Forskere laver nye opskrifter til at tage salt ud af havvand

Mens befolkningerne boomer og kronisk tørke fortsætter, Kystbyer som Carlsbad i det sydlige Californien har i stigende grad vendt sig til havafsaltning for at supplere en svindende ferskvandsforsyning. Nu har forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), der undersøger, hvordan man kan gøre afsaltning billigere, ramt på lovende designregler for fremstilling af såkaldte "termisk responsive" ioniske væsker til at adskille vand fra salt.

Ioniske væsker er et flydende salt, der binder sig til vand, hvilket gør dem nyttige i fremadgående osmose for at adskille forurenende stoffer fra vand. (Se Berkeley Lab Q&A, "Moving Fremad on Desalination") Endnu bedre er termisk responsive ioniske væsker, da de bruger termisk energi frem for elektricitet, som kræves af konventionel omvendt osmose (RO) afsaltning til adskillelsen. Det nye Berkeley Lab-studie, offentliggjort for nylig i tidsskriftet Naturkommunikationskemi , studeret de kemiske strukturer af flere typer ionisk væske/vand for at bestemme, hvilken "opskrift" der ville fungere bedst.

"Den nuværende state-of-the-art inden for RO-afsaltning fungerer meget godt, men omkostningerne ved RO-afsaltning drevet af elektricitet er uoverkommelige, " sagde Robert Kostecki, medkorresponderende forfatter til undersøgelsen. "Vores undersøgelse viser, at brugen af ​​billig "gratis" varme - såsom geotermisk varme eller solvarme eller industriel spildvarme genereret af maskiner - kombineret med termisk responsive ioniske væsker kan opveje en stor del af omkostningerne, der går til nuværende RO-afsaltningsteknologier der udelukkende er afhængige af elektricitet."

Kostecki, vicedirektør for divisionen Energy Storage and Distributed Resources (ESDR) i Berkeley Labs Energy Technologies-område, samarbejdet med co-korresponderende forfatter Jeff Urban, en ansat videnskabsmand i Berkeley Labs Molecular Foundry, at undersøge ioniske væskers adfærd i vand på molekylært niveau.

Ved at bruge nuklear magnetisk resonansspektroskopi og dynamisk lysspredning leveret af forskere i ESDR-afdelingen, samt simuleringsteknikker for molekylær dynamik på Molecular Foundry, holdet gjorde et uventet fund.

Det har længe været antaget, at en effektiv ionisk væskeseparation var afhængig af det samlede forhold mellem organiske komponenter (dele af den ioniske væske, der hverken er positivt eller negativt ladet) til dets positivt ladede ioner, forklarede Urban. Men Berkeley Lab-teamet erfarede, at antallet af vandmolekyler, en ionisk væske kan adskille fra havvand, afhænger af dens organiske komponenters nærhed til dets positivt ladede ioner.

"Dette resultat var fuldstændig uventet, " sagde Urban. "Med det, Vi har nu designregler for, hvilke atomer i ioniske væsker, der udfører det hårde arbejde i afsaltning."

En årtier gammel membranbaseret omvendt osmoseteknologi, der oprindeligt blev udviklet ved UCLA i 1950'erne, oplever en genopblussen - i øjeblikket er der 11 afsaltningsanlæg i Californien, og flere er blevet foreslået. Berkeley Lab-forskere, gennem Water-Energy Resilience Research Institute, forfølger en række teknologier til at forbedre pålideligheden af ​​det amerikanske vandsystem, herunder avancerede vandbehandlingsteknologier såsom afsaltning.

Fordi fremadgående osmose bruger varme i stedet for elektricitet, den termiske energi kan leveres af vedvarende kilder såsom geotermisk og solvarme eller industriel lavkvalitetsvarme.

"Vores undersøgelse er et vigtigt skridt mod at sænke omkostningerne ved afsaltning, " tilføjede Kostecki. "Det er også et godt eksempel på, hvad der er muligt i det nationale laboratoriesystem, hvor tværfaglige samarbejder mellem grundvidenskab og anvendt videnskab kan føre til kreative løsninger på svære problemer til gavn for kommende generationer."

Forskere fra UC Berkeley og Idaho National Laboratory bidrog også til undersøgelsen. Molecular Foundry er en DOE Office of Science User Facility, der har specialiseret sig i nanoskalavidenskab. Dette arbejde blev støttet af U.S. Department of Energy's Office of Energy Efficiency and Renewable Energy.