Bugün Nature Materials’da yayınlanan iyon değişimi membran tasarımına yönelik yeni yöntem,
birçok küçük su emici tanecikli düşük maliyetli plastik membranları kullanıyor. Böylece, Pratik olarak uygulanması daha pahalı ve zor olan mevcut teknolojiyi geliştiriyorlar.
Nafion olarak bilinen mevcut iyon değişim membranları, suyu arıtmak ve yakıt hücrelerindeki ve bataryalardaki yenilenebilir enerji çıkışını depolamak için kullanılır. Ancak, Nafion membran ‘larındaki iyon taşıma kanalları iyi tanımlanmamıştır ve membranlar çok pahalıdır.
Buna karşılık, düşük maliyetli polimer membranlar tuz ve kirleticilerin sudan uzaklaştırılmasından doğal gaz arıtımına kadar çeşitli bağlamlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak, bu membranlar iyon taşınması için yeteri kadar iletken ve seçici değildir.
Su arıtımını ve enerji depolamayı artıran yeni membran teknolojisi
Şu anda, Imperial Üniversitesi’nden Dr.Qilei Song ve Edinburgh Üniversitesi’nden Profesör Neil McKeown liderliğindeki çok kurumsal bir ekip, pillerde enerji depolamanın ve suyun arıtılmasının maliyetini azaltabilecek yeni bir iyon taşıma membranı teknolojisi geliştirdi.
Onlar, kendiliğinden küçük gözenekli olarak bilinen bir mikro gözenekli polimer sınıfı oluşturmak için bilgisayar simülasyonları kullanarak yeni membranlar geliştirdiler ve yapı taşlarını değişken özellikler için değiştirdiler.
Onların buluşları, yenilenebilir enerjini kullanımına ve depolanmasına katkıda bulunabilir ve gelişmekte olan ülkelerde temiz içme suyunun varlığını artırabilir.
Imperial Üniversitesi Kimya Mühendisliği bölümünün baş yazarı Dr. Song şunları söyledi:
“Tasarımımız, yaşam kalitesinin artırılması ve iklim değişikliğiyle mücadeleye yardımcı olacak güneş ve rüzgar gücü gibi yenilenebilir enerjinin depolanmasını da artırmak gibi çeşitli kullanımlar için yeni nesil membranlar tasarlıyor.”
Burgu Makarna Belkemiği
Polimerler, düdüklü makarna gibi sert ve bükülmüş omurgalardan oluşur. Moleküllerin ve iyonların fiziksel boyutlarına göre seçici olarak hareket ettiği sert, sıralı kanallar sağlayan ‘mikro gözenekler’ olarak bilinen küçük gözenekler içerirler.
Sıralı kanallara sahip mikro gözenekli iyon eleme membranları iyonların hızlı ve seçici bir şekilde taşınmasını sağlar
Polimerler ayrıca ortak çözücüler içinde de çözünür, böylece iyon taşınmasını daha da hızlandıran süper ince filmlere dökülebilirler. Bu faktörler, yeni membranların hızlı ve seçici iyon nakliyesi gerektiren çok çeşitli ayırma işlemlerinde ve elektrokimyasal cihazlarda kullanılabileceği anlamına gelir.
Su
Kendiliğinden mikro gözenekli polimerleri daha su dostu yapmak için ekip, büyük iyonları ve organik molekülleri korurken küçük tuz iyonlarının geçmesine izin vermek için tröger’in tabanı ve amidoksim grupları olarak bilinen su çeken fonksiyonel grupları birleştirdi.
Ekip, membranlarının sudan küçük tuz iyonlarını süzerken ve belediye su arıtması için organik molekülleri ve organik mikro kirleticileri çıkarırken çok seçici olduğunu gösterdi.
Dr. Song şunları söyledi:
“Bu tür membranlar su nanofiltrasyon sistemlerinde kullanılabilir ve gelişmekte olan ülkelerde içme suyu sağlamak için çok daha büyük bir ölçekte üretilebilir.”
Membranlar organik molekülleri sudan uzaklaştırır
Ayrıca, lityum iyon pilleri için ana kaynak olan madenden çıkarılan lityum ihtiyacını azaltabilecek bir tekniktir ve tuzlu sudaki magnezyumdan lityum iyonlarını filtreleyebilecek kadar da spesifiktir.
Dr. Song şöyle dedi:
“Belki şimdi daha az pahalı, daha çevre dostu olan ve elektrikli araçların ve büyük ölçekli yenilenebilir enerji depolarının geliştirilmesine yardımcı olacak, toprak altındaki madencilik yerine deniz suyu veya tuzlu su rezervlerinden sürdürülebilir lityum alabiliriz.
Piller
“Piller, enerji şebekeye girmeden ve evlere güç vermeden önce, rüzgar ve güneş gibi yenilenebilir kaynakların ürettiği enerjiyi depolar ve dönüştürür. Şebeke, yenilenebilir kaynaklar azaldığında, örneğin güneş panellerinin gece enerji toplayamadığı durumlarda bu pillere girebilir.
Akış pilleri, bu tür büyük ölçekli uzun süreli depolama için uygundur. Ancak mevcut ticari akış pilleri, pahalı olan ve akış pillerinin büyük ölçekli uygulamalarını sınırlayan pahalı vanadyum tuzları, sülfürik asit ve Nafion iyon değiştirici membranlar kullanır.
Tipik bir akış bataryası, iki elektrot arasında tutulan bir zarın üzerine pompalanan iki elektrolit çözeltisi tankından oluşur. Membran ayırıcı, iki elektrolitin çapraz karışmasını önlerken yük taşıyan iyonların tanklar arasında taşınmasına izin verir.
Malzemelerin çapraz karıştırılması pil performansında bozulmaya neden olabilir.Araştırmacılar, yeni nesil kendiliğinden mikro gözenekli polimer’leri kullanarak, belirli iyonları diğerlerinden geçirip uzak tutabilen, iyi tanımlanmış gözeneklere sahip, daha ucuz ve kolay işlenen membranlar tasarladılar.
Birbirine bağlı iyonik kanalları içeren mikro gözenekli polimerler
Membranlarının, kinonlar ve potasyum ferrosiyanür gibi düşük maliyetli organik redoks-aktif türler kullanarak organik redoks akışlı pillerdeki kullanımını gösterdiler. Kendiliğinden mikro gözenekli polimer membranları, ferrosiyanür anyonlarına karşı daha yüksek moleküler seçiciliği ve pilin daha uzun ömürlü olmasını sağlayacak şekilde, pildeki redoks türlerinin düşük çaprazlanmasını göstermiştir.
Kimya Mühendisliği Bölümü’nden doktora araştırmacı yardımcı yazar Rui Tan şunları söyledi:
katı hal lityum iyon pillerden, düşük maliyetli akış pillerine kadar yeni nesil iyon taşıma membranlarımızla geliştirilebilecek çok çeşitli pil kimyası araştırıyoruz.”
Sırada ne var ?
Bu iyon seçici membranların tasarım ilkeleri, endüstriyel ayırma işlemleri için membranlara, sodyum ve potasyum iyon piller gibi gelecek nesil pil ayırıcılarına ve enerji dönüşümü ve yakıt hücreleri ile elektrokimyasal reaktörler dahil olmak üzere depolama için diğer birçok elektrokimyasal cihaza kadar genişletilebilecek derecede yeteri kadar kapsamlıdır.
Su arıtımını ve enerji depolamayı artıran yeni membran teknolojisi
Rui Tan gibi Kimya Mühendisliği Bölümünde doktora araştırmacı yazar olan Anqi Wang şunları söyledi:
“Hızlı iyon aktarımı ve bu yeni iyon seçici membranın seçicilik kombinasyonu, bu ürünleri çok çeşitli endüstriyel uygulamalar için çekici hale getiriyor.
“Daha sonra, araştırmacılar filtrasyon membranları yapmak için bu tür membranları büyütecekler. Ayrıca, ürünlerini endüstrilerle işbirliği içinde ticarileştirmeye çalışacaklar.
Ayrıca Imperial Üniversitesi yardımcı yazar Profesör Nigel Brandon tarafından kurulan bir yedek pil bataryası şirketi olan RFC ile birlikte çalışacaklar.
Kaynak:
https://phys.org/news/2019-12-membrane-technology-boost-purification-energy.html
Hiç yorum yok:
Yorum Gönder