الفهرس 
Chapter 1 IntroductionOnly 14 pages are availabe for public view
 |  | from | 227 |  |  |
| | | from | 227 | | |
Abstract
الطاقة والمياه أمران حاسمان لحياة الإنسان. فهما مرتبطان ببعضها البعض بشكل جوهري، والموارد المحدودة، والطلب يؤثر على كليهما. وبالنظر إلى المستقبل، فإن نمو سكان العالم من 7 مليارات إلى 9 مليارات نسمة على مدى السنوات الـ 25 المقبلة سيجعل من الصعب تلبية الطلب على كل من الطاقة والمياه خاصة عندما يوجد الآن أكثر من 650 مليون شخص يفتقرون إلى الوصول إلى المياه النظيفة، و مليار ليس لديهم كهرباء. وفي هذا الصدد، هناك علاقة ثنائية بين الطاقة والمياه. فمن ناحية، يعد استهلاك المياه ضروريًا لإنتاج الطاقة حيث يتم استخدام المياه على نطاق واسع لتبريد محطات الطاقة الكهروحرارية والتحكم في انبعاثات الهواء وفي استخراج موارد الطاقة وتكريرها ومعالجتها, وكذلك في توليد الطاقة الكهرومائية. ومن ناحية أخرى، يتم استهلاك الطاقة طوال دورة المياه في حين أن إمدادات الطاقة مسؤولة عن ما يقرب من 15% من عمليات سحب المياه العذبة على مستوى العالم سنويًا. مع تزايد ظاهرة الاحتباس الحراري والجفاف وندرة المياه، أصبح من الضروري إيجاد طريقة للحصول على مياه كافية وآمنة. ونتيجة لذلك، تم استخدام العديد من التقنيات التحليلية لتنقية مياه الصرف الصحي بما في ذلك الامتزاز، والتخثر والتلبد، والأكسدة الكيميائية. ومع ذلك، فإن الطاقة المستخدمة في هذه التقنيات يتم استخلاصها من الوقود الأحفوري، الذي ينبعث منه كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون مما يزيد من قضية الاحتباس الحراري، فان تطوير عمليات فعالة لتحلية مياه البحر مع استهلاك منخفض للطاقة، بتكلفة قليلة يعتبرامرا صحيا وقد ركزت الأبحاث الحديثة كثيرًا على التبخر السطحي المستمد من الطاقة الشمسية (SDIE)، لأنه يعتمد على مصدر طاقة وفير ونظيف، ويركز التسخين الشمسي على السطح البيني للماء والهواء. تعتبر خصائص ماصات الطاقة الشمسية حاسمة لكفاءة توليد البخار الشمسي (SSG) حيث يجب أن تتمتع الممتصات عالية الكفاءة في نفس الوقت بامتصاص ضوء الشمس عريض النطاق، شبكات مسامية، محبة جيدة للماء، توصيلية حرارية منخفضة، وكفاءة تحويل حرارية عالية. حتى الآن، تمت دراسة العديد من المواد الماصة كمواد قائمة على البوليمر، وأشباه الموصلات، المواد القائمة على السيراميك، المعادن النانوية البلازمونية، والمواد القائمة على الكربون. ومع ذلك، فإن معظم هذه المواد تشترك في العديد من العيوب نفسها مثل المواد الخام باهظة الثمن وطرق التصنيع المعقدة، مما يحد من تطبيقها العملي على نطاق واسع. يعد تصنيع الهيدروجيل متعدد الوظائف القائمة على الكتلة الحيوية ذات الثبات الفائق والمسامية العالية والسطح الخارجي المتحكم فيه حلاً واعدًا لهذه المشكلات خاصة مع سميتها المنخفضة وتكلفتها المنخفضة وكذلك فهي صديقة للبيئة وتعتبر البديل المستدام لتصنيع الأغشية الحرارية الضوئية. من بين جميع انواع الهيدروجيل، يعتبرهيدروجيل البولي أكريلاميد ( PAAm ) هو البوليمر الأكثر ملاءمة بسبب محبته العالية للماء، وخواصه الميكانيكية المقبولة، وبالتالي قدرته العالية على امتصاص الماء. من ناحية اخري أصبحت الكهرباء أكثر أهمية كمصدر الطاقة الأساسي لحياتنا الاجتماعية مع تطور التحضر ومجتمع المعلومات المتصل بالشبكات. أصبح تحسين تقنيات تحويل الطاقة الجديدة أمرًا ملحًا للغاية حيث يتم استنفاد الموارد المحدودة بشكل مطرد بسبب الاستخدام العالمي للطاقة على نطاق واسع، مما ولّد اهتمامًا كبيرًا بتقنيات الطاقة المتجددة مثل الخلايا الشمسية والبطاريات والمكثفات الفائقة وخلايا الوقود. لقد حظيت خلايا الوقود باهتمام كبير لأنها بديل لمصادر الطاقة المعتمدة على الاحتراق بسبب ميزاتها، مثل كثافة الطاقة العالية، والسلامة العالية، وانها صديقة للبيئة. يتم التحكم في كفاءة تحويل الطاقة في الخلايا الكاملة بشكل عام من خلال عملية اختزال الأكسجين الكاثودي والتي لها عيوب مثل الرابطة الكيميائية القوية (498 كيلو جول/مول) بين ذرتي الأكسجين التي تسبب حركية بطيئة وخسائر كبيرة في الجهد الزائد وبالتالي، فإن المحفزات الكهربائية لعمليات اختزال الاكسجين ذات النشاط الفعال والاستقرار الطويل مطلوبة بشكل عاجل لتطوير هذه التكنولوجيا على نطاق واسع. أفضل المحفزات الكهربائية لعمليات اختزال الكسجين المتوفرة اليوم هي مواد ثمينة تعتمد على البلاتين ؛ ومع ذلك، فإن هذه المواد لها بعض القيود، مثل الندرة، والتكلفة العالية، وانخفاض الاستقرار في البيئة القلوية أو الحمضية لخلايا الوقود، والحركية البطيئة بسبب مسارات التفاعل المعقدة المرتبطة بنقل الإلكترون متعدد الخطوات المقترن بالبروتون. للتغلب على هذه العيوب، تم تطوير المعادن غير الثمينة أو محفزات المعادن الحرة، بما في ذلك أكاسيد المعادن ثلاثية الأبعاد، النيتريدات، نيتريدات الكربون، الأوكسينيتريدات، الكبريتيدات، المواد غير المتجانسة المعتمدة على الكربون، وأكاسيد المعادن المدعومة بالكربون المشبعة بالنيتروجين. لقد حظيت المواد المعتمدة على الكربون باهتمام كبير في التطبيقات الكهروكيميائية نظرًا لتكلفتها المنخفضة وأداء التحفيز الكهربائي الممتاز ومساحة السطح العالية. من بين جميع المواد المعتمدة على الكربون، يُظهر الكربون المدعم بالنيتروجين والكبريت نشاط عاليا في عمليات اختزال الاكسجين بسبب تأثيرات الذرة غير المتجانسة، والتي تعمل كمراكز تحفيزية لامتصاص الاكسجين وتغيير كثافات الدوران والشحن لذرات الكربون. المشروع الأول : تصميم تضاريس السطح للهيدروجيل المعتمد على الفحم الحيوي لإزالة الملوثات الخطرة من مياه البحر الملوثة من خلال توليد البخار والكهرباء بشكل متزامن. أفادت هذه الدراسة عن تطوير نظام تبخر حراري شمسي جديد يعتمد على نشارة الخشب والذي تم إعادة تدويره إلى ماصات حرارية ضوئية تعتمد على الفحم الحيوي عن طريق الانحلال الحراري عند درجة حرارة منخفضة للحفاظ على القنوات الدقيقة المتوافقة في جميع أنحاء الهيكل. تم تطوير معدل تبخر الفحم الحيوي المركب من خلال الدمج مع هيدروجيل البولي أكريلاميد ( PAAm ). يعتبر هذا البوليمر الأكثر ملاءمة بسبب قابليته العالية للماء وخواصه الميكانيكية المقبولة وبالتالي قدرته العالية على امتصاص الماء. تم تصنيع هيدروجيل مركب مع الفحم الحيوي باعتباره ممتصًا شمسيًا فعالاً من حيث التكلفة وعالي الكفاءة وثلاثي الأبعاد لعملية توليد البخار الشمسي. بعد ذلك، تم تشتيت الفحم الحيوي من خلال بلمرة هيدروجيل الاكريلاميد في الموقع من مونومر الأكريلاميد و N و N- ميثيلين ثنائي الاكريلاميد كرابط لهم لتصنيع هيدروجيل مركب من الفحم الحيوي/الاكريلاميد متعدد الجزيئات. الفحم الحيوي مسؤول عن امتصاص الطاقة الشمسية وتحويلها الي حرارة ، بينما يقوم الهيدروجيل بتنشيط الماء الممتص، وبالتالي تسهيل عملية التبخر وتقليل المحتوى الحراري للتبخر. تم اختبار العينات المعدة بقياسات مطياف الاشعة تحت الحمراء,تحليل حيود الاشعة السينية, الاشعة السينية الضوئية الطيفية, و المجهر الالكتروني الماسح. أظهر طيف الاشعة تحت الحمراء لمركبات الفحم الحيوي/بولي اكريلاميد أن قمم الامتصاص للفحم الحيوي النقي و الهيدروجيل ظهرت معًا دون أي قمم امتصاص جديدة تشير إلى التفاعل الفيزيائي بين الفحم الحيوي و الهيدوجيل أثناء عملية البلمرة. ومع ذلك، هناك تحولات صغيرة في قمم الامتصاص لمجموعة الكربونيل في الهيدروجيل من 1640 إلى1657 سم-1 بسبب الترابط الهيدروجيني بين المجموعات الوظيفية للفحم الحيوي و الهيدروجيل بالإضافة إلى ذلك، وجد أنه مع زيادة وزن الفحم الحيوي في المركبات، زادت شدة الذروة المنزاحة بسبب الكمية العالية من مجموعة الكربونيل. أظهر نمط حيود الاشعة السينية للفحم الحيوي/ هيدروجيل الاكريلاميد القمم المميزة للفحم الحيوي مما يؤكد التشتت الناجح للفحم الحيوي في مصفوفة الهيدروجيل وزادت شدة هذه الذروة مع المحتوى العالي للفحم الحيوي. يحتوي المسح الإجمالي لطيف الاشعة السينية الضوئية للفحم الحيوي-1 / هيدروجيل على ثلاث قمم عند 530 و400 و285 الكترون فولت ، مما يوضح أن المركب يحتوي على اكسجين, نيتروجين, و كربون على التوالي. يرتبط الكربون و الاكسجين بالفحم الحيوي والهيدروجيل، في حين يتم اشتقاق النيتروجين من البولي اكريلاميد أظهرت صور المجهر الالكتروني الماسح للفحم الحيوي/ هيدروجيل شبكات ليفية ثلاثية الأبعاد تتشكل عن طريق دمج الفحم الحيوي من خلال عملية بلمرة الهيدروجيل علاوة على ذلك، أظهرت الصور أن الجدران تصبح خشنة مقارنة بالهيدروجيل PAAm النقي نتيجة وجود جزيئات الفحم الحيوي. بالإضافة إلى ذلك، تضخم هيدروجيل PAAm بعد دمج الفحم الحيوي كما يتضح من متوسط حجم المسام الأكبر بشكل ملحوظ. تم اختبار أداء توليد البخار الشمسي لجميع المبخرات التي تم تحضيرها و تم تحديد معدلات التبخر من اختبار توليد البخار للهيدروجيل والممتصات الحرارية الضوئية المحضرة قام مركب الفحم الحيوي/هيدروجيل البولي اكريلاميد بتخفيض المحتوى الحراري لتبخر الماء إلى 1409.55 كيلوجول كجم -1 مما يعطي معدل تبخر يبلغ 2.22 كجم-2 ساعة-1 مع كفاءة تحويل ضوئية حرارية ممتازة تبلغ94.4% تحت1 إشعاع شمسي. علاوة على ذلك، تم اختبار تأثير التضاريس السطحية للهيدروجيل على كفاءة توليد البخار الشمسي وأظهرت النتائج أن السطح المعدل أظهر معدل تبخر أعلى قدره 2.71 كجم-2 ساعة-1 وكفاءة تحويل ضوئي حراري بنسبة 98.3٪ مخصصة لارتفاع درجة الحرارة التي تم الوصول إليها تصل إلى 60.3 درجة مئوية مقارنة بـ 53.2 درجة مئوية للسطح المستوي. علاوة على ذلك، يمتلك الغشاء مقاومة عالية للملح بسبب القنوات الدقيقة للفحم الحيوي والمجموعات الوظيفية الموجودة على سطح الفحم الحيوي، والتي قد تربط الأيونات المعدنية في المحلول الملحي. أخيرًا، قمنا بدمج وحدة TE داخل مركب الفحم الحيوي/ هيدروجيل الاكريلاميد في نظام هجين لتوليد البخار والكهرباء في وقت واحد، مما يصل إلى 1.91 كجم م -2 ساعة -1 تبخر ماء و529.32 ميجاوات م-2. أخيرًا، يمكن لهذا العمل أن يعزز استراتيجية واعدة لتطوير مبخرات فعالة من حيث التكلفة تعتمد على نفايات الكتلة الحيوية، مما يُظهر قابلية إعادة الاستخدام الفائقة وقابلية التوسع ومزايا توليد الطاقة السهلة. المشروع الثاني : المحفز الكهربي الكربون كبريتيد ثنائي المعدن المدعم بالنيتروجين المشتق من البولي اكريلاميد لعملية اختزال الأكسجين. ذكرت هذه الدراسة تصنيع محفزات كهربائية جديدة لتفاعل اختزال الأكسجين (ORR) بكفاءة عالية تعتمد على مادة FeNiS /NC بنسب معدنية مختلفة كقطب موجب في خلية الوقود. نظرًا لأن المواد القائمة على الكربون تتمتع بأداء اختزال للاكسجين عالي نظرًا لخصائصها الإلكترونية الفريدة والاستقرار الكهروكيميائي في المحاليل الحمضية والقلوية ووفرة مواردها. إن المحفز الكهربي الكربون كبريتيد ثنائي المعدن المدعم بالنيتروجين المشتق من البولي اكريلاميد أفضل بسبب وجود المسام المتوسطة المترابطة مع مساحة سطح محددة عالية مما يسرع نقل الكتلة للأكسجين ويكشف مواقع أكثر نشاطًا للتحفيز الكهربائي . بالإضافة إلى ذلك، فإن وجود محفز كربون ثنائي المعدن- المدعم بالنيتروجين ينظم مستوي الطاقةd للحديد مما يسهل امتصاص وسيط اختزال الأكسجين في مواقع النيكل، ويلعب تأثيرًا تآزريًا من خلال التنظيم المتناسب بشكل معقول، والذي يمكن أيضًا تعزيز كسر رابطة الاكسجين وتحسين نشاط اختزال الأكسجين .كما أن النيتروجين يؤدي إلى إعادة توزيع الإلكترون وتنشيط المواقع الذرية المختلفة. وكذلك وجود الكبريت الذي يعدل التركيب الالكتروني للمعادن ويضبط طاقات الامتزاز للوسيطات . تم تشخيص المحفز الكهربائي المُجهز بقياسات مطياف الاشعة تحت الحمراء,تحليل حيود الاشعة السينية, الاشعة السينية الضوئية الطيفية, و المجهر الالكتروني الماسح. أظهر طيف الاشعة تحت الحمراء لمادة كبريتيد الحديد و النيكل/ الكربون المطعم بالنيتروجين، لوحظت نفس القمم ولكن مع اختلاف طفيف في الشدة وفقا لكمية المعدن المستخدم في العينة. ظهرت القمة عند 1409 سم-1 المخصصة لروابط الكربون و النيتروجين الحلقية غير المتجانسة، والقمة عند حوالي 1135 سم-1 تشير إلى وجود مجموعة الكبريتيد. علاوة على ذلك فإن القمتين الواقعتين عند 618 و 474 سم-1 تمثلان الرابطة بين المعدن و الأكسجين مما يثبت نجاح تحضير المحفزات الكهربائية. مما يثبت نجاح إعداد المحفزات الكهربائية. أظهر نموذج حيود الاشعة السينية لـ (Fe0.1Ni0.9S/NC) أن البنية عبارة عن مستوى بلوري مكعب، ويتجلى ذلك في قمم التوصيف التالية : 17، 31.55، 33.6، 40.5. 44.09، 45.32، 56.2، 65.4، و75.1° وهي سمات للمستويات 111، 101، 012، 015، 400، 111، 511، 440، و220 على التوالي. صور SEM لـ (Fe 0.1 Ni0.9S/NC) أظهرت بنية مسامية نتيجة لوجود هيدروجيل الاكريلاميد كأساس والتي توفر قنوات لنقل الشحنة مع وجود جزيئات كبريتيد الحديد والنيكل على السطح، وتوزيع جزيئات كبريتيد النيكل و كبريتيد الحديد على سطح المحفز الكهربائي. تم فحص المحفزات الكهربائية المحضرة في محلول هيدروكسيد البوتاسيوم المشبع 0.1 مولار عند 1600 دورة في الدقيقة عند الجهد-0.8-0 فولت. لإظهار نشاطهم في اختزال الاكسجين وأظهروا سلوكًا ممتازًا. أظهرFe0.1Ni0.9S/NC أعلى نشاط لاختزال الاكسجين مع جهد -0.067 فولت، وجهد نصف الموجة -0.18 فولت، وكثافة التيار -5.18 مللي أمبير. سم-2 وأظهر أدنى Tafel slope 95 ملي فولت-1 مما يدل على نشاطه العالي.