Minulé léto narostl nebezpečně toxický vodní květ (harmful algal bloom, HAB) v jezeru Erie natolik extrémně, že otrávil pitnou vodu ve městě Toledo (stát Ohio) a zkomplikoval život téměř půl milionu místních obyvatel. Zároveň toho ale využil vědecký tým, který vedl environmentální inženýr Da Deng ze Statní university Wayne v Detroitu.
Vědci neohroženě nabrali vzorky toxického vodního květu a zahřáli ho na 700-1000 °C v atmosféře z argonu. Vodní květ se jako mávnutím kouzelného proutku proměnil v uhlíkový materiál, který lze využít jako vysoce účinné a zároveň cenově příznivé elektrody pro sodík-iontové (Na‑Ion) baterie.
Vodní květy – tedy nápadné zbarvení vody do zelena, které mají na svědomí mikroorganismy, v převážně většině sinice – mohou být nepěkně toxické. V takovém případě ohrožují všechny kolem, včetně lidí, kteří jsou ve špatnou chvíli na špatném místě. Když na to přijde, dovedou i zabíjet. Podle Denga byla právě krize s pitnou vodou v Toledu v roce 2014 názorným příkladem nebezpečnosti takových vodních květů.
Když chceme s podobnými vodními květy bojovat, máme k dispozici převážně jen pasivní technologie, které mají navíc svá omezení. Postup Dengova týmu nejen masu vodního květu spolehlivě zlikviduje, ale také z ní vyrobí velmi zajímavý produkt. Deng a spol. tomu přístupu přezdívají „poklad z odpadu“ (trash-to-treasure). Sodík-iontové baterie jsou vnímané jako velmi slibné a mají prý potenciál nahradit dnes široce rozšířené lithium-iontové baterie.
Deng upřímně přiznává, že technologie sodík-iontových baterií ještě trpí dětskými neduhy. A jedním z klíčových problémů jejich vývoje je právě nalezení vhodného materiálu k výrobě elektrod. Na elektrody lithium-iontových baterií se obvykle používá grafit, problém je ale v tom, že ionty sodíku jsou větší, než ionty lithia, a příliš nepasují do struktury grafitu. Uhlíkový materiál z vodního květu je ale na úrovni atomů oproti grafitu méně uspořádaný a obsahuje více velkých defektů a dutin, kam se mohou nacpat sodíkové ionty.
Uhlíkový materiál, jaký Deng a spol. vytvořili z vodního květu, se obvykle vyrábí z ropy. Jak je ale vidět, jde to i z biomasy. Vodní květ je sice toxický hnus, zároveň ale skvěle roste a nepotřebuje k tomu zemědělskou půdu. Jeho přeměna na materiál pro elektrody sodík-iontových baterií je navíc velice jednoduchá a nevyžaduje žádné čištění nebo podobné procedury.
Na elektrodách pro sodík-iontové baterie z vodního květu je ještě co optimalizovat. Tahle technologie ale krásně zabíjí dvě mouchy jednou ranou. Likviduje biomasu vodního květu ze sladkovodních nádrží a zároveň poskytuje slibný materiál pro tolik potřebnou novou generaci dobíjecích baterií. Cena soudobých lithium-iontových baterií činí asi 410 dolarů za jednu kilowatthodinu, zatímco maloobchodní cena elektřiny ze sítě v USA se pohybuje kolem 10 centů za kilowatthodinu. Sodík-iontové baterie by brzy mohly tenhle strašný rozdíl výrazně snížit.
Literatura
PhysOrg 9. 10. 2015, Environmental Science & Technology online 22. 9. 2015.
Ultrazvukovou zbraní na vodní květ
Autor: Stanislav Mihulka (17.06.2009)
Údolí červeného kamene vykouzlená řasami
Autor: Stanislav Mihulka (05.08.2012)
Tsunami řas na plážích města Čching-tao
Autor: Stanislav Mihulka (06.07.2013)
Diskuze:
Sinice nedoceněné
Jakub Klos,2015-10-12 11:42:09
Příspěvek pana Hrnčířníka je věcný. Jestli má pravdu, tak tato potenciální technologie nebude vhodná pro baterie na nošení sebou. Nicméně je do bodoucna velký tržní tlak na vhodné a levné baterie nepřenosné -stacionární. Někam se budou muset uskladňovat přebytky elektriky. Tam je cena o mnoho důležitější než objem, hmota, nebo elektromotorické napětí.
Je možné, že to lze vyrobit i z jiných biomas. Vyšší koncentrace sinic lze vypěstovat ve velice hutné podobě pro efektivní sklizeň. Stačí k tomu dobře provedená čistička odpadních vod. Sinice jsou velice efektivní k odstraňování fosforu z vody. Vemou si jej do poslední mrtě. Podobné to bude i s dusíkatými látkami, ale ty jsou obvykle v přebytku, takže něco nesežerou. Nedostatek živin by se dal stanovit a doplnit. Poté by odpadní voda byla ekologicky dostatečně čistá. Něco podobného asi dělají i jiné mikrobi v ČOV a možná by také šli použít na výrobu toho porézního uhlíku. Co se týká sinic, tak jsou náročné na světlo a trochu i teplo. Pracují jen do určité hloubky. ČOV by tedy musela být mělká. To považuji za největší nevýhodu oproti jiným nefotosyntetizujícím mikrobům. Nicméně výzkum takéto elektrody opravdu "morálně" podporuji. Sodík je také velice laciný kov. Rozhodně proti Lithiu. Velké domácí stacionární akumulátory se prý dnes ještě v ČR nevyplatí. Chce to něco levnějšího. Možná právě toto.
Místo aby potlačili zamoření sinicemi
Josef Hrncirik,2015-10-11 15:54:30
nebo je nějak rozumně sklízeli
a likvidovali ? kompost, bioplyn...
tak fušují do řemesla elektrochemikům a technologům a ekonomům.
Surovina (sinice) je zdánlivě zadarmo (pěstujme si ji tedy všude ...)
Colateral demages se pochopitelně nepočítají, vlastně ani náklady na zbytečně náročnou technologii a přísady.
Není důvod aby uhlík z běžnějších a vhodnějších materiálů a technologií neměl stejné a dokonce lepší vlastnosti.
Psali jen o Na anodě v uhlíku. Musí tam použít i katodu a elektrolyt, ev. separátory.
V nabité Na anodě mají jen 19 % Na/ aktivní část C nosiče;(plyne z kapacity 0,23 Ah/g C)
Celková hmota článku tedy může přesáhnout hmotu C snadno i 1/0,19*3 (anoda, katoda, elektrolyt,;separátory,obal,vedení) tj. cca 15x.
Li dá 3V, Na jen 2V.
Udávaných 0,23 Ah/g C při 2 V = 230*2/1*15 = 31 Wh/kg baterie = špatný Pb aku.
Použití Na místo Li přináší problémy: 3 g Na místo 7 g Li; 2 V místo 3
malé rozpustnosti (vodivosti), větší ionty v sloučenině katody (větší expanze a drobení při cyklech), pomalejší děje, menší vratnost.
Připusťme, že baterie by měla sloužit 5 let, tj. cca 1000 cyklů.
V grafu: acs.est.5b 03882
z pracného a nepřesného porovnání nabíjecí a vybíjecí křivky (jen C anody!) lze v 60. cyklu odhadovat účinnost cca 90% (obr. 5e). A co po dalších 940?
Vnitřní odpor není udán ani pro samotnou anodu.
Asi jim závidím publikaci.
Kdo lže, okrádá grantovou agenturu
Josef Hrncirik,2015-10-12 15:57:33
V článku píší, že interkalát Li do grafitu má teor. kapacitu max. cca 340 mAh/gC.
Na Wiki se píše, že jde o C6Li, tj. Li dá 1361 mAh/gC.
Wiki píše: amorfní C Na anody mají kapacitu 300 - 400 mAh/g tj. cca
Paliči vodního květu však dosáhli jen cca 230 a to možná jen pro počáteční cykly.
Li interkalované do grafitu hoří méně (v Boeningu hořelo kvalitně),
než neinterkalovaný Na v mikro a makrodutinách amorfního C.
Zmatky jsou i na Wiki Aquion sodium ionic batery. Místo batery energy píšou katodic e. ..
.........
Jozef Vyskočil,2015-10-11 06:32:56
Štátna dotácia za zber materiálu by bola možno namieste.
trvale udržitelné vodní květy
Ivo Přikryl,2015-10-11 05:02:48
Z hlediska technického zajímavé, ale pro omezení vodních květů sinic bezvýznamné. Aby bylo možné odebírat dostatečné množství biomasy vodních květů sinic, musí jich v nádrži přetrvávat dostatečná koncentrace, která zajistí potřebnou produkci. A ta bude bohatě stačit pro znehodnocení nádrže. Navíc předpokládám, že stejně jako sinice je pro tento typ baterií použitelná i jiná, snáze dostupná biomasa, která by byla upřednostněna. Postavit výrobu na sběru něčeho, co se vyskytuje v dostatečné koncentraci jen cca 2 měsíce v roce bez jistoty, že se to další roky bude opakovat, je příliš riskantní. I kdyby se to snad ukázalo dostatečně efektivní a ekonomické, sbíraly by se sinice jen ze zlomku procenta nádrží sinicemi ohrožených. A těch jsou na Zemi statisíce, spíše milióny. A co až sodík-iontové baterie překoná jiná technologie postavená na odlišném principu?
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce
