Terwijl ze op missies zijn zonder toegang tot schoon water, staan Amerikaanse mariniers voor de uitdaging om voldoende drinkwater te verkrijgen en op te slaan om hen te onderhouden. Onderzoekers van Penn State, onder leiding van Chris Arges, universitair hoofddocent chemische technologie aan Penn State, werken aan een realistische zuiveringsoptie die draagbaar, lichtgewicht en eenvoudig te bedienen is.
Hij en co-hoofdonderzoeker Christopher Gorski, universitair hoofddocent civiele en milieutechniek aan Penn State, zullen een driejarige subsidie van $ 570.000 van het Office of Naval Research gebruiken om een waterzuiveringsmethode te bevorderen, bekend als membraan capacitieve deïonisatie (MCDI).
“Hoewel het grootste deel van de wereldwijde ontzilting een proces gebruikt dat bekend staat als omgekeerde osmose in gecentraliseerde productiefaciliteiten, is het niet geschikt voor militaire teams, omdat het hogedrukleidingen en hardware vereist en moeilijk te bedienen is in het veld,” zei Arges. “MCDI daarentegen is effectief, mobiel en energiezuinig.”
Gestimuleerd door batterij- of zonne-energie, maakt MCDI gebruik van ionenuitwisselingsmembranen en poreuze elektroden om ionen, zoals natrium en chloride, van water te scheiden. Volgens Arges is de methode effectief voor grond- of brak water, maar onvoldoende om sterker geconcentreerde waterbronnen, zoals zeewater, voldoende te zuiveren.
“De elektriciteit zorgt ervoor dat de natriumionen migreren over het kationenuitwisselingsmembraan naar een negatief geladen elektrode, terwijl chloride-ionen migreren over het anionenuitwisselingsmembraan naar een positief geladen elektrode, een proces dat bekend staat als het principe van elektrosorptie,” zei Arges. “Het opvangen van de ionen uit de vloeistof leidt tot gedeïoniseerd, drinkbaar water.”
Naarmate meer en meer water in de MCDI-eenheid wordt behandeld, raken de elektroden verzadigd met zout, waardoor ze niet zoveel zout uit het water kunnen verwijderen. Op dat moment, zei Arges, kunnen de elektroden worden geregenereerd door de waterstroom te vertragen en de polariteit van de cel om te draaien.
“Deze stap in het proces verspilt een deel van het water, maar het produceert ook elektrische energie die kan worden teruggewonnen en toegepast op de volgende ontziltingscyclus om de totale energielast te verminderen,” zei Arges. “Hierdoor kan MDCI energiezuinig blijven.”
Om het effect van MDCI op meer geconcentreerde waterbronnen te verbeteren, zullen Arges en zijn team de elektrochemische celmodule die in MCDI wordt gebruikt, opnieuw ontwerpen. Met tools van het Nanofabrication Lab in het Penn State Materials Research Institute gaan de onderzoekers microscopisch kleine putjes fabriceren in een in elkaar grijpend patroon op het membraanoppervlak. Dit vergroot het grensvlak tussen het membraan en de elektroden, verbetert het contact en verkleint de afstand die natrium- en chloride-ionen moeten afleggen om het membraan-elektrode-interface te passeren.
Bovendien zorgen de putjes ervoor dat het elektrodemateriaal meer natrium- en chloride-ionen kan opslaan. Hierdoor kunnen gebruikers water voor langere tijd zuiveren voordat ze hun toevlucht nemen tot regeneratie. Indien succesvol, zou de verbeterde MCDI-eenheid niet alleen grond- en brak water kunnen zuiveren, maar ook zeewater, zei Arges.
In eerder onderzoek hebben Arges en zijn team met succes vergelijkbare membraanpatronen gebruikt om hydronium- en hydroxide-ionen te scheiden van water in bipolaire membranen om zuurstof en waterstof te maken in een elektrolysecel.
“Aangezien de voorgestelde aanpak voor deze subsidie in het verleden voor ons heeft gewerkt, zijn we van mening dat het grotere grensvlak de weerstand tegen ionisch transport zal verminderen, wat zal leiden tot schoner water in grotere hoeveelheden,” zei Arges.
Verhaalbron:
Materialen geleverd door Penn State. Origineel geschreven door Mariah Chuprinski. Opmerking: inhoud kan worden bewerkt voor stijl en lengte.
