"Голубая энергия", собранная на основе осмотической разницы между морской и пресной водой, была широко изучена как чистый, возобновляемый и устойчивый источник энергии. За последние десятилетия ученые изучили широкий спектр технологий сбора энергии с помощью мембран. В качестве устойчивых методологий были рассмотрены два основных подхода:
- замедленный осмос под давлением;
- обратный электродиализ (красный цвет).
Что касается метода красного цвета, то осмотическая энергия может быть непосредственно преобразована в электрический ток. В традиционном красном цвете ионы проходят сквозь чередующиеся катионные и анион-селективные мембраны под градиентом концентрации соли. Вдохновленный электрическим угрем, способным вырабатывать 600 В, традиционный принцип конструкции мембраны заключается в селективности однослойных мембран. Так, были разработаны мембраны наножидкого типа, покрывающие:
- неорганические мембраны - нитрид бора,
- органические мембраны - графеноксиды и полимеры,
- мягкие вещества - гидрогель.
Однако эти генераторы ограничительны из-за недостаточной массы потока ионов или из-за большого сопротивления внутри самой мембраны. До сих пор максимальная плотность мощности может достигать 2,2 Вт/м2 за счет крупномасштабных тандемных установок, что далеко не соответствует требованиям промышленного развития. Критическая плотность мощности составляет 5,0 Вт/м2 для морской воды и систем пресной воды. Это связано с:
- низкой эффективностью преобразования энергии,
- низкой удельной выходной мощностью,
- трудностями в расширении масштабов производства мембранных нанотехнологий.
Недостатки традиционного мембранного генератора.
Во-первых, явление поляризации в процессе преобразования приводит к потере энергии и является основным препятствием на пути повышения эффективности преобразования энергии. Когда генератор подключается к внешнему сопротивлению нагрузки, а внутреннее сопротивление мембраны равно сопротивлению нагрузки, достигается максимальная извлекаемая мощность. Это предсказывает, что большая часть энергии теряется внутри самой мембраны и рассеивается в виде тепла Джоулей между порами. Нелинейный (ионно-диодного типа) ток позволяет односторонний перенос ионов, в то время как обратный ток блокируется под обратным смещением. Поэтому эффективность преобразования энергии может быть повышена с помощью ионно-диодной мембраны с асимметричной структурой. Однако для поддержания высокой эффективности в долгосрочной перспективе ток в высокой концентрации соли должен поддерживаться в режиме блокировки, поскольку концентрация соли в море составляет не менее 0,5 М.
Явления ректификации сильно зависят от концентрации ионов, а наибольший коэффициент ректификации обычно возникает при низкой концентрации (менее 0,1 М) (21-23). При чрезвычайно высокой концентрации ионов выпрямленных токов не существует, а токи с низкой степенью выпрямления поверхностных зарядов экранируются. В процессе преобразования энергии, чтобы ток не переключился обратно на линейное поведение,желательно, чтобы в гиперсалиновой среде мембрана выпрямляла ток.
Во-вторых, низкая плотность выходной мощности ограничивается ионной проводимостью, которая доминирует над плотностью поверхностного заряда и внутренним сопротивлением мембраны . Другим решающим фактором для крупномасштабной жизнеспособности является расширяющаяся мембрана с механическими свойствами. Например, мембрана из нанотрубок нитрида бора, показала отличные результаты в сборе осмотической энергии благодаря высокому поверхностному заряду. Однако широкомасштабная жизнеспособность по-прежнему остается серьезной проблемой, ограничивающей ее практическое применение.
Трехмерная пористая мембрана.
Для преодоления проблем традиционного мембранного генератора осмотической энергии разработали трехмерную (3D) пористую мембрану Янус с регулируемым поверхностным зарядом и пористостью. Разработанная мембрана обладает уникальными свойствами:
- плотность и пористость перестраиваемых поверхностных зарядов, благоприятствующие проводимости ионной трансмембраны;
- поддержание селективности выпрямленного тока и ионов в чрезвычайно высоком солевом растворе, что повышает эффективность преобразования;
- превосходную прочность и легкость для расширения масштабов применения.
Чтобы избежать явления поляризации ионов в однослойной мембране, интегрировали нелинейный ток в систему преобразования энергии. Янусовая мембрана с ректифицированным током переносит ионы как "скоростная ионная магистраль" из морской воды в речную. Конструкция химической молекулы позволяет регулировать пористость и плотность поверхностного заряда, что положительно сказывается на ионной проводимости и феномене выпрямленного тока. Эффективная селективность ионов и выпрямленный ток в гиперсалиновом растворе обеспечивают высокую эффективность преобразования осмотической энергии. Кроме того, массивный ионный поток достигается за счет настройки плотности и пористости поверхностного заряда, что повышает плотность мощности. Благодаря конструкции химической молекулы можно легко получить крупногабаритную мембрану с превосходной прочностью.
Таким образом, плотность мощности этого мембранного генератора достигает:
- 2,66 Вт/м2 - смешивание морской и речной воды;
- до 5,10 Вт/м2 при 500-кратном градиенте солености - приток соленого озера в речную воду.
Кроме того, генератор, построенный путем подключения серии мембран, может работать в течение 120 часов без явного снижения тока, что доказывает отличную физическую и химическую устойчивость. Мембрана диодного тока обладает большим потенциалом для сбора “голубой энергии”, развивает фундаментальное понимание транспорта жидкостей и конструкции материалов как парадигмы высокопроизводительного генератора преобразования энергии.
