Su Arıtımını ve Enerji Depolamasını Artırmak için Yeni Membran Teknolojisi Geliştirildi

Fotoğraf: Enerjinin depolanması için ölçeklendirilebilen redoks akışlı pil. (Kaynak: Oilei Song, Imperial College London)

Imperial College London’daki bilim insanları su arıtımı ve enerji depolanması konularındaki çabaları iyileştirmek amacıyla yeni bir membran türü ortaya koydular.

Bugün Nature Materials’ta yayımlanan iyon değişimi membran tasarımına yeni yaklaşım çok sayıda küçük hidrofilik gözeneklere sahip, düşük maliyetli plastik membranları kullanmaktadır. Böylece uygulanması daha pahalı ve zor olan mevcut teknolojiyi geliştirmeye başladılar.

Nafion olarak bilinen mevcut iyon değişimi membranları suyu arıtmak ve yenilebilir enerjiyi yakıt pillerinde ve akülerde depolamak için kullanılır. Bununla birlikte, Nafion zarlarında iyon naklini sağlayan kanallar iyi tanımlanmamıştır ve bu zarlar çok pahalıdır.

Buna karşılık düşük maliyetli polimer membranlar tuzun ve kirin sudan arıtılmasından doğal gazın saflaştırılmasına kadar çeşitli membran endüstrisinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak bu membranlar iyon taşınımı için genellikle yeterince iletken veya seçici değildir.

Bu nedenle de Edinburgh Üniversitesi’nden Profesör Neil McKeown ve Imperial College London’dan Qilei Song’un liderliğindeki çok kurumlu bir ekip bataryalarda enerji depolanmasını artıracak ve su arıtımı maliyetini azaltacak yeni bir iyon taşıma membran teknolojisi geliştirdi.

Saf noktasal gözeneklilik polimerleri (PIMs) olarak bilinen mikro gözenekli bir polimer sınıfı oluşturmak için bilgisayar simülasyonlarından yararlanarak yeni bir membran geliştirdiler ve değişen özellikler için yapı taşlarında değişiklik yaptılar.

Buluşları yenilebilir enerjinin kullanımına ve depolanmasına katkıda bulunabilir ve gelişmekte olan ülkelerde temiz içme suyunun kullanılabilirliğini artırabilir.

Imperial College London’un Kimya Mühendisliği Bölümü’nden Dr. Song “Tasarımımız hem yaşamları iyileştirmek hem de güneş ve rüzgar enerjisi gibi yenilebilir enerjinin depolanmasını artırmak ve iklim değişikliği ile savaşmak için yeni nesil membranlara sahiptir” dedi.

Polimerin  Ana Atom Zincirleri

Polimerler burgu makarnalar gibi sert ve bükülmüş burgulardan yapılır. Moleküllerin ve iyonların fiziksel boyutlarına göre seçici olarak hareket eden, düzenli kanallar sağlayan mikro gözenekli küçük ve katı yapılara sahiptir.

Polimerler yaygın çözücüler içinde de çözünür. Bu nedenle de iyon taşınımını hızlandıran süper ince filmlere dökülebilirler. Bu faktörler, yeni nesil membranların çok çeşitli ayırma işlemlerinde ve hızlı ve seçici iyon taşınımı gerektiren elektrokimyasal cihazlarda kullanılabilecekleri anlamına gelir.

Su

PIM’leri daha su dostu hale getirmek amacıyla büyük iyonları ve organik molekülleri koruyarak küçük tuz iyonlarının geçmesine izin veren  Tröger’in tabanı ve amidoksim grupları olarak bilinen fonksiyonel grupları çalışmalarına dahil etti.

Ekip küçük tuz iyonlarını ve  organik mikro kirleticileri sudan ayırırken membranlarının oldukça seçici olduğunu kanıtladı. Song “Bu zarlar nanofiltrasyon sistemlerinde kullanılabilir ve gelişmekte olan ülkelerde içme suyunun sağlanması için daha büyük ölçeklerde üretilebilir” dedi.

Ayrıca bu membranlar tuzlu sudaki magnezyumdan lityum iyonlarının ayrıştırılması için yeterince seçicidir. Bu lityum iyon pillerinin ana kaynağı olan pahalı lityumun ihtiyacını azaltabilecek bir yöntemdir.

Song “Belki daha az maliyete sahip, daha çevre dostu, elektrikli araçların ve büyük ölçekli yenilebilir enerji depolarının geliştirilmesine yardımcı olacak yer altı madenciliğinin yerine deniz suyu veya tuzlu su depolarından sürdürülebilir lityum elde edebiliriz” dedi.

Piller

Piller, enerji şebekeye verilmeden ve evlere dağılmadan önce rüzgar ve güneş gibi yenilebilir enerji kaynaklarından elde edilen enerjiyi depolar ve dönüştürür. Şebeke, yenilebilir enerji kaynakları azaldığında bu pillerden faydalanabilir.

Akış pilleri bu tür büyük ölçekli ve uzun süreli depolama için uygundur. Ancak, mevcut ticari akış pilleri,  büyük ölçekli uygulamaları sınırlayan maliyetli vanadyum tuzlarını, sülfürik asii ve Nafion iyon değişimi membranlarını kullanır.

Tipik bir akış aküsü iki elektrot arasında tutulan bir membrana pompalanan ikili tank çözeltisinden oluşur. Membran ayırıcı, iki elektrotun çapraz karışmasını önlerken iyonların tanklar arasında taşınmasına izin verir. Malzemelerin çapraz karıştırılması pil performansının düşmesinde neden olabilir.

Araştırmacılar yeni nesil PIM’lerini kullanarak belirli iyonları geçirip diğerlerini dışarıda tutan, iyi tanımlanmş gözeneklere sahip, daha ucuz ve daha kolay işlenmiş membranlar tasarladılar. Kinonları ve potasyum ferrosiyanür gibi düşük maliyetli organik redoks-aktif bileşikleri kullanarak membranlarının organik redoks akışlı pillerdeki uygulamalarını gösterdiler. PIM membranları demir siyanür anyonlarına karşı daha yüksek moleküler seçicilik gösterdi ve bu sayede pilin ömrünü uzatabilecek bataryadaki düşük “crossover” redoks türlerinin olduğunu kanıtladılar.

Ortak yazarlardan doktora araştırma öğrencisi Rui Tan “Katı-hal lityum iyon pillerinden düşük maliyetli pillere kadar yeni nesil iyon taşıma membranlarımızla geliştirilebilecek çok çeşitli pil kimyalarını araştırmaya devam ediyoruz” dedi.

Sırada Ne Var?

Bu iyon seçici membranların tasarım ilkeleri, endüstriyel ayırma işlemleri için kullanılan membranlara, sodyum ve potasyum gibi gelecek nesil piller için kullanılan ayrıştırıcılara ve enerji dönüşümü ve depolanması için kullanılan, yakıt pillerini ve elektrokimyasal reaktörleri içeren elektrokimyasal araçlara kadar genişletilebilir.

Ortak yazar ve doktora araştırmacısı Anqi Wang, “Hızlı iyon taşınımı ve bu yeni iyon seçici zarın birleşimi bu membranları çeşitli endüstriyel uygulamalar için cazip hale getiriyor” dedi.

Araştırmacılar daha sonra filtrasyon membranları yapmak için bu tip bir membranı ölçeklendireceklerdir. Ayrıca, ürünlerini endüstri ile işbirliği içinde olarak ticarileştirmeye çalışacaklar. Şu anda da Imperial’da görev yapan Profesör Nigel Brandon tarafından kurulan ortak bir spin-out pil şirketi RFC ile çalışıyorlar.

Kaynak: phys.org