟ همانطور که آب داخل دستگاه تقسیم می شود و هیدروژن و اکسیژن تولید می کند، سطح آب کاهش یافته غلظت محلول KOH را افزایش می دهد (که بسیار متمرکزتر از آب دریا شروع شده بود). این امر باعث می شود که آب از آب دریا در سراسر غشاء حرکت کند تا KOH رقیق شود. و، به دلیل منافذ، این امکان وجود دارد، اما تنها در صورتی که آب به شکل بخار حرکت کند.

در نتیجه، آب برای مدت کوتاهی در مرحله بخار در داخل غشاء وجود دارد و سپس به سرعت به حالت مایع برمی‌گردد. زمانی که داخل دستگاه باشد تمام مخلوط پیچیده نمک های موجود در آب دریا در خارج از غشاء باقی می ماند و منبع ثابتی از آب شیرین برای الکترودهایی که آن را شکافته اند فراهم می کند. به طور اساسی، همه اینها بدون استفاده از انرژی که معمولاً در نمک‌زدایی دخیل است انجام می‌شود، و باعث می‌شود که فرآیند کلی انرژی کارآمدتر از تمیز کردن آب برای استفاده در الکترولیز استاندارد باشد.

استفاده در دنیای واقعی

همه اینها در اصل عالی به نظر می رسد، اما آیا واقعاً کار می کند؟ برای کشف این موضوع، تیم دستگاهی را مونتاژ کرد و آن را در آب دریا خلیج شنژن (یک ورودی در شمال هنگ کنگ و ماکائو) قرار داد. و تقریباً با همه معیارهای عملکرد معقول، به خوبی کار می‌کرد.

تبلیغات

این دستگاه حتی پس از 3200 ساعت استفاده نیز عملکرد خود را حفظ کرد، و میکروسکوپ الکترونی غشاء پس از استفاده نشان داد که منافذ در این نقطه باز شده‌اند. KOH مورد استفاده برای سیستم کاملاً خالص نبود، بنابراین حاوی سطوح پایینی از یون‌های موجود در آب دریا بود. اما این سطوح در طول زمان افزایش نیافته و تأیید می کند که سیستم آب دریا را از محفظه الکترولیز خارج می کند. از نظر قدرت، این سیستم تقریباً به اندازه یک الکترولیز استاندارد استفاده می‌کرد و تأیید می‌کرد که تصفیه آب هزینه‌های انرژی ندارد.

محلول KOH همچنین با انتشار آب در دستگاه، خود متعادل‌کننده بود. در صورتی که محلول داخلی آن خیلی رقیق شود کند می شود. اگر بیش از حد متمرکز شود، بازده الکترولیز کاهش می‌یابد، بنابراین حذف آب کند می‌شود.

نویسندگان تخمین می‌زنند که دستگاه آنها فشارهایی را تا حدود 75 متر از آب دریا تحمل می‌کند. با این حال، دما در آن اعماق ممکن است محدود باشد، زیرا سرعت انتشار آب در سراسر غشاء در دمای 30 درجه سانتی گراد شش برابر بیشتر از دمای صفر درجه سانتی گراد بود. گزینه هایی برای بهبود عملکرد وجود دارد. نمک های مختلف فراتر از KOH مناسب هستند و برخی ممکن است عملکرد بهتری داشته باشند. محققان همچنین دریافتند که ترکیب KOH در یک هیدروژل در اطراف الکترودها باعث افزایش تولید هیدروژن می شود. در نهایت، این امکان وجود دارد که تغییر مواد یا ساختار الکترودهای مورد استفاده در تقسیم آب، باعث تقویت بیشتر شود.

در نهایت، تیم پیشنهاد کرد که این ممکن است علاوه بر تولید هیدروژن برای چیزهایی مفید باشد. آنها به جای آب دریا، یکی از دستگاه ها را در محلول لیتیوم رقیق غوطه ور کردند و دریافتند که 200 ساعت کار، غلظت لیتیوم را بیش از 40 برابر به دلیل حرکت آب به داخل دستگاه افزایش می دهد. زمینه های زیادی مانند تصفیه آب آلوده وجود دارد که این نوع توانایی غلظت می تواند مفید باشد.

این همه مشکلات مربوط به استفاده از هیدروژن را به عنوان یک رسانه ذخیره انرژی حل نمی کند. اما مطمئناً این پتانسیل را دارد که به ما امکان دهد «نیاز به آب خالص» را از فهرست این مشکلات حذف کنیم.

Nature، 2022. DOI: 10.1038/s41586-022-05379-5  (درباره DOIs).

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *