מהנדסים מצאו דרך לחסל את "האזורים המתים" של זרימת הנוזלים הפוגעים בסוגי האלקטרודות המשמשות להתפלת מי ים על בסיס סוללה. הטכניקה החדשה משתמשת בתכנון תעלות זרימה מחודדת המבוססת על פיזיקה בתוך אלקטרודות המניעה נוזלים במהירות וביעילות, ועשויה לדרוש פחות אנרגיה ממה שדרושות כיום טכניקות אוסמוזה הפוכה.
מכשולים טכניים מנעו יישום רחב של טכנולוגיית ההתפלה. השיטה הנפוצה ביותר, אוסמוזה הפוכה, דוחפת מים דרך ממברנה המסננת את המלח והיא יקרה ודורשת אנרגיה. לעומת זאת, שיטת הסוללה משתמשת בחשמל כדי לשאוב יוני מלח טעונים מהמים. ובכל זאת, זה גם דורש אנרגיה כדי לעזור לדחוף את המים דרך אלקטרודות המכילות חללי נקבוביות זעירים ולא אחידים.
"אלקטרודות מסורתיות עדיין דורשות אנרגיה לשאיבת נוזלים מכיוון שהן אינן מכילות תעלות זרימה מובנות מטבען", אמר פרופסור למדע מכאני והנדסה מאוניברסיטת אילינוי אורבנה-שמפיין קייל סמית', שהוביל את המחקר. "עם זאת, על ידי יצירת תעלות בתוך האלקטרודות, הטכניקה עשויה לדרוש פחות אנרגיה כדי לדחוף את המים ובסופו של דבר להיות יעילה יותר ממה שמקובל להשתמש בתהליך אוסמוזה הפוכה."
טכניקת ההתפלה מבוססת הסוללות של סמית' נבנית משנים של מודלים וניסויים של קבוצת המחקר שלו באילינוי, שהגיעה לשיאה במחקר שנערך לאחרונה המדגים את השימוש הראשון באלקטרודות המכילות מיקרו-ערוצים זעירים הנקראים שדות זרימה משולבים.
המחקר החדש של הקבוצה משלב גם IDFFs באלקטרודות, אבל הפעם צורת התעלה מחודדת, לא ישרה. שימוש באלקטרודות עם תעלות מחודדות שיפר את זרימת הנוזלים - או החדירות - פי שניים עד שלוש על פני תעלות ישרות. ממצאים אלו הםפורסםביומןאלקטרוכימיה אקטה.
"העבודה הראשונית שלנו על ערוצים ישרים באלקטרודות הובילה אותנו לגלות אזורים מתים בתוך האלקטרודות שבהם ראינו ירידות לחץ וחלוקת זרימה לא אחידה", אמר תלמיד בוגר אילינוי חביב רחמן. "כדי להתגבר על האתגר הזה, יצרנו ספרייה של 28 ערוצים ישרים שונים כדי להתנסות ולהבין את וריאציות המוליכות והזרימה, ובסופו של דבר יישמנו את טכניקת הצטמצמות הערוצים הזו."
במהלך ביצוע הניסויים, סמית' ורחמן אמרו שהם עמדו בפני כמה אתגרי ייצור, במיוחד עם הזמן שלוקח לטחון את הערוצים לתוך האלקטרודות, דבר שיהיה בעייתי בכל תרחיש ייצור מוגדל. עם זאת, סמית אמר שהם בטוחים שניתן להתגבר על האתגר הזה.
"מעבר להשפעתה על התפלה אלקטרוכימית, ניתן ליישם את תיאוריית הצטמצמות הערוצים שלנו ועקרונות התכנון הקשורים אליו ישירות על כל מכשיר אלקטרוכימי אחר המשתמש בנוזלים זורמים, כולל אלה להמרת אגירת אנרגיה וקיימות סביבתית כמו תאי דלק, תאי אלקטרוליזה, סוללות זרימה, התקני לכידת פחמן והתקני התאוששות ליתיום", אמר סמית.
"בניגוד לאסטרטגיות קודמות של הצטמצמות ערוצים שהשתמשו בעיצובים מאולתרים, הגישה שלנו כאן מספקת הנחיות עיצוב מבוססות פיזיקה ליצירת זרימה אחידה ולמזעור ירידת לחץ בו זמנית."
מידע נוסף:
Md Habibur Rahman et al, Tapered, Interdigitated Channels עבור זרימה אחידה בלחץ נמוך דרך אלקטרודות נקבוביות להתפלה ומעבר לכך,אלקטרוכימיה אקטה(2025).DOI: 10.1016/j.electacta.2024.145632
מסופק על ידי
אוניברסיטת אילינוי באורבנה-שמפיין
צִיטָטָה:
מחקר חדש מסייע לחסל אזורים מתים בטכנולוגיית ההתפלה והלאה (2025, 15 בינואר)