Okean suyunu bərpaolunan enerjiyə necə çevirə bilərik?

Okean Suyunu Bərpaolunan Enerjiyə Necə Çevirə Bilərik?

Samuel S. Veroneau

Daniel G. Nocera

Allison Gamzon

Rachel Watso

Tərcümə: Ramil Məmmədov

 

Xülasə

“Həyat enerjisiz necə ola bilərdi?” deyə düşünün. Bu o deməkdir ki, soyuducular, kompüterlər, avtomobillər, və mobil telefonlar olmazdı! Hazırda dünyada istifadə olunan enerji əsasən daşkömür, neft, və təbii qaz kimi fossil yanacaqlardan əldə olunur. Bu resurslar bərpaolunmayan (Yer planetinin onları yaratması üçün uzun zaman tələb olunan resurslar ) resurslardır və bu resurslar torpağın və havanın çirklənməsinə səbəb olur. Ona görə də, planetimizi enerji ilə təmin edə biləcək daha təmiz və bərpaolunan enerji resurslarını tapmağa cəhd göstəririk.

Təqdimat

Bərpaolunan enerji dedikdə ilk düşünülən günəş və külək enerjisidir. Əlbəttə bu resurslar bizə enerji verə bilər, ancaq bu hər zaman və hər yerdə mümkün olmur. Belə ki, bəzi yerlər kifayət qədər günəşli və küləkli deyil - və heç bir yer hər zaman günəşli və küləkli olmur. Ona görə də alimlər düşünürlər ki, hidrogen həyəcanverici dərəcədə bir bərpaolunan enerji növüdür. Günəş və külək enerjisini istifadə edərək hidrogeni istehsal edə bilərik, depolaya bilərik və istənilən yerdə, istənilən zaman istifadə edə bilərik.

Hidrogen əldə etmək üçün alimlər suyun parçalanması kimi tanınan prosesdən istifadə edirlər. Bu prosesdə elektrik enerjisi ilə su (H2O) hidrogen qazına (H2) və oksigen qazına (O2) çevrilir. Suyun parçalanmasında təmiz sudan istifadə olunmalıdır. Suda olan torpaq dənəcikləri kimi hər hansı əlavə parçalar problemlərə səbəb ola bilər. Bu natəmizlik suyu parçalamaq üçün istifadə olunan avadanlıqları, korroziyaya uğrada bilər. Təmiz su isə aztapılandır.  Çünki, Yer planetində olan təbii suyun 97%-i duzludur. Parçalanmadan əvvəl su bahalı duzdanarındırma üsulları ilə təmizlənməlidir. Buna görə də düşündük: “hidrogeni təbii sudan əldə etmək üçün az xərcli, səmərəli bir yol ola bilərdimi?”

Istədik ki, suyu duzlu okeandan götürüb hidrogenin əldə olunmasında işlətmək üçün osmos hadisəsindən istifadə edək. Osmos hadisəsi bir birindən bir membranla ayrılmış iki məhlul arasında baş verir. Membran filtr rolunu oynayır. O, bəzi maddələri buraxır, bəzilərini isə yox. Bu xassəsinə görə biz onu yarımkeçirici membran adlandırırıq.

Hidrogen, sudan istehsal oluna bilən, yüksək səviyyəli bərpaolunan yanacaqdır. Yer kürəsində olan suyun böyük hissəsi duzlu sudur. Ona görə də, az xərclə ondan hidrogen istehsal edə bilən bir qurğu yaratdıq. O, osmos prosesini suyun parçalanması reaksiyası ilə birgə icra edir. Əldə etdiyimiz nəticələr göstərir ki, həmin qurğu effektiv və səmərəlidir. Bu isə gələcəkdə hidrogenin daha çox əlçatan ola biləcəyi anlamına gəlir.

Osmos hadisəsinin baş verməsi üçün məhlullardan birinin digərindən daha duzlu olması lazımdır. Duzluluqda olan bu fərq suyun membran vasitəsilə duzluluğu az olan məhluldan duzluluğu çox olan məhlula doğru axmasına səbəb olur. Məsələn, bir üzümü okean suyunun içərisinə qoysanız o büzüləcək. Su üzümü tərk edir, çünkü okean daha duzludur. Ona görə də, duzlu sudan hidrogen əldə etmək üçün osmos və suyun parçalanması prosesləri birgə icra olunmalıdır.

Metodlar

Suyun parçalanması və osmos prosesini eyni zamanda yerinə yetirən bir qurğu (Şəkil 1) yaratdıq. Yarımkeçirici membranı bir borunun aşağısına yaxşı bərkitməklə yerləşdirdik. Borunu içərisində su və süfrə duzu (NaCl) ilə hazırlanmış məhlul olan qaba yerləşdirdik. NaCl-i suda həll edərkən, o, ionlar kimi tanınan Na+ və Cl- -a çevrilir. Bu məhlul dəniz suyunu təmsil edir.

Sonra borunun içərisinə başqa bir duzun, sodium fosfatın (Na3PO4) məhlulunu yerləşdirdik. Borunun içərisindəki məhlulu daha duzlu etdik ki, su membran vasitəsilə borunun içərisinə axa bilsin. Ən önəmlisi isə odur ki, sodium fosfat heç nə ilə reaksiyaya girmir və beləliklə o, istənməyən yan təsirlər olmadan məhlulumuzun  duzluluq səviyyəsini artıra bilir.

Borunun yuxarı hissəsində, platiniumdan hazırlanmış iki elektrod yerləşdirdik.  Bu elektrodları iki naqil vasitəsilə enerji mənbəyi ilə birləşdirdik. Borunun içərisində isə məhlulun həcmini sabit saxlamaq istədik. Osmos hadisəsi nəticəsində suyun içəriyə nə qədər sürətli axdığını və həmin suyun parçalanma prosesinə nə qədər sürətlə daxil olduğunu təyin etdik. Sonra onları, bizə qurğunu işlətmək üçün nə qədər elektrik enerjisinin lazım olduğunu təyin etmək üçün bərabər səviyyədə quraşdırdıq.  

Qurğunu iki gün işlətdik. Bu vaxt ərzində nə qədər fosfatın qurğumuzdan xaric olduğunu və nə qədər Cl­- ionlarının içəriyə daxil olduğunu ölçdük. Həmçinin, ayrılmış hidrogen qazının həcmini də ölçdük. Müqayisə üçün, suyun-parçalanması qurğusunu birbaşa- osmos olmadan duzlu suyun içərisində işlətdik.

Nəticələr

Osmos - suyun-parçalanması qurğumuz çox yaxşı işlədi. İki günlük intervalın sonunda, qurğu tərəfindən istehsal olunmuş hidrogenin ümumi həcmini ölçdük. Bu qiyməti qurğu tərəfindən istehsal olunacağını gözlədiyimiz hidrogenin həcmi ilə müqayisə etdik. Bu müqayisəni faradey səmərəliliyi (the faradaic efficiency) adlandırırıq. Yüksək bir faradey səmərəliliyi suyun-parçalanması reaksiyalarının gözlənilməz yan reaksiyalar olmadan baş verdiyini göstərir. Osmos - suyun-parçalanması qurğusu üçün faradey səmərəliliyi hidrogen üçün 100% idi. Duzlu suyu osmos prosesi olmadan ayırmağa cəhd etdiyimizdə, hidrogen üçün faradey səmərəliliyi 50%-ə düşdü.

Müzakirə

Araşdırmamız göstərir ki, osmosu istifadə edərək dəniz suyundan hidrogen əldə edə bilərik. Daha önəmlisi isə odur ki, biz onu səmərəli şəkildə edə bilərik. Bilirik ki, duzlu su təmiz su kimi səmərəli şəkildə hidrogen qazına ayrılmır. Çünki əldə ediyimiz Faradey səmərəliliyi çox aşağı səviyyədə olur. Osmos olmadan Cl- ionları duzlu suda suyun parçalanmasının səmərəliliyini aşağı salan yan reaksiyalara səbəb olur. Qurğumuzda membran  Cl- ionlarının boruya daxil olmasının qarşısını aldı. Cl- -u kənarda tutmaqla, osmos - suyun-parçalanması qurğusu mümkün qədər çox hidrogen qazı ayırdı.

Növbəti addımımız qurğunun dizaynını inkişaf etdirmək və xərclərini aşağı salmaq olacaq. Artıq yeni metalları sınaqdan keçirtmişik və nikel və paslanmayan poladın işə daha yaxşı yaradığını aşkar etdik. Bu metallar həmçinin platiniumdan çox ucuzdur.  Qurğumuzu daha səmərəli etmək üçün həmçinin digər membran materiallarını da araşdırmaq istəyirik.

Nəticə

Əhalinin sayının  və enerji tələbatının artması nəticəsində bərpaolunan enerji önəm qazanıb. Osmos - suyun-parçalanması qurğumuz bərpaolunan enerjini reallığa çevirməkdə yeni bir yanaşmadır. O, hidrogen istehsalını böyük məbləğdə maliyə tələb edən suyun saflaşdırılması proseslərindən yan keçməklə daha sərfəli edəcək. Həmin qurğu vasitəsilə bərpaolunan enerjini dünyanın hər yerində əldə etmək mümkün olacaq.

Evdə enerjiyə qənaət etməklə həm də bərpaolunan enerji resurslarının istifadəsini azaltmağa kömək edə bilərsiniz. Bunun üçün LED işıq lampaları işlədə, daha qısamüddətli duş qəbul edə bilərsiniz. Mümkün olduqca ictimai nəqliyyatdan yaxud da bir neçə nəfər bir avtomobildən istifadə edə bilərsiniz. Bunlardan hansını yaxud hansılarını etməyi seçdiyinizin fərqi yoxdur. O, sizin enerji əldə etmək üçün ətraf mühitə olan mənfi təsirinizi azaldacaq.

 

 

 

Açar Terminlər

Korroziya – kimyəvi təsirlər nəticəsində tədricən zədə alma. Paslanma korroziyanın bir növüdür.

Duzsuzlaşdırma – sudan duzun təmizlənməsi prosesi.

Səmərəlilik - ən az itki ilə mümkün qədər çox əldə etmək yaxud yaratmaq (burada hidrogen qazı).

Faradey səmərəliliyi – elektrik enerjisi daxil olan bir kimyəvi reaksiya üçün, arzuolunan məhsulu yaradacaq elektronların faizi (burada hidrogen qazı). O, 19-cu əsr alimi, elektrokimya sahəsinə töhvə vermiş Maykıl Faradeyin şərəfinə  belə adlandırılıb.

Osmos – lazımsız bərk maddələri, ionları və tullantını süzmək üçün suyu yarımkeçirici membran vasitəsilə hərəkət etdirən proses. Biz qabaqcıl osmos prosesindən isifadə etdik. Hansı ki, bu prosesdə suyun hərəkət etdirilməsi (az duzlu məhluldan daha duzlusuna) duzluluqda olan fərqə əsaslanır. Bu, suyu membran vasitəsilə hərəkət etdirmək üçün yüksək təzyiq tələb edən əks osmosdan fərqlidir və duzsuzlaşdırmada tez-tez istifadə olunur.

İonlar – elektronlar qazandığına yaxud itirdiyinə görə müsbət yaxud mənfi yükə malik olan atomlar. Na+ müsbət yüklənmiş iondur, çünki o, bir elektron itirib. Cl­isə mənfi yüklü iondur. Çünki o, bir elektron qazanıb.

Duzluluq – mayedə (adətən suda) duzun həllolma miqdarı.

Yarımkeçirici membran – içərisindən bəzi maddələrin keçdiyi digərlərinin isə keçmədiyi  material. Məsələn, suyu keçirən ancaq duzu keçirməyən material.

Suyun parçalanması – elektrik enerjisi istifadə olunmaqla suyun (H2O) hidrogen qazına (H2) və oksigen qazına (O2) ayrılması prosesi.

 

 

Öyrəndiklərinizi yoxlayın

 

  1. Hidrogen niyə bərpaolunan enerji resursudur?

 

----------------------------------------------------------------------------------------------------

  1. Hidrogeni təmiz su əvəzinə dəniz suyundan istehsal etməyə nail olmaq niyə bizim üçün önəmlidir?

 

 

------------------------------------------------------------------------------------------------

 

 

  1. Osmos prosesi zamanı nə baş verir? Hidrogen istehsalı üçün o, niyə önəmlidir?

 

----------------------------------------------------------------------------------------------------

 

----------------------------------------------------------------------------------------------------

 

 

  1. Suyun parçalanmasının səmərəli şəkildə baş verməsi üçün bizə osmos prosesinin lazım olduğunu necə bilirik?

 

----------------------------------------------------------------------------------------------------

 

  1. Enerjiyə qənaəti və bərpaolunan enerjinin istifadəsini məktəbinizdə yaxud icmanızda təşviq etmək üçün nə edə bilərdiniz?

 

----------------------------------------------------------------------------------------------------

 

----------------------------------------------------------------------------------------------------

 

 

İstifadə olunmuş mənbələr

Samuel S. Veroneau and Daniel G. Nocera (2020). Continuous Electrochemical Water Splitting from Natural Water Sources via Forward Osmosis. Proceedings

of the National Academy of Sciences of the United States of America.

https://www.pnas.org/content/118/9/e2024855118

Energy Star: At Home Tips

https://www.energystar.gov/products/energy_star_home_tips

Energy.gov: Hydrogen and Fuel Cell Technologies

https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-and-fuel-cell-technologies-office

 

 

Fayllar