Обеспечение более безопасной питьевой водой нуждающихся может быть немного проще. По словам исследователей из Пенсильванского университета, новый метод опреснения воды способен удалять соль из воды с меньшими затратами энергии, чем предыдущие методы.
«Во всем мире ограничен доступ к пресной воде», - сказал Брюс Логан, профессор инженерии Университета Эвана Пью и профессор инженерии окружающей среды Стэна и Флоры Каппе. «Все больше и больше используемая вода ухудшается либо из-за соли, либо из-за других загрязнителей, поэтому мы наблюдаем растущую потребность полагаться на менее оптимальные источники воды."
Чтобы решить эту проблему, Логан и его коллеги Кристофер Горски, доцент кафедры экологической инженерии, и Тэён Ким, доктор наук в области экологической инженерии, придумали метод опреснения, называемый деионизацией аккумуляторных электродов (BDI). BDI совершенствует стандартные методы емкостной деионизации (CDI), исключая стадию регенерации и снижая напряжение, необходимое для завершения процесса.
Стандартные методы CDI опресняют воду путем разделения ионов воды. Типичная ячейка CDI состоит из двух электродов, прикрепленных к противоположным сторонам проточного канала. Электроды улавливают ионы соли посредством электрических обменов, происходящих при подаче на клетку электрического тока. Затем клетка регенерируется путем высвобождения ионов соли во втором цикле путем изменения направления приложенного электрического тока. Поскольку CDI не требует мембран и потребляет меньше энергии, чем другие популярные методы, он становится конкурентоспособной технологией удаления соли из воды. Проблема с системами CDI заключается в том, что они ограничены низкой адсорбцией соли при использовании обычно применяемых 1,2 вольт. Увеличение приложенного напряжения действительно улучшает адсорбцию соли, но также увеличивает вероятность непреднамеренных побочных реакций, которые приводят к потере энергии и могут привести к необратимой коррозии электрода.
В недавно разработанной командой BDI системе специально изготовленная проточная кювета использует два канала. Каналы разделены мембраной, и на каждом конце закреплены два одинаковых электрода батареи.
Чтобы проверить эффективность ячейки, команда подала в каждый канал солевой раствор с заданной скоростью потока, одновременно подавая на ячейку постоянный электрический ток. Использовались несколько плотностей тока, в зависимости от количества пакетов мембран. Затем исследователи изменили направление потока напряжения на ячейке, когда оно достигло минимума -0,6 В или максимума +0,6 В.
Команда обнаружила, что система BDI эффективно удаляла соль на уровнях, совместимых с CDI, при использовании только приложенного напряжения 0.6 вольт. Кроме того, требуемое низкое напряжение и используемые материалы помогли предотвратить нежелательные побочные реакции, добились большей способности опреснения и потребляли меньше энергии, чем традиционный CDI.
Поскольку команда создала одновременное производство опресненной и концентрированной воды в двух каналах, она также обошла двухцикловый подход, поэтому системе больше не нужно проходить стадию регенерации. Кроме того, они обнаружили, что установка дополнительных мембран между электродами еще больше снижает потребление энергии.
«Другие люди говорили о захвате энергии из второго цикла CDI, но это действительно сложно сделать, и, следовательно, это непрактично», - сказал Логан. «Наша система избегает этого второго шага регенерации, просто переключая захваченный поток путем изменения направления подаваемого электрического тока. Это делает ее очень простой в эксплуатации и потребляет очень мало энергии».
Хотя текущая конфигурация не подходит для опреснения чрезвычайно соленой воды, такой как морская, результаты показывают, что метод BDI может быть эффективным в качестве низкоэнергетического метода для солоноватой или слегка соленой воды, такой как грунтовые воды или для опреснения воды перед подачей на очистные сооружения.
Нет ничего, что изначально мешало бы его использованию с морской водой, просто по мере того, как вода становится все более и более соленой, появляются другие проблемы, с которыми нам приходится бороться, такие как повышенное потребление энергии и загрязнение мембраны, которые могут уменьшить его полезность по сравнению с другими подходами, - сказал Логан.
Исследователи теперь планируют работать над масштабированием и повышением стабильности системы.
«Это инновационная технология, - сказал Логан. «Это не то, что есть и коммерциализировано. Это то, что находится на переднем крае новых способов получения соли из воды».