سامسونگ و دانشگاه SKKU: انقلابی در فناوری تصفیه آب الکتروشیمیایی با قابلیت بازیابی انرژی

مقدمه

شرکت سامسونگ الکترونیک (Samsung Electronics) با همکاری دانشگاه سونگ‌کیون‌کوان (Sungkyunkwan University – SKKU)، مقاله‌ای را در ژورنال معتبر “ژول” (Joule)، که یکی از نشریات شناخته‌شده جهانی در حوزه تحقیقات انرژی است، منتشر کرده است. این مقاله به معرفی یک فناوری تصفیه آب الکتروشیمیایی می‌پردازد که قابلیت بازیابی توان (Power Recovery) را داراست. این دستاورد می‌تواند تحولی چشمگیر در حوزه مدیریت منابع آب و بهره‌وری انرژی ایجاد کند.

عنوان این مقاله «ذخیره‌سازی دوگانه یون و هالید در یک سلول متقارن فعالِ ردوکس برای پیوند کارآمد فاضلاب-انرژی» (Divalent and Halide Dual-Ion Storage of a Redox-Active Symmetric Cell for an Efficient Wastewater-Energy Nexus) است. این پژوهش پارادایم جدیدی را برای پیاده‌سازی هم‌زمان تصفیه آب و ذخیره‌سازی انرژی ارائه می‌دهد، در حالی که به مسائل مربوط به مصرف بالای برق و هزینه‌های فناوری‌های موجود در تصفیه آب الکتروشیمیایی می‌پردازد. به‌طور خاص، این تحقیق نشان می‌دهد که می‌توان با تأمین برق تولیدشده از فرآیند بازتولید الکترود به دستگاه‌های خارجی، بهره‌وری انرژی را افزایش داد. این ویژگی پتانسیل کاربرد وسیع این فناوری را در صنایع مختلف و همچنین زندگی روزمره نشان می‌دهد و مورد توجه متخصصان در مرکز بینش آب ایران قرار گرفته است.

نکات کلیدی مقاله

• انتشار در ژورنال معتبر Joule: همکاری سامسونگ و SKKU در یکی از برترین نشریات حوزه انرژی.
• نوآوری در تصفیه و انرژی: ارائه راهکاری برای تصفیه آب هم‌زمان با ذخیره‌سازی انرژی.
• حذف غشاهای گران‌قیمت: توسعه الکترودی که نیاز به غشاهای تبادل یون (Ion Exchange Membranes) را از بین می‌برد.
• افزایش ظرفیت: الکترود جدید تا ۲۰۰ درصد افزایش در ظرفیت ذخیره یون را نشان داده است.
• بازیابی انرژی: قابلیت تأمین برق دستگاه‌های خارجی از طریق انرژی آزاد شده در فرآیند احیای الکترود.
• کاربرد خانگی و صنعتی: پتانسیل استفاده در ماشین‌های لباسشویی، ظرفشویی و سیستم‌های تصفیه آب خانگی.

همکاری استراتژیک در توسعه فناوری‌های نوین آب

این مطالعه به‌صورت مشترک توسط تیم “راهکارهای زندگی” (Life Solution Team) در مرکز تحقیقات سامسونگ (Samsung Research) و تیم تحقیقاتی به سرپرستی پروفسور مهندسی شیمی، هو‌سئوک پارک (HoSeok Park) در دانشگاه SKKU انجام شده است. سامسونگ در تمامی مراحل این پروژه، از ایده‌پردازی تا طراحی آزمایش، پیاده‌سازی و اعتبارسنجی، مشارکت داشته و سهم قابل‌توجهی در اثبات پتانسیل این فناوری آب منحصر‌به‌فرد ایفا کرده است.

ژورنال “ژول” (Joule) که در سال ۲۰۱۷ توسط انتشارات Cell Press تأسیس شد، یک مجله علمی بین‌المللی است که فناوری‌های پیشرفته انرژی را پوشش می‌دهد و در زمینه‌های شیمی فیزیک، انرژی و سوخت، علم مواد و سایر حوزه‌های علمی بسیار تأثیرگذار است. انتشار این مقاله نقطه عطفی برای مرکز تحقیقات سامسونگ و دانشگاه SKKU محسوب می‌شود و نشان‌دهنده اهمیت روزافزون تعامل صنعت و دانشگاه در حل چالش‌های امنیت آبی است.

غلبه بر محدودیت‌های تصفیه آب الکتروشیمیایی

فناوری‌های تصفیه آب الکتروشیمیایی بر پایه یون‌زدایی خازنی (Capacitive Deionization – CDI) بنا شده‌اند. در این روش، ولتاژی به الکترود اعمال می‌شود که باعث می‌شود یون‌های موجود در آب از طریق نیروهای الکترواستاتیک روی الکترود جذب شوند. این فرآیند یون‌ها را از آب حذف کرده و آن را تصفیه می‌کند. این روش به‌ویژه در برابر یون‌های سختی (Hardness ions) مانند کلسیم (Ca²⁺) و منیزیم (Mg²⁺) که باعث کاهش قدرت پاک‌کنندگی مواد شوینده و ایجاد رسوب می‌شوند، مؤثر است. بر خلاف فناوری‌های تصفیه آب مبتنی بر غشا (مانند اسمز معکوس) که از موانع نازک برای عبور یا مسدود کردن انتخابی میکروذرات مایع یا گاز استفاده می‌کنند، فناوری‌های الکتروشیمیایی از هیچ فیلتر فیزیکی استفاده نمی‌کنند. در نتیجه، نگهداری و تعمیر آن‌ها آسان‌تر است و این موضوع آن‌ها را به یک حوزه فعال تحقیقاتی برای متخصصان حوزه آب تبدیل کرده است.

با وجود مزایا، فناوری‌های تصفیه آب الکتروشیمیایی همچنان با چالش‌هایی روبرو هستند. در فرآیند بازتولید الکترود (Electrode Regeneration)، توان اضافی مصرف می‌شود و نیاز به استفاده از غشاهای تبادل یون – که به‌صورت انتخابی به یون‌های دارای بار الکتریکی خاص اجازه عبور می‌دهند و از جذب مجدد آن‌ها جلوگیری می‌کنند – به دلیل افزایش هزینه‌ها، همچنان مانعی برای تجاری‌سازی محسوب می‌شود. برای غلبه بر این محدودیت‌ها، تیم مشترک سامسونگ و SKKU نسل جدیدی از فناوری آب الکتروشیمیایی را توسعه دادند که می‌تواند بدون غشاهای تبادل یون به کار گرفته شود. این فناوری هزینه‌های ترکیب ماژول را کاهش می‌دهد، امکان حذف حجم زیادی از یون‌های سختی را فراهم می‌کند و می‌تواند توان تولیدشده در فرآیند بازتولید الکترود را به دستگاه‌های خارجی منتقل کند؛ امری که راه را برای پتانسیل آن به‌عنوان یک راه‌حل تصفیه آب چندمنظوره هموار می‌سازد.

رویکردی نوین به ذخیره‌سازی یون با الکترود نسل جدید

تیم تحقیقاتی از یک نانوساختار مبتنی بر اکسید فلز (Metal oxide-based nanostructure) – که تغییری نسبت به مواد الکترود مرسوم است – برای ساخت الکترود خود استفاده کردند. در مقایسه با طرح‌های متداول، این الکترود تازه توسعه‌یافته افزایش ۲۰۰ درصدی در ظرفیت ذخیره‌سازی یون و بهبود ۲۰ درصدی در نرخ ذخیره‌سازی را نشان داد.

مواد الکترود متداول، یون‌ها را از طریق نیروهای الکترواستاتیک حذف می‌کنند و برای جلوگیری از جذب مجدد در طول بازتولید الکترود، به غشاهای تبادل یون گران‌قیمت نیاز دارند. با این حال، الکترود جدید امکان ذخیره و دفع خودبه‌خودی یون‌ها را از طریق تبادل مستقیم الکترون فراهم می‌کند که نیاز به غشای تبادل یون را از بین می‌برد. این ویژگی در راستای اهداف مرکز آب ایران برای یافتن راه‌حل‌های کم‌هزینه و پایدار بسیار حائز اهمیت است.

«الکترود جدید توسعه‌یافته توسط این تیم تحقیقاتی، با حذف نیاز به غشاهای تبادل یون و تکیه بر تبادل مستقیم الکترون، نه‌تنها هزینه‌ها را کاهش می‌دهد، بلکه ظرفیت ذخیره‌سازی یون را تا ۲۰۰ درصد افزایش داده است؛ گامی بزرگ در راستای کارآمدسازی فرآیندهای تصفیه.»

پتانسیل تکامل به یک سیستم انرژی چندمنظوره

در فناوری‌های موجود تصفیه آب الکتروشیمیایی، برای عملکرد مکرر، نیاز به بازتولید الکترود از طریق تأمین توان اضافی وجود دارد. در طول این فرآیند، نشت ناگهانی یون می‌تواند باعث ایجاد جریان بیش‌ازحد (Overcurrent) و معکوس شدن قطبیت الکترودها شود که استفاده از انرژی ذخیره‌شده را غیرممکن می‌سازد. الکترود تصفیه آب نسل جدید توسعه‌یافته توسط سامسونگ و SKKU از این مشکل مبرا است، زیرا بازتولید خودبه‌خودی الکترود بدون نیاز به تأمین توان اضافی قابل دستیابی است.

علاوه بر این، این سیستم می‌تواند انرژی ذخیره‌شده را بازیابی کرده و به دستگاه‌های مجاور برق‌رسانی کند. تیم تحقیقاتی همچنین دریافت که توان مورد نیاز برای راه‌اندازی یک ماژول تصفیه آب الکتروشیمیایی با استفاده از این فناوری برابر با ۷۶ وات‌ساعت بر کیلوگرم (76Wh/kg) است که حدود نیمی از مصرف فناوری‌های موجود می‌باشد. این کاهش مصرف انرژی برای بحران آب و انرژی جهانی خبری امیدوارکننده است.

گسترش آینده به لوازم خانگی و راهکارهای زیست‌محیطی

ماژول تصفیه آب الکتروشیمیایی توسعه‌یافته توسط مرکز تحقیقات سامسونگ و SKKU با الکترود نوآورانه خود، پتانسیل تبدیل‌شدن به یک واحد چندمنظوره را دارد. این واحد می‌تواند ضمن تصفیه آب، برق پشتیبان را برای لوازم خانگی مختلفی که از آب استفاده می‌کنند، مانند ماشین‌های ظرفشویی، ماشین‌های لباسشویی و دستگاه‌های تصفیه آب تأمین کند. انتظار می‌رود این فناوری نقشی کلیدی به‌عنوان یک فناوری آب نوآورانه در آینده ایفا کند.

سامسونگ بر اساس این مطالعه، قصد دارد همکاری صنعت و دانشگاه را تقویت کرده و تلاش‌های تحقیقاتی خود را برای تضمین فناوری‌های هسته‌ای که آینده بخش‌های محیط‌زیست و انرژی را شکل می‌دهند، گسترش دهد. این شرکت از طریق چنین ابتکاراتی، با هدف تسریع در توسعه راهکارهای نوآورانه برای فردایی پایدارتر گام برمی‌دارد.

نتیجه‌گیری

پژوهش مشترک سامسونگ و دانشگاه SKKU نشان‌دهنده یک پیشرفت قابل‌توجه در همگرایی فناوری‌های تصفیه آب و ذخیره‌سازی انرژی است. با حذف غشاهای تبادل یون و استفاده از الکترودهای نانوساختار اکسید فلزی، این فناوری نه تنها کارایی حذف یون‌های سختی را افزایش می‌دهد، بلکه با بازیابی انرژی، هزینه‌های عملیاتی را به‌شدت کاهش می‌دهد. این دستاورد که در ژورنال معتبر Joule منتشر شده است، نویدبخش نسل جدیدی از لوازم خانگی و سیستم‌های صنعتی است که دوستدار محیط‌زیست بوده و بهره‌وری انرژی را در اولویت قرار می‌دهند. این رویکرد، گامی مؤثر در جهت مدیریت منابع آب پایدار و مقابله با چالش‌های جهانی انرژی و آب محسوب می‌شود.

تحلیل اختصاصی تیم Water Insight Hub – مرکز بینش آب ایران

اهمیت همگرایی آب و انرژی در مدیریت نوین:
پژوهش اخیر سامسونگ و SKKU مصداق بارزی از مفهوم «پیوند آب و انرژی» (Water-Energy Nexus) است که تیم مرکز بینش آب ایران همواره بر اهمیت آن تأکید داشته است. در دیدگاه‌های سنتی، تصفیه آب همواره فرآیندی انرژی‌بر تلقی می‌شد که باری بر دوش شبکه برق بود. اما این فناوری نوین با تبدیل فرآیند تصفیه به یک منبع تولید یا بازیابی انرژی، پارادایم موجود را تغییر می‌دهد. برای کشورهایی که هم‌زمان با بحران آب و ناترازی انرژی دست‌وپنج نرم می‌کنند، چنین فناوری‌هایی می‌تواند راهگشا باشد. این یعنی عبور از نگاه تک‌بعدی به زیرساخت‌ها و حرکت به سمت سیستم‌های هوشمند و یکپارچه.

کاربردپذیری در مقیاس خرد و کلان:
یکی از نقاط قوت این پژوهش، تمرکز بر حذف یون‌های سختی (کلسیم و منیزیم) است. در ایران، سختی آب در بسیاری از مناطق یک چالش جدی برای مصارف خانگی و صنعتی است که منجر به استهلاک تجهیزات و افزایش هزینه‌ها می‌شود. فناوری‌های فعلی مانند اسمز معکوس (RO) اگرچه مؤثرند، اما پساب زیادی تولید می‌کنند و انرژی‌بر هستند. فناوری الکتروشیمیایی جدید سامسونگ با حذف غشا و کاهش مصرف انرژی به نصف، پتانسیل بالایی برای بومی‌سازی در دستگاه‌های تصفیه آب خانگی و صنعتی ایران دارد. متخصصان حوزه آب باید به این نکته توجه کنند که کاهش هزینه‌های نگهداری (به دلیل حذف غشا) می‌تواند توجیه‌پذیری اقتصادی پروژه‌های تصفیه آب را به‌شدت افزایش دهد.

پیامدهای آن برای امنیت آبی و دیپلماسی فناوری:
از منظر حکمرانی آب و امنیت آبی، دسترسی به فناوری‌های کم‌مصرف یک مزیت استراتژیک است. شرکت‌های پیشرو مانند سامسونگ با سرمایه‌گذاری در این بخش، نشان می‌دهند که آینده صنعت آب در گرو نوآوری‌های تکنولوژیک است. برای ایران، رصد دقیق این تحولات و تلاش برای انتقال یا توسعه فناوری‌های مشابه توسط مرکز آب ایران و دانشگاه‌های داخلی، حیاتی است. اگر ما نتوانیم بهره‌وری آب را با تکنولوژی ارتقا دهیم، فشار بر منابع طبیعی تجدیدناپذیر افزایش خواهد یافت. این مقاله پیامی روشن دارد: مرز بین تولیدکننده انرژی و مصرف‌کننده آب در حال محو شدن است و آینده متعلق به سیستم‌های هیبریدی است.

سؤالات متداول (FAQ)

۱. فناوری تصفیه آب الکتروشیمیایی معرفی شده توسط سامسونگ چه تفاوتی با روش‌های معمول دارد؟

در روش‌های معمول مانند اسمز معکوس، از فیلترها و غشاها برای جدا کردن آلاینده‌ها استفاده می‌شود که نیازمند فشار بالا و انرژی زیاد است. اما در فناوری جدید سامسونگ و SKKU، از روش الکتروشیمیایی (جذب یون‌ها روی الکترود) استفاده می‌شود. تفاوت اصلی این نوآوری جدید در حذف «غشای تبادل یون» است که معمولاً گران‌قیمت بوده و نگهداری دشواری دارد. همچنین، این سیستم برخلاف روش‌های قدیمی، قادر است انرژی مصرف شده را در مرحله بازتولید الکترود، بازیابی کند.

۲. چگونه این فناوری به مدیریت مصرف انرژی کمک می‌کند؟

این سیستم بر پایه «پیوند آب و انرژی» طراحی شده است. در سیستم‌های متداول تصفیه الکتروشیمیایی، برای تمیز کردن (احیای) الکترودها نیاز به مصرف برق اضافی است. اما در این فناوری نوین، فرآیند احیای الکترود به‌صورت خودبه‌خودی انجام می‌شود و الکترون‌ها آزاد می‌شوند. این انرژی آزاد شده به جای هدر رفتن، ذخیره شده و می‌تواند به دستگاه‌های جانبی برق‌رسانی کند. طبق تحقیقات، مصرف انرژی این ماژول حدود ۷۶ وات‌ساعت بر کیلوگرم است که تقریباً نصف فناوری‌های موجود است.

۳. آیا این فناوری برای مصارف خانگی مناسب است یا فقط صنعتی؟

این فناوری پتانسیل بسیار بالایی برای هر دو بخش دارد، اما تمرکز ویژه‌ای بر مصارف خانگی شده است. به دلیل توانایی بالا در حذف یون‌های سختی (که باعث رسوب در لوله‌ها و دستگاه‌ها می‌شوند)، این ماژول می‌تواند در ماشین‌های لباسشویی، ظرفشویی و دستگاه‌های تصفیه آب خانگی تعبیه شود. این امر باعث افزایش طول عمر لوازم خانگی و کاهش مصرف مواد شوینده می‌شود.

۴. نقش نانوساختار اکسید فلز در این الکترود چیست؟

محققان به‌جای استفاده از مواد کربنی معمول، از نانوساختارهای اکسید فلز استفاده کردند. این تغییر متریال باعث شده تا ظرفیت ذخیره‌سازی یون تا ۲۰۰ درصد افزایش یابد. همچنین مکانیسم ذخیره یون در این ساختار به‌گونه‌ای است که امکان تبادل مستقیم الکترون را فراهم می‌کند و همین ویژگی است که نیاز به غشای جداکننده را از بین می‌برد.

۵. چرا حذف یون‌های سختی (کلسیم و منیزیم) اهمیت دارد؟

یون‌های سختی عامل اصلی ایجاد رسوب در لوله‌کشی‌ها، دیگ‌های بخار و المنت‌های گرمایشی لوازم خانگی هستند. رسوب‌گذاری باعث کاهش انتقال حرارت و افزایش شدید مصرف انرژی می‌شود. همچنین سختی آب باعث می‌شود مواد شوینده کف نکنند و کارایی شستشو پایین بیاید. فناوری سامسونگ به‌طور اختصاصی در حذف این یون‌ها بسیار کارآمد عمل می‌کند.

۶. آیا این فناوری در حال حاضر تجاری‌سازی شده است؟

این پژوهش در مرحله انتشار علمی و اثبات فناوری (Proof of Concept) است و نتایج آن بسیار امیدوارکننده بوده است. سامسونگ اعلام کرده که قصد دارد بر پایه این مطالعه، همکاری‌های صنعت و دانشگاه را برای توسعه فناوری‌های هسته‌ای ادامه دهد. بنابراین، اگرچه هنوز به‌صورت محصول نهایی در بازار نیست، اما مسیر برای استفاده از آن در نسل بعدی لوازم خانگی هموار شده است.

برای مشاهده خبر اصلی کلیک کنید.