تاثیر غشانانوساختار بر عملکرد مدل های فیزیکی استحصال انرژی از گرادیان شوری در رودخانه اروند

محورهای موضوعی : محیط زیست حوزه های آبخیز رودخانه ها

سمیه خدادادیان الیکایی ¹ , کامران لاری ² , مسعود ترابی آزاد ³ , عبدالرضا ثابت عهد جهرمی ⁴ , افشین محسنی آراسته ⁵

1 - دانشجوی دکترای فیزیک دریا، دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران شمال، تهران، ایران.
2 - دانشیار، دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران شمال، تهران، ایران.
3 - استاد، دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران شمال، تهران، ایران. *(مسوول مکاتبات)
4 - استادیار، دانشگاه آزاد اسلامی واحد جهرم، جهرم، ایران.
5 - دانشیاردانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران شمال، تهران، ایران

تاریخ دریافت : 1401/02/07 تاریخ پذیرش : 1401/03/02 تاریخ انتشار : 1402/01/01

کلید واژه: الکترودیالیز معکوس, گرادیان شوری, اروند رود, فشار اسمز تاخیری,

چکیده مقاله :

زمینه و هدف: اهمیت و ضرورت کشف منابع انرژی تجدید پذیر و سرمایه گذاری بر روی روشهای استحصال انرژی الکتریکی یکی از بزرگترین اهداف کشورهای توسعه یافته و در حال توسعه است. توان گرادیان شوری همان استفاده از پتانسیل موجود در اختلاف غلظت میان دو محلول نظیر آب شور دریا و آب شیرین رودخانه یکی از راههای استحصال انرژی الکتریکی است.انرژی الکتریکی حاصل شده از فرایند توان گرادیان شوری میتواند جایگزین خوبی جهت تولید انرژی الکتریکی باشد، که از اهداف این تحقیق است و با موضوع تاثیر غشانانوساختار بر عملکرد مدل های فیزیکی استحصال انرژی از گرادیان شوری در رودخانه اروند مورد بررسی قرار گرفته است.روش بررسی: ابتدا با بررسی منطقه مورد مطالعه و محاسبه انرژی گیبس، مقدار آن منفی شد. پس نشان میدهد که فرایند استحصال انرژی از گرادیان شوری خود به خودی است.یک مدل فیزیکی مبتنی بر روش فشار اسمز تاخیری (PRO)، طراحی وارزیابی شد. مدل فیزیکی طراحی شده با غشاء TFC نانو ساختار است که در آن با استفاده از آب رودخانه و آب دریا در شرایط آزمایشگاهی با غلظت های متفاوت، اختلاف ارتفاع ایجاد کرد.پس از طراحی PRO و دریافت خروجی از مدل فیزیکی، نتایج با مدل فرایند فشار اسمز معکوس(RED ) مقایسه شد.این تحقیق در سال ۲۰۲۰ با استفاده از داده های مورد نیاز از سال ۲۰۱۰ تا۲۰۱۸ انجام شده است.یافته ها: با محاسبه انرژی گیبس درهر دو فرایند فشار اسمز معکوس(RED ) و فشار اسمز تاخیری (PRO) مقدار آن منفی شد .مدل فیزیکی طراحی شده مبتنی بر روش PRO با غشاء TFC نانو ساختار طراحی شد که در آن با استفاده از آب رودخانه ppm10و آب دریا ppm50 در شرایط آزمایشگاهی، بیشترین میزان جریان را ایجاد کرد. مقدار اختلاف پتانسیل ایجاد شده میان دو سر هر سلول در سیستم الکترودیالیز معکوس ، با توجه به نسبت غلظت آب دریا به آب رودخانه برای هر ایستگاه هیدرومتری محاسبه شد و بیشترین مقدار مربوط به ایستگاه خرمشهر مقدار mV80 است. . این مقدار به واسطه ی استفاده از تکنیک نانو بر روی غشاء مورد استفاده در این سیستم و طراحی مناسب سلول بدست آمد که راندمان دستگاه را در مقایسه با غشاهای غیر نانو 11 در صد افزایش داد.بحث و نتیجه گیری: با بررسی و مقایسه این دو روش به این نتیجه میرسیم که با به دست آوردن انرژی گیبس در هر دو فرایند به صورت خود به خودی انجام میپذیرد .هر دو روش ایستگاه خرمشهر بهترین بازدهی را دارد. مزیت RED نسبت به PRO این است انرژی الکتریکی تولید شده در گرادیان شوری پایین تری اتفاق میفتد در صورتی که در فرایند PROاختلاف گرادیان شوری بالاتری مورد نیاز است. با محاسبه پتانسیل تولید انرژی ایستگاه خرمشهر بالاترین بازدهی رادارد . استفاده از غشا نانو ساختار نیز در هر دو روش تاثیر مستقیمی در عملکرد دستگاه داشته است.

چکیده انگلیسی:

Background & Objective: The importance and necessity of discovering renewable energy sources and investing in electrical energy extraction methods is one of the biggest goals of developed and developing countries. Salinity gradient power is the use of the potential in the concentration difference between two solutions, such as sea salt water and fresh river water, is one of the ways to obtain electrical energy. The electrical energy obtained from the process of salinity gradient power can be a good alternative to produce electrical energy, which is The objectives of this research are the effect of nanostructured membranes on the performance of physical models of energy extraction from the salinity gradient in Arvand River.Material and Methodology:  First, by examining the study area, Gibbs energy was calculated and its value was found to be negative. Therefore, the process of extracting energy from the salinity gradient is spontaneous. A physical model based on delayed osmosis pressure (PRO) method was designed and evaluated. The physical model designed with the TFC membrane is a nanostructure in which a difference in height was created by using river water and sea water in laboratory conditions with different concentrations. After designing the PRO and receiving the output from the physical model, the results with the pressure process model Reverse osmosis (RED) was compared. This research was conducted in 2020 using the required data from 2010 to 2018.Findings: By calculating the Gibbs energy in both reverse osmosis (RED) and delayed osmosis (PRO) processes, its value was negative. The designed physical model based on the PRO method was designed with a nanostructured TFC membrane, in which using water 10 ppm river and 50 ppm sea water created the highest amount of flow in laboratory conditions. The amount of potential difference created between the two ends of each cell in the reverse electrodialysis system was calculated according to the concentration ratio of sea water to river water for each hydrometric station and the highest The value for Khorramshahr station is 80 mV. This amount was obtained by using nano technique on the membrane used in this system and the proper design of the cell, which increased the efficiency of the device by 11 percent compared to non-nano membranes.Discussion and conclusion: By examining and comparing these two methods, we come to the conclusion that by obtaining the Gibbs energy in both processes, it is done spontaneously. Both methods of Khorramshahr station have the best efficiency. The advantage of RED compared to PRO is that the electrical energy produced occurs in a lower salinity gradient, while a higher salinity gradient difference is required in the PRO process. By calculating the energy production potential, Khorramshahr station has the highest efficiency. The use of nano-structured membrane has also had a direct effect on the performance of the device in both methods.

منابع و مأخذ:

1. Pattle, R.E., 1954. "Production of electric power by mixing fresh and salt water in the hydroelectric pile", Nature, Vol. 174, pp.660.


2. Helfer., O. Sahin., C. J. Lemckert ., Y. G. Anissimov, 2013. Salinity gradient energy: a new source of renewable energy in Australia.


3. sabetahdjahromi, a, 2014, Study of salinity gradients in the Persian Gulf and an experimental model for electric energy extraction from them using nano-membranes,Faculty of Marine Science and Technologies-Department of Physical Oceanography.


4. Arash Emdadi a, Petros Gikas b, Maria Farazaki b, YunusEmami,2016, Salinity gradient energy potential at the hyper saline Urmia Lake e ZarrinehRud River system in Iran, Renewable Energy 86,154e162.


5. Y, Ngai., B, Doriano ., H, V. M, Hamelers., Kitty ,B ,2016. Salinity Gradients for Sustainable Energy: Primer, Progress, and Prospects.


6. Ngai Yin Yip, Doriano Brogioli, Hubertus V. M. Hamelers, and Kitty Nijmeijer," Salinity Gradients for Sustainable Energy: Primer, Progress, and Prospects ", Environ. Sci. Technol. 2016, 50, 22


7. Li-Fen Liu 1, 2, *, Xing-Ling Gu 1, Sa-Ren Qi 3, XinXie 1, Rui-Han Li 1, Ke Li 4, Chun-Yang Yu 4 and Cong-JieGao, 2018, Modification of Polyamide-Urethane (PAUt) Thin Film Composite Membrane for Improving the Reverse Osmosis Performance, polymers.


8. Khodadadian Elikaiy, K. Lari, M. Torabi Azad, A. Sabetahd Jahromi & A. Mohseni Arasteh, 2020 “Investigation and evaluation of salinity gradient power in Arvand River estuary using pressure retarded osmosis (PRO) method”, International Journal of Environmental Science and Technology volume 18, pages463–470 (2021)


9. Zemansky, M. W., Dittman, R., 1981. “Heat and Thermodynamics”, sixth edition, Mc Graw-Hill, pp. 233-267.


10. Ying Mei, Chuyang Y. Tang,2018,” Recent developments and future perspectives of reverse electrodialysis technology: A review”, Desalination,425(2018)156-174.


11. Helfera, 2014 “Osmotic power with Pressure Retarded Osmosis: Theory, performance and trends– A review” Journal of Membrane Science,Volume 453, 1 March 2014, Pages 337-35.


12. Aamer Ali 1, Enrico Drioli 1,2,3 and Francesca Macedonio, 2018, “Progress and prospects in reverse electrodialysis for salinity gradient energy conversion and storage”, Published 1 September 2018, Engineerin , Applied Energy.


13. Han, Sui Zhang, Xue Li, Tai-Shung Chung, Progress in pressure retarded osmosis (PRO) membranes for osmotic power generation, (2015), Progress in Polymer Science July


14. Sabetahd Jahromi AR (2014) Study of salinity gradients in the Persian Gulf and an experimental model for electric energy extraction from them using nano-membranes (Doctoral dissertation, Islamic Azad University, Science and Research Branch, Tehran).


15. Ramato et al, “Progress and prospects in reverse electrodialysis for salinity gradient energy conversion and storage”, Applied Energy, Volume 225, 1 September 2018, Pages 290-331


16. Amir Etemad-Shahidi,1 * Mostafa Pirnia,2 Hengameh Moshfeghi2 and Charles Lemckert1," Investigation of hydraulics transport time scales within the Arvand River estuary, Iran ", HYDROLOGICAL PROCESSES Hydrol. Process. 28, 6006–6015 (2014) Published online 15 November 2013 in Wiley Online Library (wileyonlinelibrary.com) DOI: 10.1002/hyp.10095


17. Ostovar, Niko, 2016, "Laboratory model of reducing the salinity of the Caspian Sea water using a magnetic field" Master Thesis of Islamic Azad University, North Tehran Branch. (In Persian)


18. Ngai Yin Yip, Doriano Brogioli, Hubertus V. M. Hamelers, and Kitty Nijmeijer


19. Salinity Gradients for Sustainable Energy: Primer, Progress, and Prospects, Environ. Sci. Technol. 2016, 50, 22.