تصفیه آب و ذخیره انرژی معمولاً دو مسئله کاملاً جدا از یکدیگر در نظر گرفته میشوند. برای حذف نمک و یونهای ناخواسته از آب، فناوریهایی مانند اسمز معکوس به کار میروند و برای ذخیره انرژی نیز باتریها و ابرخازنها توسعه یافتهاند. اما اگر یک سامانه بتواند همزمان یونهای مشخصی را از آب جدا کند و در همان فرآیند بخشی از انرژی را نیز ذخیره کند، معادله کمی جذابتر میشود. ظاهراً پژوهشگران هم به این نتیجه رسیدهاند که چرا یک دستگاه باید فقط یک کار انجام دهد، وقتی میتوان از آن دو کار کشید.
در همین راستا، پژوهشگران دانشگاه صنعتی شریف و دانشگاه شهید بهشتی یک سامانه هیبریدی الکتروشیمیایی برای حذف انتخابی یون سدیم از آب و ذخیره انرژی طراحی کردهاند. این سامانه بر پایه فناوری «نمزدایی خازنی هیبریدی» یا HCDI ساخته شده است؛ روشی که میتواند از فرآیند جذب و آزادسازی یونها برای تصفیه آب استفاده کند و در عین حال، امکان ذخیره و آزادسازی بار الکتریکی را نیز فراهم آورد.
ضرورت انجام چنین پژوهشی به چالشهای همزمان حوزه آب و انرژی بازمیگردد. فرآیندهای متداول نمکزدایی و نرمکردن آب میتوانند به انرژی قابلتوجهی نیاز داشته باشند و در برخی روشها نیز مصرف انرژی و انتشار گازهای گلخانهای به یک مسئله مهم تبدیل میشود. از سوی دیگر، در بسیاری از سامانههای تصفیه، هدف صرفاً حذف مجموع نمکهاست، در حالی که در برخی کاربردها حذف یک یون مشخص اهمیت بیشتری دارد. بنابراین، توسعه فناوریهایی که بتوانند با مصرف انرژی پایین، یون هدف را بهصورت انتخابی حذف کنند، اهمیت زیادی دارد.
یکی از فناوریهایی که برای این منظور مورد توجه قرار گرفته، نمزدایی خازنی یا Capacitive Deionization (CDI) است. در این روش، یونهای موجود در آب تحت تأثیر میدان الکتریکی به سمت الکترودها حرکت میکنند و در ساختار الکترود یا سطح آن جذب میشوند. با تغییر شرایط الکتریکی، یونها میتوانند دوباره آزاد شوند و به این ترتیب چرخه جذب و بازتولید یا regeneration شکل میگیرد.
با وجود مزایای CDI، این فناوری نیز با محدودیتهایی مواجه است. یکی از مشکلات مهم، نامتوازنبودن جذب یونها و احتمال دفع همیون یا co-ion expulsion است. در چنین شرایطی، همه یونهای موجود در آب الزاماً به شکل کاملاً کنترلشده رفتار نمیکنند و بخشی از مزیت انتخابپذیری از دست میرود.
پژوهشگران برای حل این مشکل از غشاهای تبادل یونی یا Ion Exchange Membranes (IEM) استفاده کردند. قرارگرفتن این غشا میان الکترولیت و الکترود میتواند حرکت یونها را بهتر کنترل کند و مانع برخی از فرآیندهای ناخواسته در هنگام جذب و آزادسازی شود. بر همین اساس، یک ساختار HCDI نامتقارن طراحی شد که هدف آن، دستیابی همزمان به حذف انتخابی یون سدیم و ذخیره انرژی بود.
الکترود منفی از NaTi2(PO4)3 پوششدادهشده با کربن یا NTP-C ساخته شد و الکترود مثبت از ساختارهایی موسوم به N-rich carbon nests یا NCNs تشکیل شد. انتخاب این دو ماده تصادفی نیست. ساختار NaTi2(PO4)3 از خانواده رساناهای سوپریونیک سدیم یا NASICONهاست که قابلیت جذب و آزادسازی برگشتپذیر یونهای Na+ را دارند.
این ویژگی NASICONها دقیقاً همان چیزی است که برای یک سامانه حذف انتخابی سدیم مورد نیاز است. در واقع، بهجای اینکه یون سدیم صرفاً روی سطح یک ماده جذب شود، ساختار الکترودی میتواند در فرآیند جذب و آزادسازی یون نقش فعالتری داشته باشد. پوشش کربنی نیز برای بهبود ویژگیهای الکترود و ایجاد شرایط مناسبتر برای فرآیندهای الکتروشیمیایی به کار گرفته شده است.
الکترود دیگر یعنی NCN نیز یک ساختار کربنی غنی از نیتروژن است. ترکیب این ساختار با الکترود NTP-C باعث ایجاد یک سلول نامتقارن میشود که میتواند از تفاوت ویژگیهای دو الکترود برای انجام همزمان فرآیند حذف یون و ذخیره بار استفاده کند.
نتایج آزمایشها نشان داد که سامانه ساختهشده در مرحله جذب یا sorption به ظرفیت جذب نمک ۹۶.۸ میلیگرم بر گرم دست یافته است. این شاخص نشان میدهد چه مقدار نمک میتواند به ازای جرم مشخصی از ماده فعال جذب شود و یکی از معیارهای مهم برای ارزیابی عملکرد سامانههای نمزدایی خازنی است.
علاوه بر ظرفیت جذب، نرخ جذب نمک نیز اهمیت دارد، زیرا یک سامانه کاربردی تنها نباید مقدار زیادی نمک جذب کند، بلکه باید بتواند این فرآیند را با سرعت مناسب انجام دهد. در این پژوهش، نرخ جذب نمک یا SAR به ۲.۴۲ میلیگرم بر گرم در دقیقه رسید.
یکی دیگر از شاخصهای مورد بررسی، مصرف انرژی ویژه بود. مقدار این پارامتر در مرحله جذب برابر با ۱۸.۵ ژول به ازای هر میلیگرم NaCl گزارش شد. پژوهشگران بر این اساس، سامانه را بهعنوان گزینهای برای یک فرآیند کممصرفتر در مقایسه با برخی فناوریهای متداول مورد توجه قرار دادهاند.
اما ویژگی اصلی این فناوری صرفاً حذف نمک نیست. در مرحله regeneration، یعنی زمانی که یونهای جذبشده آزاد میشوند، سامانه توانست قابلیت ذخیره بار قابلتوجهی از خود نشان دهد. ظرفیت ذخیره انرژی یا Q در این مرحله به ۴۶.۵۲ کولن بر گرم در غلظت پایین NaCl، برابر با ۵۰۰ قسمت در میلیون، رسید.
این نتیجه اهمیت زیادی دارد، زیرا نشان میدهد فرآیند تصفیه آب و ذخیره انرژی را میتوان در یک معماری واحد ترکیب کرد. در یک حالت، دستگاه یونها را از آب جذب میکند و در حالت دیگر، در فرآیند آزادسازی آنها، امکان ذخیره و مدیریت بار الکتریکی فراهم میشود.
پایداری چرخهای سامانه نیز مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد پس از ۳۰ چرخه پیوسته، سامانه حدود ۹۲.۳ درصد ظرفیت جذب نمک خود را حفظ کرده است. همچنین ظرفیت ذخیره بار آن نیز در پایان این چرخهها حدود ۹۱.۳ درصد مقدار اولیه باقی ماند.
این میزان حفظ عملکرد نشان میدهد که ساختار الکترودها و فرآیند جذب و آزادسازی یون میتواند از پایداری مناسبی برخوردار باشد. البته برای استفاده صنعتی، بررسی چرخههای بسیار طولانیتر و شرایط واقعی آب ضروری خواهد بود، اما حفظ بیش از ۹۰ درصد عملکرد پس از ۳۰ چرخه، نشانه امیدوارکنندهای برای ادامه توسعه این فناوری است.
پژوهشگران در ادامه، قابلیت انتخابپذیری سامانه برای یون سدیم را در حضور یونهای دیگر بررسی کردند. این آزمایش اهمیت ویژهای دارد، زیرا آب واقعی فقط حاوی Na+ نیست. یونهایی مانند Mg2+، Ca2+ و K+ نیز میتوانند در آب حضور داشته باشند و در صورت جذب همزمان، انتخابپذیری فناوری را کاهش دهند.
در این پژوهش، عملکرد سامانه در حضور Mg2+، Ca2+ و K+ مقایسه شد. نتایج نشان داد که سامانه میتواند در حضور این یونها همچنان انتخابپذیری مناسبی برای سدیم داشته باشد. نسبت انتخابپذیری Na+/X در این آزمایشها بیش از ۲.۵ گزارش شد و راندمان حذف انتخابی سدیم یا SRE به بیش از ۵۰ درصد رسید.
در نتیجه، حتی زمانی که آب حاوی یونهای رقیب باشد، سامانه NTP-C//NCN میتواند بخش قابلتوجهی از یونهای سدیم را بهصورت انتخابی حذف کند. این ویژگی میتواند برای کاربردهایی که هدف آنها حذف یک یون مشخص است، اهمیت ویژهای داشته باشد.
نکته مهم دیگر آن است که عملکرد این سامانه فقط به حذف سدیم از آب محدود نمیشود. ظرفیت بالای ذخیره بار باعث شده است این دستگاه بهعنوان یک سامانه دوکاره مطرح شود. پژوهشگران برای نشاندادن این قابلیت، انرژی ذخیرهشده در سامانه را برای روشنکردن LED به کار گرفتند. روشنشدن LED در این آزمایش، یک نمایش ساده اما قابلفهم از قابلیت ذخیره و آزادسازی انرژی دستگاه بود.
در نگاه فنی، عملکرد دوگانه این سامانه از تعامل چند جزء ناشی میشود. NaTi2(PO4)3 قابلیت جذب و آزادسازی برگشتپذیر یون سدیم را فراهم میکند، پوشش کربنی به عملکرد الکتروشیمیایی کمک میکند، ساختار کربنی غنی از نیتروژن در سمت دیگر سلول نقش الکترودی دارد و غشای تبادل یونی نیز حرکت انتخابی یونها را کنترل میکند.
در نتیجه، پژوهش تنها یک ماده جدید معرفی نکرده، بلکه یک معماری نانویی و الکتروشیمیایی چندجزئی را برای ترکیب دو عملکرد طراحی کرده است. این تفاوت مهم است، زیرا در بسیاری از مطالعات، نمزدایی و ذخیره انرژی بهعنوان دو کاربرد مستقل بررسی میشوند، اما در اینجا تلاش شده است هر دو عملکرد در یک سامانه واحد به هم متصل شوند.
از منظر محیطزیستی نیز این فناوری میتواند اهمیت داشته باشد. اگر سامانههای HCDI بتوانند با مصرف انرژی پایین و بدون انتشار مستقیم گازهای گلخانهای، یونهای هدف را از آب حذف کنند، میتوانند بهعنوان گزینهای برای تصفیه و نرمکردن آب در برخی کاربردها مورد بررسی قرار گیرند. البته مقایسه واقعی با فناوریهایی مانند اسمز معکوس نیازمند بررسی دقیق مصرف انرژی، هزینه مواد، طول عمر، ظرفیت تولید و عملکرد در مقیاس بزرگ است.
یکی از جذابترین جنبههای این پژوهش، قابلیت ترکیب عملکرد تصفیه آب و ذخیره انرژی در یک سامانه است. در چنین معماریای، دستگاه صرفاً یک فیلتر منفعل نیست، بلکه یک سامانه الکتروشیمیایی فعال است که میتواند یونها را انتخاب کند، آنها را جذب و آزاد کند و همزمان انرژی را نیز در خود ذخیره کند.
نتایج بهدستآمده، بهویژه ظرفیت جذب نمک ۹۶.۸ میلیگرم بر گرم، نرخ جذب ۲.۴۲ میلیگرم بر گرم در دقیقه، ظرفیت ذخیره بار ۴۶.۵۲ کولن بر گرم و حفظ بیش از ۹۰ درصد عملکرد پس از ۳۰ چرخه، نشان میدهد که ترکیب NTP-C و NCN میتواند مسیر جالبی برای توسعه HCDIهای چندمنظوره باشد.
در نهایت، پژوهش مشترک دانشگاه صنعتی شریف و دانشگاه شهید بهشتی نشان میدهد که آینده فناوریهای تصفیه آب لزوماً به معنای ساخت سامانههایی با یک عملکرد مشخص نیست. استفاده از نانومواد انتخابگر یونی، ساختارهای کربنی مهندسیشده و غشاهای تبادل یونی میتواند امکان طراحی سامانههایی را فراهم کند که همزمان آب را از یونهای ناخواسته پاک میکنند و قابلیت ذخیره انرژی دارند.
این رویکرد میتواند افق تازهای برای توسعه سامانههای الکتروشیمیایی کممصرف و چندمنظوره باز کند؛ سامانههایی که در آنها مرز میان «تصفیه آب» و «ذخیره انرژی» کمرنگ میشود. اگر این نتایج در مقیاس بزرگ و در شرایط واقعی آب نیز قابل تکرار باشند، HCDI میتواند از یک فناوری آزمایشگاهی به گزینهای جدیتر برای کاربردهای همزمان آب و انرژی تبدیل شود.
نتایج این پروژه در قالب مقاله ای با عنوان Towards an advanced electrochemical horizon: ion selectivity and energy harnessing through hybrid capacitive deionization with carbon-coated NaTi2(PO4)3 and N-rich carbon nests منتشر شده است.