Исследователи штата Пенсильвания создали новую гибридную технологию, которая вырабатывает беспрецедентное количество электроэнергии при смешивании морской и пресной воды на побережье.
«Цель этой технологии - генерировать электроэнергию там, где реки впадают в океан», - сказал Кристофер Горски, доцент кафедры инженерной защиты окружающей среды в Университете штата Пенсильвания. «Это основано на разнице в концентрации соли между двумя источниками воды."
Эта разница в концентрации соли может генерировать достаточно энергии, чтобы удовлетворить до 40 процентов мировых потребностей в электроэнергии. Хотя в настоящее время существуют методы улавливания этой энергии, два наиболее успешных метода, замедленный осмос под давлением (PRO) и обратный электродиализ (RED), до сих пор не оправдали ожиданий.
PRO, наиболее распространенная система, избирательно пропускает воду через полупроницаемую мембрану, не пропуская соль. Осмотическое давление, создаваемое в результате этого процесса, затем преобразуется в энергию путем вращения турбин.
«PRO на данный момент является лучшей технологией с точки зрения того, сколько энергии вы можете получить», - сказал Горски. «Но основная проблема с PRO заключается в том, что мембраны, которые пропускают воду, засоряются, а это означает, что на них растут бактерии или частицы застревают на их поверхности, и они больше не пропускают через себя воду».
Это происходит потому, что отверстия в мембранах невероятно малы, поэтому они легко блокируются. Кроме того, PRO не способен выдерживать необходимое давление сверхсоленой воды.
Вторая технология, RED, использует электрохимический градиент для создания напряжения на ионообменных мембранах.
«Ионообменные мембраны позволяют проходить через них либо положительно заряженным ионам, либо отрицательно заряженным ионам», - объяснил Горски. "Значит, проходит только растворенная соль, а не сама вода."
Здесь энергия создается, когда ионы хлорида или натрия удерживаются от пересечения ионообменных мембран в результате избирательного переноса ионов. Ионообменные мембраны не требуют прохождения через них воды, поэтому они не так легко загрязняются, как мембраны, используемые в PRO; однако проблема с КРАСНЫМ заключается в том, что он не может производить большое количество энергии.
Третья технология, емкостное смешивание (CapMix), является относительно новым методом, который также изучается. CapMix - это технология на основе электродов, которая улавливает энергию напряжения, возникающего при последовательном воздействии на два одинаковых электрода двух разных типов воды с разной концентрацией солей, например пресной и морской. Как и у RED, проблема с CapMix заключается в том, что он не может обеспечить достаточную мощность, чтобы быть жизнеспособным.
Горски вместе с Брюсом Логаном, профессором Эвана Пью и профессором инженерии окружающей среды Стэном и Флорой Каппе, а также Тэёном Кимом, доктором наук в области инженерии окружающей среды, возможно, нашли решение этих проблем. Исследователи объединили технологии RED и CapMix в электрохимической проточной ячейке.
"Сочетая эти два метода, вы получаете гораздо больше энергии", - сказал Горски.
Команда сконструировала специально изготовленную проточную ячейку, в которой два канала были разделены анионообменной мембраной. Затем в каждый канал помещали электрод из гексацианоферрата меди, а в качестве токосъемника использовалась графитовая фольга. Затем ячейка была герметизирована с помощью двух торцевых пластин с болтами и гайками. После постройки один канал питался синтетической морской водой, а другой канал питался синтетической пресной водой. Периодическое переключение путей потока воды позволяло ячейке перезаряжаться и дополнительно производить энергию. Затем они изучили, как напряжение отсечки, используемое для переключения путей потока, внешнее сопротивление и концентрация соли влияют на пиковую и среднюю выработку энергии.
«Здесь есть две вещи, которые заставляют его работать», - сказал Горски. «Во-первых, у вас есть соль, поступающая на электроды. Во-вторых, у вас есть перенос хлорида через мембрану. Поскольку оба этих процесса генерируют напряжение, вы в конечном итоге создаете комбинированное напряжение на электродах и через мембрану».
Чтобы определить полученное напряжение проточной ячейки в зависимости от типа используемой мембраны и разницы в солености, команда записала напряжение ячейки разомкнутой цепи при подаче двух растворов со скоростью 15 миллилитров в минуту. С помощью этого метода они определили, что размещение нескольких ячеек действительно влияет на производство электроэнергии. При 12,6 Вт на квадратный метр эта технология обеспечивает беспрецедентно высокую пиковую плотность мощности по сравнению с ранее заявленным RED (2.9 Вт на квадратный метр) и на уровне максимальных расчетных значений для PRO (9,2 Вт на квадратный метр), но без проблем с загрязнением.
«Мы показали, что мы можем довести эту плотность мощности до того, что сообщали люди для осмоса с замедлением давления, и до значения, намного превышающего то, о чем сообщалось, если вы используете только эти два процесса», Горски сказал.
Хотя результаты многообещающие, исследователи хотят провести дополнительные исследования стабильности электродов с течением времени и хотят знать, как другие элементы в морской воде, такие как магний и сульфат, могут влиять на работу элемента.
«Важно использовать возобновляемые источники энергии, - сказал Горски. «Если мы можем производить углеродно-нейтральную энергию, мы должны это делать».