Nơi sông giáp ranh biển: Khai thác năng lượng sinh ra khi nước ngọt gặp nước mặn

Các nhà nghiên cứu Penn State đã tạo ra một công nghệ hybrid mới tạo ra lượng điện năng chưa từng thấy trong đó nước biển và nước ngọt kết hợp ở bờ biển.

Christopher Gorski, giáo sư về kỹ thuật môi trường tại Penn State nói: “Mục tiêu của công nghệ này là sản xuất điện từ nơi mà các con sông gặp biển”. “Nó dựa trên sự khác biệt về nồng độ muối giữa hai nguồn nước.”

Sự khác biệt về nồng độ muối có tiềm năng tạo ra đủ năng lượng để đáp ứng tới 40% nhu cầu điện toàn cầu. Mặc dù các phương pháp hiện đang tồn tại để nắm bắt được năng lượng này, hai phương pháp thành công nhất, thẩm thấu chậm áp (PRO) và ngược điện phân (RED) đã giảm đi đến nay.

PRO, hệ thống phổ biến nhất, có chọn lọc cho phép nước vận chuyển qua một màng bán thấm, trong khi loại trừ muối. Áp suất thẩm thấu được tạo ra từ quá trình này được chuyển thành năng lượng bằng cách biến tua bin.

“PRO là công nghệ tốt nhất về lượng năng lượng bạn có thể nhận được,” Gorski nói. Nhưng vấn đề chính của PRO là các màng truyền nước qua hôi, có nghĩa là vi khuẩn phát triển trên chúng hoặc các hạt bị kẹt trên bề mặt của chúng, và chúng không còn vận chuyển nước qua chúng “.

Điều này xảy ra vì các lỗ trong màng rất nhỏ, vì vậy chúng dễ bị tắc nghẽn. Ngoài ra, PRO không có khả năng chịu được áp lực cần thiết của nước siêu mặn.

Công nghệ thứ hai, RED, sử dụng một gradient điện hóa để phát triển điện áp trên màng trao đổi ion.

“Màng trao đổi ion chỉ cho phép một trong hai ion tích điện dương đi qua chúng hoặc các ion tích điện âm”, Gorski giải thích. “Vì vậy, chỉ có muối hòa tan là đi qua, chứ không phải là nước.”

Ở đây, năng lượng được tạo ra khi các ion clorua hoặc natri được giữ từ các màng trao đổi ion như là kết quả của vận chuyển ion chọn lọc. Màng trao đổi ion-không yêu cầu nước chảy qua chúng, vì vậy chúng không gây hôi dễ dàng như các màng được sử dụng trong PRO; tuy nhiên, vấn đề với RED là nó không có khả năng tạo ra một lượng điện lớn.

bai132

Hình ảnh của tế bào dòng chảy tập trung. Hai tấm kẹp các tế bào lại với nhau, chứa hai kênh hẹp được cho ăn bằng nước ngọt hoặc nước biển tổng hợp thông qua đường nhựa. Nguồn: Trường Cao đẳng Kỹ thuật Penn State

Một công nghệ thứ ba, trộn dung (CapMix), là một phương pháp tương đối mới cũng đang được khám phá. CapMix là một công nghệ dựa trên điện cực thu năng lượng từ điện thế phát triển khi hai điện cực giống hệt nhau được tiếp xúc với hai loại nước khác nhau với nồng độ muối khác nhau như nước ngọt và nước biển. Giống như RED, vấn đề với CapMix là nó không thể có đủ năng lượng để có thể sống được.

Gorski, cùng với Bruce Logan, Evan Pugh Giáo sư và Stan và Flora Kappe Giáo sư Kỹ thuật Môi trường, và Taeyoung Kim, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ về kỹ thuật môi trường, có thể đã tìm ra giải pháp cho những vấn đề này. Các nhà nghiên cứu đã kết hợp cả công nghệ RED và CapMix trong một tế bào dòng điện hóa học.

“Bằng cách kết hợp hai phương pháp, chúng sẽ giúp bạn có thêm nhiều năng lượng”, Gorski nói.

Nhóm nghiên cứu đã xây dựng một tế bào dòng chảy được tạo ra theo ý riêng, trong đó hai kênh được tách ra bằng một màng trao đổi ion. Một điện cực hexacyanoferrate đồng sau đó được đặt trong mỗi kênh, và lá graphite đã được sử dụng như một bộ thu hiện tại. Các tế bào sau đó được niêm phong bằng cách sử dụng hai tấm cuối cùng với bu lông và các hạt. Sau khi xây dựng, một kênh được cho ăn với nước biển tổng hợp, trong khi kênh kia được cho ăn bằng nước ngọt tổng hợp. Định kỳ chuyển đổi dòng chảy của dòng chảy nước cho phép tế bào để nạp tiền và tiếp tục sản xuất điện. Từ đó, họ đã kiểm tra cách điện áp cắt được sử dụng để chuyển đổi dòng chảy, sức đề kháng bên ngoài và nồng độ muối ảnh hưởng đến sản lượng điện năng cao điểm và trung bình.

“Có hai thứ đang xảy ra ở đây để làm việc”, Gorski nói. Thứ nhất là bạn có muối đi đến các điện cực, thứ hai là bạn có chất clorua truyền qua màng.Vì cả hai quá trình này tạo ra điện áp, bạn sẽ kết thúc phát triển một điện áp kết hợp tại các điện cực và qua màng. “

Để xác định điện áp thu được của dòng tế bào dòng chảy phụ thuộc vào loại màng tế bào sử dụng và độ mặn khác nhau, nhóm nghiên cứu đã ghi lại điện áp của các mạch điện mở trong khi cho ăn hai dung dịch với tốc độ 15ml / phút. Thông qua phương pháp này, họ xác định rằng xếp nhiều tế bào đã ảnh hưởng đến sản xuất điện. Với công suất 12,6 watts trên mỗi mét vuông, công nghệ này dẫn đến mật độ công suất cao nhất chưa từng thấy so với RED đã báo cáo trước đó (2,9 W / mét vuông) và ngang bằng với các giá trị tính toán tối đa cho PRO (9,2 watts per square meter), nhưng mà không có vấn đề bẩn.

Gorski cho biết: “Những gì chúng tôi đã chứng minh là chúng ta có thể mang mật độ điện năng lên đến mức mà mọi người đã báo cáo về sự thẩm thấu chậm và áp suất cao hơn nhiều so với những gì đã được báo cáo nếu bạn sử dụng hai quy trình này một mình.

Các nhà nghiên cứu muốn nghiên cứu thêm về sự ổn định của điện cực theo thời gian và muốn biết các nguyên tố khác trong magnesium và sunfat trong nước biển có thể ảnh hưởng đến hoạt động của tế bào.

“Việc theo đuổi các nguồn năng lượng tái tạo là rất quan trọng”, Gorski nói. “Nếu chúng ta có thể làm được năng lượng trung tính cacbon, chúng ta nên làm”