Hvordan rentvandsteknologier kunne få et løft fra røntgensynkrotroner

Verden har brug for rent vand, og dets behov vil kun vokse i de kommende årtier. Alligevel er afsaltning og andre vandrensende teknologier ofte dyre og kræver meget energi at køre, gør det så meget sværere at give mere rent vand til en voksende befolkning i en opvarmende verden.

For at komme videre, forskere bør bruge værktøjer som dem, der er tilgængelige ved røntgensynkrotroner til bedre at måle egenskaberne af materialer, der er involveret i rensning af salt eller på anden måde forurenet vand, hævder forskere ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory og University of Paderborn i Tyskland,

"Dette er virkelig et passende tidspunkt for landet - nationale laboratorier, den akademiske verden og industrielle partnere - for at fremme videnskaben relateret til afsaltning" og andre rentvandsteknologier, sagde Michael Toney, en fremtrædende videnskabsmand ved SLAC's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource. Toney har sammen med medforfatterne SSRL-forsker Sharon Bone og Paderborns professor Hans-Georg Steinrück netop offentliggjort et nyt perspektiv på fremme af rentvandsteknologi i tidsskriftet Joule .

Udfordringen er væsentlig. Jorden rundt, milliarder af mennesker kæmper for at finde rent drikkevand mindst en måned om året, og fremskrivninger tyder på, at efterspørgsel efter vand i nogle dele af USA - herunder Californien, som kæmper med tørke - vil overstige udbuddet omkring 2050.

Oven i købet, afsaltning eller på anden måde rensning af vand er ofte dyrt og energiineffektivt - og det er ikke altid klart, hvordan man kan forbedre disse teknologier.

For eksempel, i membran omvendt osmose, saltvand strømmer over en membran under tryk, at skubbe rent vand gennem membranen ind i en ferskvandsstrøm og tilbageholde salt, økologiske, og forurenende stoffer på saltvandsstrømmen. Alligevel forstår forskerne ikke meget detaljeret de fysiske og kemiske processer, der er ansvarlige for denne filtrering, eller hvordan nogle af faldgruberne ved omvendt osmose - såsom tilsmudsning, akkumulering af organisk og uorganisk materiale på membranen - forstyrrer processen.

"Det er kompleksiteten af ​​disse systemer, der gør dem så svære at undersøge, og det er derfor, synkrotronen er så værdifuld, fordi det giver os mulighed for at undersøge det, " sagde professor Steinrück.

Hvis forskere forstod bedre, hvordan omvendt osmose fungerede, og hvordan den kan blive forurenet, de kunne finde spor til at forbedre processen og udvikle nye materialer til rentvandsteknologier. røntgenspektroskopi, for eksempel, kunne afsløre, hvilke molekyler der er mest ansvarlige for begroning. røntgenspredningsforsøg og billeddannelsesmetoder, såsom elektronmikroskopi, kunne give forskere og ingeniører et bedre billede af, hvad der sker i en fin skala. Det samme gælder andre teknikker, såsom kapacitiv ionisering, en teknik, der fungerer bedst på lavt saltindhold eller brakvand og er tæt forbundet med banebrydende batteriforskning. Hvad mere er, denne finskala forståelse kunne give forskere mulighed for at designe nye materialer til afsaltning og afbøde tilsmudsning.

Den slags forskning er også en mulighed for videnskabsmænd til at få mere direkte indflydelse på et stadig mere presserende globalt problem - en faktor, der motiverede Bone, som også arbejder på at forstå, hvordan både forurenende stoffer og næringsstoffer kredser gennem naturlige økosystemer, at arbejde sammen med kolleger hos SLAC og kemiingeniører ved Stanford University om rentvandsteknologier. Arbejder med Stanford kemiingeniørstuderende Valerie Niemann og professor William Tarpeh, Bone and Toney er allerede begyndt at undersøge, hvordan foulanter ophobes på omvendt osmosemembraner.

"Jeg ønskede at deltage i denne indsats, fordi jeg så det som en mulighed for direkte at arbejde på en teknologi, der kunne få indflydelse i lyset af klimaændringer, " sagde Bone.