Електрокінетична гідроенергетика (англ. electrokinetic hydropower) — наука та галузь, частина молекулярної гідроенергетики, яка вивчає й використовує електрокінетичні явища в рідинних дисперсних системах з метою вироблення, накопичення, транспортування та розподілу електричної енергії.
У основі електрокінетичної гідроенергетики лежать атомно-молекулярний та іонно-молекулярний (іонно-дисперсний) принципи побудови речовини. Перший принцип характеризує дискретність або перервність будови речовини, другий принцип розкриває стан електролітичних розчинів та взаємодію іонів з молекулами розчинника.
Ключовими поняттями та об'єктами досліджень електрокінетичної гідроенергетики є дисперсні системи, електролітичні розчини, електрокінетичні явища, електрокінетичні технології (способи) та системи (засоби) перетворення потенціальної та кінетичної енергії молекул, атомів, іонів, інших малих частинок речовини в електричну енергію. Як джерела відновлюваної енергії використовуються, в першу чергу, природні середовища, зокрема, гідросфера та процеси, що у ній протікають, а також сили, які супроводжують ці процеси.
Пориста структура, яка керує розподілом зарядів в електрокінетичному процесі формування потенціалу течії, має, в ідеальному випадку, володіти всіма атрибутами міжфазної поверхні, в тому числі, потенціалом Гіббза та здатністю створювати електроосмотичний потік та подвійний електричний шар належної якості. Тож, пори повинні мати усталені розміри та форму, володіти гідроадгезійними властивостями поверхні, які б відповідали молекулярній гідродинаміці процесів. Унікальні подвійні електричні шари утворюються, зокрема, регулярними пористими структурами.
На схемі використані позначення: потік рідинного електроліту FL; CS — капілярна структура; S — тверде тіло; DL — подвійний електричний шар (ПЕШ). ПЕШ на кордоні фаз «тверде тіло — рідина» складається з двох груп іонів. Одна група, в даному випадку, позитивних іонів розташована на поверхні твердого тіла S — це поверхневий заряд. Товщина поверхневої частини ПЕШ дорівнює z. Друга група негативних іонів перебуває в електроліті ELT. Візуально ПЕШ нагадує розподіл електричних зарядів по Гельмгольцу, проте, реальна його модель значно складніша. Частина шару, яка міститься в рідині, є дзеркальним електричним відображенням поверхневого заряду й складається зі щільної та дифузної частин, бо формується під дією нелінійних фізичних процесів — електростатичного притягання та теплового руху іонів у рідині. Матеріалом для виготовлення стінок капілярів можуть слугувати діелектрики або напівпровідники, в залежності від вибраної схеми електрокінетичного перетворювача.
Електрокінетична технологія молекулярної гідроенергетики (англ. electrokinetic hydropower technology) — спосіб вироблення, накопичення, транспортування та розподілу електричної енергії з відновлюваних джерел енергії, заснований на використанні електрокінетичних явищ в рідинних дисперсних середовищах. Кожна електрокінетична енергетична технологія складається з послідовності певних операцій або процесів, які виконуються за допомогою сукупності технічних засобів, зведених в молекулярні системи енергетики.
Електрокінетична система молекулярної гідроенергетики (англ. electrokinetic hydropower system) — сукупність електрокінетичних технологій та обладнання, заснованих на використанні електрокінетичних явищ в рідинних дисперсних середовищах для вироблення, накопичення, транспортування та розподілу електричної енергії.
Відновлюваний рух іонів, інших заряджених частинок рідинного електроліту може здійснюватися тиском плинної води або ж силами адгезії та поверхневого натягу рідини на кордоні фаз. Електрокінетичні способи отримання електричного струму відносяться до немеханічних, бо в енергетичних перетвореннях, зазвичай, не використовуються громіздкі рухомі елементи (ротори).
На відміну від макроскопічних технологій, які потребують подвійного, а інколи, й потрійного проміжного перетворення одного виду енергії в інший, електрокінетичні енергетичні технології є переважно прямими способами отримання електричного струму. Цікавість до них спричинена, в першу чергу, можливістю створення малогабаритних матричних пристроїв генерації електричної енергії а також співвимірних з ними по розмірам та масі накопичувачів енергії, які дозволяють поряд з існуючими використовувати нові джерела відновлюваної енергії, притаманні гідросфері, зокрема, енергію молекул всередині рідини та на кордоні фаз, градієнт солоності води тощо. Адже у світлі досягнень нанотехнологій та біотехнологій на початку третього тисячоліття ми очікуємо використання нових джерел відновлюваної енергії та нових технологій виробництва електричного струму.
Історія
Науково-технологічною базою електрокінетичної гідроенергетики є досягнення молекулярної фізики, фізичної хімії, хімії та фізики поверхні, електродинаміки, квантової теорії речовини та поля, термодинаміки і, врешті-решт, молекулярної гідродинаміки, хімічного інжинірингу та матеріалознавства.
Невпинний прогрес у вивченні електрокінетики спостерігається, починаючи з авангардних дослідів Фердинанда Рейсса, Фрідріха Дорна, Георга Квінке через теорію та моделі подвійного електричного шару Германа Гельмгольца, Луї Гуї, Девіда Чепмена, Отто Штерна, Маріана Смолюховського до фізики та хімії поверхні Джозая Гіббза, хімічної кінетики та осмотичного тиску Якоба Вант-Гоффа, теорії електролітичної дисоціації Сванте Арреніуса, методів статистичної механіки в колоїдній хімії та хімії поверхні Ірвінга Ленгмюра, до розуміння диполь-дипольної електростатичної взаємодії між зарядами Віллема Кеезома, міжмолекулярної поляризаційної взаємодії та провідності електролітичних розчинів Петера Дебая, теорії хімічного зв'язку та міжмолекулярних дисперсійних сил Фріца Лондона і, нарешті, до практичних аспектів мікрогідродинаміки та наногідродинаміки, електроосмосу другого роду Станіслава Духіна та Наталії Міщук, електроосмосу індукованого заряду Мартіна Базанта, Тодда Сквайреса та ін. а також вчених Інституту колоїдної хімії і хімії води ім. А. В. Думанського Національної Академії наук України, зокрема, Володимира Шилова, Миколи Жарких та Іллі Разілова. Серед книг, приурочених цій темі, можна виділити ґрунтовні роботи Анжела Дельгадо та ін. в галузі інтерфейсної електрокінетики, Антоніо Рамоса та ін. у галузі діелектрофорезу рідин та частинок, електрокінетики змінного струму, електрозмочування та електрогідродинаміки.
У періодичних виданнях з'явилася ціла низка публікацій, присвячених окремим теоретичним та практичним аспектам побудови електрокінетичних пристроїв для генерації електричної енергії. В більшій частині публікацій представлено результати досліджень електрокінетичних енергогенеруючих пристроїв, влаштованих по схемі Квінке з транспортування контріонів у мікроканалах та наноканалах різної форми та розмірів зовнішнім тиском. Гідродинамічні та електрокінетичні параметри електроліту при його транспортуванні у вузьких каналах доволі адекватно описуються рівняннями Нав'є-Стокса та Пуассона-Больцмана. Транспортування іонів моновалентного електроліту в схемах коміркового типу підпорядковується рівнянню Нернста-Планка, яке встановлює залежність між електрорушійною силою (різницею потенціалів) та іонною концентрацією й дозволяє передбачити максимальний робочий потенціал, що може бути отриманий в результаті електрохімічної взаємодії, коли відомі тиск та температура.
Дисперсні системи в електрокінетичній гідроенергетиці несуть подвійне навантаження, так як вони характеризують як електропровідний розчин, так і пористу структуру, відповідальну за утворення електроосмотичного потоку. Кінетичні та електричні процеси в дисперсних системах визначаються електричними атрибутами молекулярних частинок та міжфазної поверхні, які, зокрема, обумовлюють адгезію, когезію, адсорбцію, поверхневий натяг а також поведінку частинок під впливом електричного поля. Енергетичний стан та параметри електрокінетичної дисперсної системи описуються величиною надлишкової адсорбції Гіббза (поверхневого надлишку розчиненої речовини в поверхневому шарі розчину порівняно з його об'ємною концентрацією), ізотермою адсорбції, наприклад, ізотермою адсорбції Фрейндліха (співвідношенням між кількістю адсорбованої речовини та концентрацією її в розчині при сталій температурі) або ж ізотермою мономолекулярної адсорбції Ленгмюра (залежністю кількості адсорбованого на поверхні газу від його тиску при сталій температурі).
Електрокінетика, як і взаємодія атомів усередині молекули, має кулонівську природу, електростатичні сили лежать і в основі міжмолекулярної взаємодії; тож, досліджувати електрокінетику маємо в сукупності з електростатикою.
Базова схема електрокінетичної системи для виробництва електричного струму
Функціональна та структурна схеми
Електрокінетична система гідроенергетики включає електроліт ELT, приймач-перетворювач RT, зовнішній електричний навантажувальний опір RL та електричний адаптер EA — форма лише й потрібна для того, щоб реалізувати функцію.
Електроліт — розчин, який володіє електропровідністю. Носіями електричного струму в розчинах електролітів є іони, утворені, зазвичай, дисоціацією молекул електроліту. Склад розчинів оцінюється масовою ωS [%], об'ємною φB [%] та молярною χB [%] частками, молярною СB [моль/м3] та масовою ρB [кг/м3] концентраціями а також молярною концентрацією еквівалента CNB. Електрокінетичні процеси, які проходять в системі, змінюють склад та параметри електроліту, ELT1(E1) → ELT2(E2).
Приймач-перетворювач енергії RT є активною чутливою структурою, яка трансформує енергетичні властивості іонів, інших малих заряджених частинок молекулярної системи в електричну енергію ЕE. У загальному випадку приймач-перетворювач енергії RT складається із рушія MV та електрокінетичного перетворювача EK. Рушієм MV може бути джерело відновлюваної енергії, наприклад, тиск плинної води річкових стоків, океанічних течій та припливів гравітаційного походження, який приводить у рух електроліт ELT і створює електроосмотичний потік іонів, інших малих заряджених частинок всередині та на кордоні фаз. У певних випадках джерелом відновлюваної енергії можуть слугувати міжмолекулярні сили адгезії та поверхневого натягу рідини (електроліту) на кордоні фаз. Рушій MV конструктивно є пристроєм, який обертає енергію молекул всередині рідини та на кордоні фаз або ж кінетичну енергію плинної води в енергію спрямованого руху іонів електроліту. Електрокінетичний перетворювач EK трансформує енергетичні властивості іонів, інших малих частинок речовини електроліту, подвійного електричного шару в електричну енергію EE (енергію електричного струму I).
Молекулярна електрокінетична система генерації електричного струму функціонує так. Тиск плинної води p1 [Па] та/або міжмолекулярні сили адгезії та поверхневого натягу рідини на кордоні фаз трансформуються за допомогою рушія MV у спрямований рух рідинного електроліту ELT, який в електрокінетичному перетворювачі EK неперервно деформує подвійний електричний шар (ПЕШ) на кордоні фаз, і іони дифузного шару зміщуються в напрямку потоку рідини. Внаслідок руху зарядів виникає поверхневий струм, і встановлюється різниця потенціалів на кінцях діафрагми. Ця різниця потенціалів, у свою чергу, приводить до появи струму провідності в зворотному напрямку. Різниця потенціалів збільшується, доки ці струми не зрівняються. З цього моменту вона приймає стале значення. Так різниця потенціалів у контурі зовнішнього навантажувального опору RL переростає в енергію електричного струму EC (I). Параметри електричного струму (напруга, сила струму, частота) доводяться в електричному адаптері EA до стандартних значень, і струм спрямовується споживачам та/або в електричну мережу EN.
Робочим тілом у електрокінетичних системах енергетики може служити як штучний, так і природний електроліт, наприклад, морська солона вода.