电力驱动的水净化方法可能扩展到较咸的水域

宾夕法尼亚州立大学的研究人员正在研究一种现实的净化方案,它便携、轻便、易于操作,由电池或太阳能供电。

通过玛丽亚Chuprinski 2022年9月23日
宾夕法尼亚州立大学的研究人员将制造具有不同表面图案几何形状和大小的膜,用于膜电容去电离。左边是完整的膜,右边是在电子显微镜下看到的部分膜。这种小井可以将钠和氯离子从不洁净的水中过滤出来。版权所有

美国海军陆战队在执行任务时无法获得干净的水,他们面临着获取和储存足够的饮用水以维持生活的挑战。宾夕法尼亚州立大学的研究人员正在研究一种便携、轻便、易于操作的现实净化方案。

他和宾夕法尼亚州立大学土木与环境工程副教授、共同首席研究员克里斯托弗·戈尔斯基(Christopher Gorski)将利用海军研究办公室提供的57万美元的三年拨款,推进一种被称为膜电容去电离(MCDI)的水净化方法。

阿热斯说:“尽管全球大部分海水淡化都是在集中式生产设施中使用反渗透工艺,但它不适合军事团队,因为它需要高压管道和硬件,而且很难在实地操作。”“另一方面,MCDI是有效的、可移动的和节能的。”

在电池或太阳能供电的刺激下,MCDI利用离子交换膜和多孔电极从水中分离离子,如钠和氯。根据Arges的说法,这种方法对地下水或微咸水有效,但不能充分净化更高浓度的水源,如海水。

宾夕法尼亚州立大学化学工程副教授Chris Arges(中)与化学工程博士生Mahmudul Hasan(左)和Tanmay Kulkarni(右)站在一起。该团队将在宾夕法尼亚州立大学材料研究所的纳米制造实验室工作,设计和测试薄膜。来源:Kelby Hochreither/Penn State。版权所有

宾夕法尼亚州立大学化学工程副教授Chris Arges(中)与化学工程博士生Mahmudul Hasan(左)和Tanmay Kulkarni(右)站在一起。该团队将在宾夕法尼亚州立大学材料研究所的纳米制造实验室工作,设计和测试薄膜。来源:Kelby Hochreither/Penn State。版权所有

阿热斯说:“电流触发钠离子穿过阳离子交换膜迁移到带负电的电极上,而氯离子穿过阴离子交换膜迁移到带正电的电极上,这个过程被称为电吸附原理。”“从液体中捕获离子可以得到去电离的饮用水。”

随着越来越多的水在MCDI装置中处理,电极被盐饱和,使它们无法从水中去除足够多的盐。阿奇斯说,在这一点上,电极可以通过减慢水流和翻转电池的极性来再生。

宾夕法尼亚州立大学的研究人员将制造具有不同表面图案几何形状和大小的膜,用于膜电容去电离。左边是完整的膜,右边是在电子显微镜下看到的部分膜。这种小井可以将钠和氯离子从不洁净的水中过滤出来。版权所有

宾夕法尼亚州立大学的研究人员将制造具有不同表面图案几何形状和大小的膜,用于膜电容去电离。左边是完整的膜,右边是在电子显微镜下看到的部分膜。这种小井可以将钠和氯离子从不洁净的水中过滤出来。版权所有

阿奇斯说:“这一过程会浪费一些水,但它也会产生电能,这些电能可以回收并应用到下一个脱盐循环中,以降低整体能源负担。”“这使得MDCI能够保持节能。”

为了改善MDCI在更浓缩的水源上的效果,Arges和他的团队将重新设计MCDI中使用的电化学电池模块。使用来自奈米制造实验室宾夕法尼亚州立材料研究所在美国,研究人员将在膜表面以连锁模式制造微观孔。这增加了膜和电极之间的界面面积,改善了接触,减少了钠离子和氯离子穿越膜-电极界面所需的距离。

Mahmudul Hasan是一名化学工程博士生,他正在从膜电容去电离装置中收集纯净水样本。来源:Kelby Hochreither/Penn State。版权所有

Mahmudul Hasan是一名化学工程博士生,他正在从膜电容去电离装置中收集纯净水样本。来源:Kelby Hochreither/Penn State。版权所有

此外,孔使电极材料能够储存更多的钠离子和氯离子。这使得用户可以在再生之前更长的时间内净化水。Arges说,如果成功的话,改良的MCDI装置不仅可以净化地下水和微咸水,还可以净化海水。

在之前的研究中, Arges和他的团队成功地使用了类似的膜模式,从双极性膜中的水分离水合氢离子和氢氧根离子,在电解池中制造氧和氢。

Arges说:“由于这项拨款提议的方法在过去为我们工作,我们相信增加的界面面积将减少离子传输阻力,导致更多的清洁水。”


作者简介:宾夕法尼亚州立大学的Mariah Chuprinski说