Et system, der er saltet værd:Ny tilgang til vandafsaltning kan føre til små, bærbare enheder

(PhysOrg.com) -- Der er ofte stor efterspørgsel efter og mangel på drikkevand efter en naturkatastrofe som jordskælvet i Haiti eller orkanen Katrina. I begge disse tilfælde, katastrofezonerne var tæt på havet, men at konvertere salt havvand til drikkevand til drikkevand kræver normalt en stor mængde pålidelig elektrisk kraft og store afsaltningsanlæg - ingen af ​​dem var tilgængelige i katastrofeområderne.

En ny tilgang til afsaltning, der udvikles af forskere ved MIT og i Korea, kan føre til små, bærbare enheder, der kunne drives af solceller eller batterier og kunne levere nok frisk vand til at dække behovene i en familie eller en lille landsby. Som en ekstra bonus, systemet ville også fjerne mange forurenende stoffer, vira og bakterier på samme tid.

Den nye tilgang, kaldet ionkoncentration polarisering, er beskrevet i et papir af postdoc Associate Sung Jae Kim og lektor Jongyoon Han, både i MIT's afdeling for elektroteknik og datalogi, og kolleger i Korea. Artiklen blev offentliggjort den 21. marts i tidsskriftet Natur nanoteknologi .

En af de førende afsaltningsmetoder, kaldet omvendt osmose, bruger membraner, der filtrerer saltet ud, men disse kræver stærke pumper for at opretholde det høje tryk, der er nødvendigt for at skubbe vandet gennem membranen, og er udsat for tilsmudsning og blokering af porerne i membranen af ​​salt og forurenende stoffer. Det nye system adskiller salte og mikrober fra vandet ved elektrostatisk at afvise dem væk fra den ion-selektive membran i systemet - så det strømmende vand behøver aldrig at passere gennem en membran. Det burde eliminere behovet for højt tryk og problemerne med tilsmudsning, siger forskerne.

Systemet fungerer i mikroskopisk skala, ved hjælp af fremstillingsmetoder udviklet til mikrofluidiske enheder - svarende til fremstilling af mikrochips, men ved hjælp af materialer som silikone (syntetisk gummi). Hver enkelt enhed behandler kun små mængder vand, men et stort antal af dem — forskerne forestiller sig et array med 1, 600 enheder fremstillet på en 8-tommer-diameter wafer - kunne producere omkring 15 liter vand i timen, nok til at give drikkevand til flere personer. Hele enheden kunne være selvstændig og drevet af tyngdekraften - saltvand ville blive hældt ind i toppen, og ferskvand og koncentreret saltlage opsamlet fra to udløb i bunden.

Den lille størrelse kunne faktisk være en fordel for nogle applikationer, Kim forklarer. For eksempel, i en nødsituation som Haitis jordskælvs eftervirkninger, leveringsinfrastrukturen for at få frisk vand til de mennesker, der har brug for det, manglede stort set, så småt, bærbare enheder, som enkeltpersoner kunne bære, ville have været særligt nyttige.

Indtil nu, forskerne har med succes testet en enkelt enhed, ved hjælp af havvand, de opsamlede fra en strand i Massachusetts. Vandet blev derefter bevidst forurenet med små plastikpartikler, protein og menneskeblod. Enheden fjernede mere end 99 procent af saltet og andre forurenende stoffer. "Vi viste tydeligt, at vi kan gøre det på enhedschipniveau, siger Kim. Arbejdet blev primært finansieret af en bevilling fra National Science Foundation, samt et SMART Innovation Center-tilskud

Mens mængden af ​​elektricitet, der kræves af denne metode, faktisk er lidt mere end for nuværende storskalametoder såsom omvendt osmose, der er ingen anden metode, der kan producere afsaltning i lille skala med noget sted i nærheden af ​​dette effektivitetsniveau, siger forskerne. Hvis den er korrekt konstrueret, det foreslåede system ville kun bruge omtrent lige så meget strøm som en konventionel pære.

Mark A. Shannon fra Center for avancerede materialer til rensning af vand med systemer ved University of Illinois i Urbana-Champaign, som ikke var involveret i dette arbejde, er enig i den vurdering. I et nyheder og synspunkter, der ledsager Nature Nanotechnology papiret, han skriver, at det nye system opnår "måske den laveste energi nogensinde til afsaltning af mikroliter vand, ” og når mange af disse mikroenheder kombineres parallelt, som Kim og hans medforfattere foreslår, "det kunne bruges til at levere liter vand i timen ved kun at bruge et batteri og tyngdekraften af ​​vand." Det opfylder et væsentligt behov, han siger, da der på nuværende tidspunkt er få effektive metoder til afsaltning i lille skala, både til nødsituationer og til brug i fjerntliggende områder i fattige lande.

Alex Iles, en forsker ved University of Hull i Storbritannien, siger, at mens yderligere test skal udføres for at etablere langsigtet stabilitet og fabrikationsteknikker, "Dette er et elegant nyt koncept for vandafsaltning." Han siger, at det sandsynligvis vil producere en lavpris, et lavt vedligeholdelsessystem, der kunne være "ideelt til applikationer som katastrofehjælp." Da det oprindeligt blev præsenteret på en konference, han deltog i sidste år, Iles siger, "Jeg troede, at det nok var det mest betydningsfulde nye arbejde på hele konferencen, selvom det kun var en plakat.”

Grundprincippet, der gør systemet muligt, kaldet ionkoncentration polarisering, er et allestedsnærværende fænomen, der forekommer nær ion-selektive materialer (såsom Nafion, bruges ofte i brændselsceller) eller elektroder, og dette hold og andre forskere har anvendt fænomenet til andre applikationer, såsom biomolekyle forkoncentration. Denne anvendelse til vandrensning er ikke blevet forsøgt før, imidlertid.

Da adskillelsen sker elektrostatisk, det virker ikke til at fjerne forurenende stoffer, der ikke har nogen elektrisk ladning. For at tage sig af disse resterende partikler - for det meste industrielle forurenende stoffer - foreslår forskerne, at enheden kan kombineres med et konventionelt kulfiltersystem, dermed opnå ren, sikkert drikkevand gennem en enkelt simpel enhed.

Efter at have bevist princippet i en enhed med én enhed, Kim og Han planlægger at producere en enhed på 100 enheder for at demonstrere opskaleringen af ​​processen, efterfulgt af 10, 000-enheder system. De forventer, at det vil tage omkring to år, før systemet er klar til at udvikle sig som et produkt.

"Efter det, siger Kim, "vi ved, om det er muligt", at dette fungerer som en robust, bærbart system, "og hvilke problemer der måske skal arbejdes på."