ابداع یک دستگاه هوشمند برای جداسازی هیدروژن و لیتیوم آب دریا
محققان چینی اخیرا ماشینی طراحی کرده‌اند که می‌تواند هیدروژن و لیتیوم آب دریا را به نحو موثری جداسازی نموده و ماه‌های متمادی بدون وقفه و کار کند.
به گزارش سیناپرس اردبیل، یکی از مشکلات هیدروژن تجدیدپذیر این است که از آب شیرین استفاده می‌کند و با توجه به اینکه یک چهارم جمعیت جهان حداقل یک ماه از سال با کمبود شدید آب روبرو هستند، آب شیرین منبعی محدودتر و گران‌بها برای استحصال هیدروژن به شمار می‌رود. بنابراین، فناوری‌هایی که می‌توانند هیدروژن را از آب دریای فراوانی که بیشتر سیاره را پوشانده است الکترولیز کنند، یک حوزه حیاتی برای پژوهش به شمار می‌روند.
شما می توانید آب دریا را نمک‌زدایی کنید و سپس آن را تقسیم کنید، اما این راه حل عالی نیست. بیشتر انرژی ورودی شما در فرآیند نمک‌زدایی از بین می‌رود و این باعث افزایش قیمت هیدروژنی می‌شود که تولید می‌کنید. اگرچه تعداد زیادی دستگاه الکترولیز مستقیم آب دریا وجود دارد، اما اکثر آنها خیلی سریع از بین می روند که در مفهوم تجاری به صرفه نیستند.
یون‌های کورید در دم کردن پیچیده اقیانوس به گاز کلر بسیار خورنده در آند تبدیل می‌شوند و الکترودها را می‌خورند و کاتالیزورها را تجزیه می‌کنند تا زمانی که ماشین از کار بیفتد. یون‌های کلرید در کمپلکس اقیانوسی به گاز کلر بسیار خورنده در آند تبدیل می‌شوند و الکترودها را می‌خورد و کاتالیزورها را آن قدر تجزیه می‌کنند که دستگاه مربوطه از کار بیفتد.
محققان دانشگاه فناوری نانجینگ چین معتقدند راهی برای حل این مشکل پیدا کرده‌اند. در مطالعه‌ای که ماه گذشته در نیچر منتشر شد، تیم نانجینگ یک دستگاه الکترولیز مستقیم آب دریا را طراحی کرده‌اند که بیش از 3200 ساعت (133 روز) بدون نقص کار می‌کند. براساس نظر طراحان، این دستگاه کارآمد بسیار شبیه به یک تجزیه‌کننده آب شیرین و بدون افزایش قابل توجه هزینه عملیاتی عمل می‌کند.
الکترولایزر این تیم، آب دریا را کاملا از الکترولیت هیدروکسید پتاسیم غلیظ و همچنین الکترودها را نیز با استفاده از غشاهای ارزان، ضد آب، قابل تنفس و ضد رسوب زیستی مبتنی بر PTFE جدا نگه می‌دارند. این غشاها از عبور آب مایع جلوگیری می‌کنند، اما اجازه می دهند بخار آب از آن عبور کند. تفاوت فشار بخار آب بین سمت آب دریا و سمت الکترولیت نیروی محرکه‌ای برای گازی شدن (تبخیر) خود به خود آب دریا در سمت آب دریا فراهم می کند.
بنابراین چیزی که به دست می‌آورید این است که آب خالص به سرعت از آب دریا بدون هیچ انرژی اضافی تبخیر می‌شود، سپس از غشای PTFE عبور کرده و به عنوان مایع در الکترولیت جذب می‌شود. به گفته تیم نانجینگ، این ماده به آب اجازه عبور می‌دهد و 100 درصد یون‌های دیگری را که ممکن است باعث آسیب به الکترودها یا غشاء شوند، مسدود می کند.
این تیم یک جعبه الکترولایزر 11 سلولی جمع و جور، به اندازه چند چمدان با اندازه متوسط را در خلیج شنژن آزمایش کردند. در طول آزمایش 133 روزه حدود 386 لیتر گاز هیدروژن در ساعت تولید شد که بسیار زیاد به نظر می‌رسد. با قرار دادن آن در زمینه پیل سوختی EV و با فرض اینکه یک خودرو حدود 100 کیلومتر را با 1 کیلوگرم هیدروژن رانندگی می‌کند، این دستگاه 11 سلولی، هیدروژن کافی در ساعت برای رانندگی یک خودرو در حدود 2/3 کیلومتر تولید می‌کند. از آنجایی که هیدروژن حدود 544/3 کیلووات ساعت انرژی در هر نیوتن متر مکعب حمل می‌کند، این الکترولیز آب دریا با راندمان حدود 71 درصد کار می‌کند.
نکته مهم این است که دستگاه پس از چهار ماه و اندکی در آب دریا همچنان با ظرفیت کامل کار می کرد و تجزیه و تحلیل پس از آزمایش نشان داد که هیچ افزایش آشکاری در یون‌های ناخالص مسدود کننده غشای PTFE در الکترولیت وجود نداشته و هیچ خوردگی روی لایه‌های کاتالیست قابل مشاهده نبود. محققان می‌گویند اکنون که اصل اساسی برای استخراج آب شیرین از آب دریا اثبات شده است، مسیرهای زیادی برای کشف بهبود عملکرد وجود دارد.
تیم نانجینگ همچنین به دنبال این بودند که ببیند فرآیند تبخیر آنها چگونه بر غلظت لیتیوم در آب دریا تأثیر می‌گذارد. آنها پس از چند صد ساعت، افزایش قابل توجه42 برابری پیدا کردند و توانستند برخی از کریستال‌های کربنات لیتیوم را رسوب دهند که نشان می‌دهد با توسعه بیشتر، این ماشین‌ها ممکن است بتوانند هم از هیدروژن و هم از فلزات باتری درآمدزایی کنند.
این تحقیق در مجله Nature منتشر شده است.
مترجم: تقی قاسمی
منبع: New Atlas
