Podczas gdy zasolenie zagraża źródłom słodkiej wody, naukowcy z UC Santa Cruz badają, w jaki sposób nowa konstrukcja elektrod może ułatwić pozyskiwanie wody pitnej przy niższych kosztach energii i w sposób zrównoważony.
Postęp w dziedzinie druku 3D otworzył nowe możliwości zwalczania niedoboru wody pitnej na obszarach przybrzeżnych, gdzie wtargnięcie słonej wody do warstw wodonośnych stanowi rosnące zagrożenie.
Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz (UC Santa Cruz) opracowali prototyp 3D drukowanej instalacji do odsalania, który może zmienić dostęp do wody w społecznościach dotkniętych zmianami klimatycznymi, oferując efektywną i zrównoważoną alternatywę dla tradycyjnych metod.
Podnoszący się poziom morza i długotrwałe susze, oba zjawiska nasilone przez zmiany klimatyczne, pogłębiły niedobór słodkiej wody w wielu regionach przybrzeżnych. W Kalifornii popyt na wodę często przewyższa podaż, a zasolenie zagraża uniemożliwieniem korzystania ze źródeł wody pitnej.
W tej sytuacji zespół kierowany przez profesora Yata Li z Wydziału Chemii i Biochemii Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz skupił się na opracowaniu nowatorskich rozwiązań zapewniających dostawy wody w obszarach zagrożonych.
Dejonizacja pojemnościowa: energooszczędność i precyzja
Prototyp stworzony przez grupę Li wykorzystuje druk 3D do produkcji urządzenia do odsalania opartego na dejonizacji pojemnościowej, technologii elektrochemicznej o dużej wydajności w zakresie uzdatniania wody słonawej.
W przeciwieństwie do odwróconej osmozy, konwencjonalnej metody wykorzystującej membrany półprzepuszczalne i wymagającej dużych ilości energii, dejonizacja pojemnościowa usuwa sole za pomocą naładowanych elektrod.
„Najbardziej konwencjonalnym sposobem usuwania soli z wody jest odwrócona osmoza, która wykorzystuje membranę półprzepuszczalną do filtrowania wszystkich soli i uzyskania słodkiej wody. Proces ten wymaga dużej ilości energii, aby przepchnąć wodę przez te membrany, a ponadto membrany te są zazwyczaj bardzo kosztowne” – wyjaśnił Li w UC Santa Cruz.
Natomiast dejonizacja pojemnościowa działa poprzez przyłożenie napięcia do dwóch elektrod. Gdy między nimi przepływa słona woda, jony dodatnie kierują się do elektrody ujemnej, a jony ujemne do dodatniej, zostając wchłonięte przez powierzchnię elektryczną i umożliwiając przepływ wody wolnej od soli.
Proces ten można powtarzać do momentu osiągnięcia pożądanego poziomu czystości, a ponieważ jest on odwracalny, zatrzymane jony można uwolnić w celu ponownego wykorzystania materiału. Li wyjaśnił, że „dejonizacja pojemnościowa natomiast usuwa sole za pomocą naładowanych elektrod zamiast membran”.
Zaawansowane materiały i perspektywy zrównoważonego wykorzystania
Zespół z UC Santa Cruz opracował przewodzące materiały węglowe o hierarchicznej i porowatej strukturze, które mogą osiągnąć powierzchnię 3000 metrów kwadratowych na gram, co odpowiada sześciu lub siedmiu boiskom do koszykówki na gram. Ta duża powierzchnia pozwala na absorpcję znacznych ilości soli w niewielkiej objętości.
Ponadto bliskość elektrod ma fundamentalne znaczenie: mniejsza odległość skraca czas potrzebny do migracji jonów i zwiększa wydajność procesu.
Aby zoptymalizować ten aspekt, urządzenie zawiera elektrody przeplatające się, w których bieguny dodatnie i ujemne przeplatają się, zmniejszając odległość dyfuzji.
Druk 3D okazał się kluczowy dla realizacji tego innowacyjnego projektu. Grupa zdołała wydrukować prototypy z materiałów polimerowych i pracuje nad przekształceniem tych struktur w węgiel, zachowując wysoką powierzchnię właściwą.
Celem jest wydrukowanie całego urządzenia — a nie montaż oddzielnych elektrod — co ułatwia skalowalność i modułowość systemu. „Opracowujemy również technikę drukowania 3D, aby spróbować ulepszyć projekt i uczynić produkcję bardziej skalowalną i elastyczną” — powiedział Li w oświadczeniu przekazanym przez UC Santa Cruz.
System ten został zaprojektowany specjalnie do uzdatniania wody słonawej, której stężenie soli jest niższe niż w wodzie morskiej. Dzięki temu proces ten zużywa mniej energii i jest bardziej wydajny w miejscach, gdzie zasolenie wpływa na warstwy wodonośne na wybrzeżu.
Gdy urządzenie skoncentruje sól do poziomu porównywalnego z wodą morską, roztwór można zwrócić do oceanu bez znaczącego wpływu na środowisko. Proces ten umożliwia ciągłą i zrównoważoną pracę, ponieważ pochłonięte jony są uwalniane w cyklu płukania, co ułatwia ponowne wykorzystanie materiałów.
Chociaż dejonizacja pojemnościowa istnieje od dawna, problemy ze skalowalnością i wydajnością utrudniały jej praktyczne wdrożenie. Podejście UC Santa Cruz, oparte na zaawansowanych materiałach i technikach druku 3D, ma na celu pokonanie tych barier i zaoferowanie rozwiązania, które można dostosować do różnych kontekstów.Projekt pozostaje w fazie prototypu laboratoryjnego, a jego celem jest opracowanie skalowalnego urządzenia zdolnego do odsalania słonej wody pobranej bezpośrednio z pola.
Zespół Yat Li ma nadzieję, że jego praca pobudzi innowacje w projektowaniu materiałów i technologii zapewniających zrównoważony dostęp do wody pitnej, dostarczając odpowiedzi na obecne wyzwania klimatyczne.
