Illinois ingeniør fortsætter med at lave bølger i vandafsaltning

I de sidste mange år, University of Illinois-forsker Kyle Smith har bevist sin voksende ekspertise inden for vandafsaltning, med en række forskningsresultater, der kunne adressere det umiddelbare behov for at bekæmpe aftagende rene vandkilder rundt om i verden.

Nu, med en ny publikation og nyt forskningsprojekt finansieret af National Science Foundation, han fortsætter med at bygge videre på sit meget roste arbejde med at udvikle nye metoder til deionisering af saltvand.

Papiret, "Effekten af ​​ledende additiver på transportegenskaberne af porøse gennemstrømningselektroder med isolerende partikler og deres optimering til faradaisk deionisering, " offentliggjort i denne uge i Vandforskning , demonstreret lovende resultater for energieffektiv afsaltning af alternative vandressourcer. Smiths nyeste værk, ledet af sin doktorand Erik Reale, involverer deioniseringsanordninger, der reversibelt kan lagre og frigive kationer ved hjælp af interkalationsmaterialer, en klasse af materialer, der almindeligvis anvendes til genopladelige batterier. Dette arbejde adresserer især udfordringen med at cykle interkalationsmaterialer med høje elektronhastigheder, ion, og væsketransport, funktioner, der er svære at opnå samtidigt i et enkelt system.

Hans team fremstillede optimerede elektroder indeholdende isolerende Prussian Blue analoge partikler, og brugte dem i en eksperimentel cation intercalation desalination (CID) celle med symmetriske elektroder. De var vidne til resultater af en næsten 10-dobling i hastigheden af ​​fjernelse af salt ved samme energiforbrugsniveauer som tidligere CID-demonstrationer.

"Høje saltfjernelseshastigheder er nødvendige i elektrokemiske vandbehandlingsanordninger, fordi mindre enheder kan konstrueres for at opnå den samme samlede produktion af behandlet vand, hvis salt kan fjernes hurtigere. Efter den tankegang, kapitalomkostningerne til at konstruere et system vil være lavere for et fast vandproduktivitetsniveau, sagde Smith.

I sit nye treårige NSF-finansierede forskningsprojekt, "Aktivering af minimal afsaltning af saltlageudledning ved hjælp af interkalationsreaktioner, "Smith vil bruge batterimaterialer til at overvinde begrænsningen i mængden af ​​affaldssaltlage, der produceres under vandafsaltning ved hjælp af omvendt osmose (RO). Bortskaffelse af saltlage har store miljømæssige bæredygtighedsproblemer, herunder øgede jordskælv, når de sprøjtes ind i jorden og fare for akvatiske økosystemer, når de bortskaffes i vandmasser. Mens RO-brineproduktion er dikteret af den anvendte trykdrivkraft (og dermed pålægger mekaniske begrænsninger), Smith planlægger at bruge elektriske felter til at koncentrere saltioner, hvilken, han foreslår, kunne koncentrere salte til niveauer nær mætning i opløsning.

University of Illinois har tidligere rapporteret, i 2016, at Smith havde opdaget, at teknologien, der oplader batterier til elektroniske enheder, kunne give frisk vand fra salt hav. Han udviklede en ny enhed - et saltvandsfyldt batteri med elektricitet, der løber igennem det - der deioniserede vand med den mindst mulige mængde energi på det tidspunkt. Dette arbejde fik en plads på listen over top 10 mest læste artikler fra Journal of the Electrochemical Society i 2016.

Blot et år senere, i 2017, Smith og hans team tog saltvandsafsaltning et skridt videre, med fokus på nye materialer for at forbedre processens økonomiske levedygtighed og energieffektivitet i samarbejde med Wetsus, det europæiske center for ekspertise for vandteknologi. De skabte en batterilignende enhed, der bruger elektroder lavet af et materiale, der kunne fjerne ikke kun natriumioner, men også kalium, kalk, magnesium, og andre - en vigtig teknologisk forbedring, fordi saltvand og brakvand ofte indeholder en blanding af andre salte som kalium, kalk, og manganchlorid. Dette arbejde blev offentliggjort i tidsskriftet Electrochemica Acta .

Det nuværende eksperimentelle arbejde følger også arbejde udgivet af Smith og hans studerende ved hjælp af beregningsmodellering af elektrokemisk transport til at guide design af batteribaserede afsaltningsceller. Deres gruppe har også for nylig brugt kvantemekanisk modellering, kombineret med eksperimenter og termodynamisk analyse, at forstå, hvordan de batterimaterialer, der bruges i deres afsaltningsceller, absorberer natrium, samt magnesium og calcium, på atomskalaen.

For nylig, Smith vandt 2018 ISE-Elsevier Prize for Applied Electrochemistry - en anerkendelse udelukkende baseret på hans matematiske modellering af batteribaserede afsaltningsenheder, lithium-ion batterier, og flow batterier.