Новая мембранная технология для улучшения очистки воды и накопления энергии

Ученые из Имперского колледжа Лондона создали новый тип мембран, которые могут улучшить очистку воды и аккумулирование энергии.

В новом подходе к дизайну ионообменных мембран используются недорогие пластиковые мембраны со множеством крошечных гидрофильных пор. Они улучшают текущие технологии, которые являются более дорогими и сложными в применении.

Новая мембрана ионного переноса

Современные ионообменные мембраны, известные как нафион (Nafion), используются для очистки воды и хранения возобновляемой энергии в топливных элементах и ​​батареях. Однако каналы переноса ионов в нафионовых мембранах недостаточно четко определены, и эти мембраны очень дороги.

Напротив, недорогие полимерные мембраны широко используются в мембранной промышленности в различных применениях, от удаления соли и загрязняющих веществ из воды до очистки природного газа, но эти мембраны обычно недостаточно проводящие или селективные для переноса ионов.

Теперь многопрофильная команда, возглавляемая доктором Килеем Сонгом и профессором Нилом МакКауном, разработала новую мембрану ионного переноса, которая может снизить стоимость хранения энергии в батареях и очистить воду.

Они разработали новые мембраны с использованием компьютерного моделирования для создания класса микропористых полимеров, известных как полимеры с внутренней микропористостью (PIM), изменяющие свои строительные блоки для изменения свойств.

Их изобретение может способствовать использованию и хранению возобновляемой энергии и повысить доступность чистой питьевой воды в развивающихся странах.

«Наш дизайн использует новое поколение мембран для самых разных применений - как для улучшения жизни, так и для хранения возобновляемой энергии, такой как солнечная и ветровая энергии", -  сказал Сонг.

Полимеры сделаны из жестких и скрученных позвоночников, как макароны фузилли. Они содержат микропоры, которые обеспечивают жесткие упорядоченные каналы, по которым молекулы и ионы избирательно переносятся в зависимости от их физических размеров.

Полимеры также растворимы в обычных растворителях, поэтому их можно отливать в сверхтонкие пленки, что еще больше ускоряет перемещение ионов. Эти факторы означают, что новые мембраны могут использоваться в широком диапазоне процессов разделения и электрохимических устройствах, которые требуют быстрого и селективного переноса ионов.

Чтобы сделать PIM более дружественными к воде, команда включила привлекающие воду функциональные группы, известные как базовые и амидоксимные группы Трегера, чтобы позволить небольшим ионам соли проходить, сохраняя при этом большие ионы и органические молекулы.

Команда продемонстрировала, что их мембраны были очень селективными при фильтрации небольших соленых ионов из воды, а также при удалении органических молекул и органических микрозагрязнителей для муниципальной очистки воды. «Такие мембраны можно использовать в системах нанофильтрации воды и производить в гораздо больших масштабах для обеспечения питьевой водой в развивающихся странах», - сказал Сонг.

Они также достаточно специфичны для фильтрации ионов лития из магния в соленой воде - метод, который может уменьшить потребность в дорогостоящем добывании лития для литий-ионных батарей.

«Возможно, теперь мы можем получать литий из морской воды или резервуаров с рассолом вместо добычи его под землей, что будет дешевле, экологически безопаснее и поможет в разработке электромобилей и широкомасштабном хранении возобновляемой энергии», - сказал Сонг.

Батареи хранят и преобразуют энергию, произведенную из возобновляемых источников, таких как ветер и солнце, до того, как энергия поступает в сеть и питает дома. Сеть может подключаться к этим батареям, когда возобновляемые источники разряжаются, например, когда солнечные панели не собирают энергию ночью.

Проточные батареи подходят для такого крупномасштабного длительного хранения, но в современных коммерческих проточных батареях используются дорогие соли ванадия, серная кислота и ионообменные мембраны нафион, которые дороги и ограничивают крупномасштабные применения проточных батарей.

Типичная проточная батарея состоит из двух резервуаров с растворами  электролитов, которые прокачиваются через мембрану, удерживаемую между двумя электродами. Мембранный сепаратор позволяет переносить заряженные ионы между резервуарами, предотвращая перекрестное смешивание двух электролитов. Перекрестное смешивание материалов может привести к снижению производительности батареи.

Используя свои PIM нового поколения, ученые разработали более дешевые, легко обрабатываемые мембраны с четко определенными порами, которые пропускают определенные ионы и удерживают другие. Они продемонстрировали применение своих мембран в органических окислительно-восстановительных аккумуляторах с использованием недорогих органических окислительно-восстановительных веществ, таких как хиноны и ферроцианид калия. Их мембраны PIM продемонстрировали более высокую молекулярную селективность по отношению к ферроцианидным анионам и, следовательно, низкое «пересечение» окислительно-восстановительных соединений в батарее, что может привести к увеличению срока службы батареи.

Руи Тан сказал: «Мы изучаем широкий спектр химического состава батарей, который может улучшить с помощью нашего нового поколения мембран ионного переноса многое, от твердотельных литий-ионных батарей до недорогих проточных батарей».

Принципы конструирования этих ионоселективных мембран являются достаточно общими, чтобы их можно было распространить на мембраны для промышленных процессов разделения - сепараторы для будущих поколений батарей, таких как натриевые и калиево-ионные батареи, и многие другие электрохимические устройства для преобразования и хранения энергии, включая топливо и электрохимические реакторы.

Сочетание быстрого переноса ионов и селективности этих новых ионоселективных мембран делает их привлекательными для широкого спектра промышленных применений.

Исследователи будут расширять этот тип мембран для создания фильтрующих мембран. Они также будут заниматься коммерциализацией своих продуктов в сотрудничестве с промышленностью, компанией RFC power. опубликовано econet.ru по материалам phys.org

Подписывайтесь на наш youtube канал!

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet