Koska suolaisen veden tunkeutuminen uhkaa makean veden lähteitä, tutkijat Kalifornian yliopistosta Santa Cruzissa tutkivat, kuinka uusi elektrodin rakenne voi auttaa tuottamaan juomavettä vähemmällä energialla ja ympäristöystävällisellä tavalla.
Sisällysluettelo
3D-tulostuksen kehitys on avannut uusia mahdollisuuksia taistella juomaveden puutetta vastaan rannikkoalueilla , joissa suolaisen veden tunkeutuminen pohjavesikerroksiin on kasvava uhka.
Tutkijat Kalifornian yliopistosta Santa Cruzissa (UC Santa Cruz) ovat kehittäneet 3D-tulostimella tulostetun prototyypin suolanpoistolaitteesta, joka lupaa muuttaa veden saatavuuden ilmastonmuutoksen vaikutuksista kärsivissä yhteisöissä tarjoamalla tehokkaan ja kestävän vaihtoehdon perinteisille menetelmille.
Merenpinnan nousu ja pitkittyneet kuivuudet, joita ilmastonmuutos on pahentanut, ovat lisänneet makean veden puutetta monissa rannikkoalueilla . Kaliforniassa veden kysyntä ylittää usein tarjonnan, ja suolaisen veden tunkeutuminen uhkaa tehdä juomaveden lähteistä käyttökelvottomia.
Tässä tilanteessa professori Yata Li johtama tiimi Kalifornian yliopiston kemian ja biokemian laitokselta Santa Cruzissa keskittyi kehittämään uusia ratkaisuja haavoittuvien alueiden vesihuollon turvaamiseksi.
Kapasiteettideionisaatio: energiatehokkuus ja tarkkuus
Li-ryhmän luoma prototyyppi käyttää 3D-tulostusta kapasiteettideionisaatioon perustuvan suolanpoistolaitteen valmistamiseen. Kapasiteettideionisaatio on erittäin tehokas sähkökemiallinen tekniikka suolaisen veden puhdistamiseen.
Toisin kuin käänteisosmoosi, perinteinen menetelmä, joka käyttää puoliläpäiseviä kalvoja ja vaatii paljon energiaa, kapasitiivinen deionisaatio poistaa suolat varautuneiden elektrodien avulla.
”Yleisin tapa poistaa suolat vedestä on käänteisosmoosi, jossa puoliläpäisevä kalvo suodattaa kaikki suolat ja tuottaa puhdasta vettä. Tämä prosessi vaatii paljon energiaa veden pumppaamiseen kalvojen läpi, ja nämä kalvot ovat yleensä erittäin kalliita”, Li selitti Kalifornian yliopistolle Santa Cruzissa.
Sen sijaan kapasitiivinen deionisaatio toimii syöttämällä jännitettä kahteen elektrodiin . Kun suolavesi kiertää niiden välillä, positiiviset ionit vetäytyvät negatiiviseen elektrodiin ja negatiiviset positiiviseen, absorboituvat sähköiseen pintaan ja päästävät suolasta puhdistetun veden kulkemaan niiden läpi .
Tämä prosessi voidaan toistaa, kunnes haluttu puhtaustaso on saavutettu, ja koska se on käännettävä, pidätetyt ionit voidaan vapauttaa materiaalin uudelleenkäyttöä varten. Li selitti, että ”kapasitiivinen deionisaatio puolestaan poistaa suolat varattujen elektrodien avulla membraanien sijaan”.
Nykyaikaiset materiaalit ja kestävän käytön näkymät
Kalifornian yliopiston Santa Cruzin kampuksen tutkijaryhmä on kehittänyt johtavia hiilimateriaaleja, joilla on hierarkkinen ja huokoinen rakenne ja jotka voivat saavuttaa 3000 neliömetrin pinta-alan grammaa kohti , mikä vastaa kuutta tai seitsemää koripallokenttää grammaa kohti . Tällainen suuri pinta-ala mahdollistaa merkittävien suolamäärien absorboimisen pienessä tilavuudessa.
Lisäksi elektrodien välinen etäisyys on ratkaisevan tärkeä: lyhyempi etäisyys lyhentää ionien siirtymiseen tarvittavaa aikaa ja parantaa prosessin tehokkuutta.
Tämän optimoimiseksi laitteeseen on sisäänrakennettu toisiinsa tunkeutuvat elektrodit, joissa positiiviset ja negatiiviset navat ovat kietoutuneet toisiinsa, mikä lyhentää diffuusion etäisyyttä.
3D-tulostus oli avain tämän innovatiivisen rakenteen toteuttamiseen. Ryhmä on onnistuneesti tulostanut prototyyppejä polymeerimateriaaleista ja työskentelee näiden rakenteiden muuntamiseksi hiilikuiduksi säilyttäen samalla suuren pinta-alan.
Tavoitteena on tulostaa laite kokonaan sen sijaan, että elektrodit koottaisiin erikseen, mikä varmistaa järjestelmän skaalautuvuuden ja modulaarisuuden . ”Kehitämme myös 3D-tulostustekniikkaa rakenteen parantamiseksi ja tuotannon skaalautuvuuden ja joustavuuden lisäämiseksi”, Li sanoi Kalifornian yliopiston Santa Cruzissa julkaisemissa lausunnoissa.
Tämä järjestelmä on kehitetty erityisesti suolaisen veden puhdistamiseen, jonka suolapitoisuus on alhaisempi kuin meriveden. Tämä mahdollistaa energiankulutuksen vähentämisen ja prosessin tehokkuuden parantamisen alueilla, joilla suolaveden tunkeutuminen vaikuttaa rannikon pohjavesikerroksiin .
Kun laite on tiivistänyt suolan meriveden tasolle, liuos voidaan palauttaa mereen ilman merkittävää vaikutusta ympäristöön . Prosessi takaa jatkuvan ja ympäristöystävällisen toiminnan, koska imeytyneet ionit vapautuvat pesuprosessin aikana, mikä helpottaa materiaalien uudelleenkäyttöä .
Vaikka kapasitiivinen deionisaatio on ollut olemassa jo jonkin aikaa, skaalautuvuus- ja suorituskykyongelmat ovat estäneet sen käytännön käyttöönoton. Kalifornian yliopiston Santa Cruzissa kehitetty lähestymistapa, joka perustuu nykyaikaisiin materiaaleihin ja 3D-tulostustekniikkaan, pyrkii voittamaan nämä esteet ja tarjoamaan ratkaisun, joka on mukautettavissa erilaisiin olosuhteisiin.
Projekti on vielä laboratorioprototyyppivaiheessa, ja sen tavoitteena on kehittää skaalautuva laite, joka pystyy suolanpoistamaan suolavettä suoraan kenttäolosuhteissa.
Yata Liin tiimi on vakuuttunut, että heidän työnsä edistää innovaatioita materiaalien ja teknologioiden kehittämisessä kestävän juomaveden saannin varmistamiseksi ja tarjoaa vastauksia nykyisiin ilmasto-ongelmiin.
