Elektricitetsdrevet vandrensningsmetode kan udvides til saltere vand

Mens de er på missioner uden adgang til rent vand, står amerikanske marinesoldater over for udfordringen med at skaffe og opbevare nok drikkevand til at opretholde dem. Penn State forskere, ledet af Chris Arges, Penn State lektor i kemiteknik, arbejder hen imod en realistisk oprensningsmulighed, der er bærbar, let og nem at betjene.

Han og co-principal investigator Christopher Gorski, Penn State lektor i civil- og miljøteknik, søger at fremme en vandrensningsmetode, kendt som membran kapacitiv deionisering (MCDI).

"Selvom størstedelen af ​​den globale afsaltning anvender en proces kendt som omvendt osmose ved centraliserede produktionsfaciliteter, er den ikke egnet til militærhold, da den kræver højtryksrør og hardware og er vanskelig at betjene i marken," sagde Arges. "MCDI er på den anden side effektiv, mobil og energieffektiv."

Stimuleret af batteri- eller solcelledrevet elektricitet bruger MCDI ionbyttermembraner og porøse elektroder til at adskille ioner, såsom natrium og klorid, fra vand. Ifølge Arges er metoden effektiv til grund- eller brakvand, men den klarer ikke tilstrækkeligt at rense mere højkoncentrerede vandkilder, såsom havvand.

"Elektriciteten udløser natriumionerne til at migrere over kationbyttermembranen til en negativt ladet elektrode, mens chloridioner migrerer over anionbyttermembranen til en positivt ladet elektrode, en proces, der er kendt som princippet om elektrosorption," sagde Arges. "Opfangning af ionerne fra væsken fører til deioniseret, drikkeligt vand."

Efterhånden som mere og mere vand behandles i MCDI-enheden, bliver elektroderne mættede med salt, hvilket gør dem ude af stand til at fjerne så meget salt fra vandet. På det tidspunkt, sagde Arges, kan elektroderne regenereres ved at bremse strømmen af ​​vand og vende cellens polaritet.

"Dette trin i processen spilder noget af vandet, men det producerer også elektrisk energi, som kan genvindes og anvendes til den næste afsaltningscyklus for at sænke den samlede energibyrde," sagde Arges. "Dette gør det muligt for MDCI at forblive energieffektiv."

For at forbedre MDCI's effekt på mere koncentrerede vandkilder vil Arges og hans team redesigne det elektrokemiske cellemodul, der bruges i MCDI. Med værktøjer fra Nanofabrication Lab i Penn State Materials Research Institute vil forskerne fremstille mikroskopiske brønde i et sammenlåsende mønster på membranoverfladen. Dette øger grænsefladearealet mellem membranen og elektroderne, forbedrer kontakten og reducerer den afstand, som natrium- og chloridioner skal rejse for at krydse membran-elektrode-grænsefladen.

Derudover gør brøndene det muligt for elektrodematerialet at opbevare flere natrium- og chloridioner. Dette giver brugerne mulighed for at rense vand i længere perioder, før de tyer til regenerering. Hvis det lykkes, kunne den forbedrede MCDI-enhed rense ikke kun jord- og brakvand, men også havvand, sagde Arges.

I tidligere forskning brugte Arges og hans team med succes lignende membranmønster til at adskille hydronium- og hydroxidioner fra vand i bipolære membraner for at lave ilt og brint i en elektrolysecelle.

"Vi tror, ​​at det øgede grænsefladeareal vil reducere ionisk transportmodstand, hvilket fører til renere vand i større mængder," sagde Arges. + Udforsk yderligere

Ny metode renser brint fra tunge kulilteblandinger