En enhet som tar ett nytt tillvägagångssätt för att ta bort salt från vatten har utvecklats i Bath, banar väg för små, soldrivna avsaltningsenheter

Forskare vid University of Bath har utvecklat en revolutionerande avsaltningsprocess som har potential att drivas i mobil, solcellsdrivna enheter.

Processen är låg kostnad, låg energi och lågt underhåll, och har potential att ge säkert vatten till samhällen i avlägsna och katastrofdrabbade områden där färskvatten är en bristvara.

Utvecklad av universitetets vatteninnovations- och forskningscenter i samarbete med Indonesiens Bogor Agricultural University och University of Johannesburg, prototypen av avsaltningsenheten är ett 3-D-tryckt system med två inre kammare utformade för att extrahera och/eller ackumulera salt. När ström tillförs, saltkatjoner (positivt laddade joner) och saltanjoner (negativt laddade joner) strömmar mellan kamrarna genom uppsättningar av mikrohål i ett tunt syntetiskt membran. Flödet kan bara ske i en riktning tack vare en mekanism som har paralleller inom mobiltelefonteknik. Som ett resultat av detta envägsflöde, salt pumpas ut ur havsvattnet. Detta står i kontrast till den klassiska avsaltningsprocessen, där vatten snarare än salt pumpas genom ett membran.

Avsaltning, som förvandlar havsvatten till sötvatten, har blivit en viktig process för att tillhandahålla dricks- och bevattningsvatten där sötvatten är knappt. Traditionellt, det har varit en energikrävande process som genomförts i stora industrianläggningar.

Professor Frank Marken från Institutionen för kemi sa:"Det finns tillfällen då det skulle vara enormt fördelaktigt att installera små, soldrivna avsaltningsenheter för att betjäna ett litet antal hushåll. Stora industriella vattenanläggningar är nödvändiga för att leva på 2000-talet, men de är inte till någon hjälp när du bor på en avlägsen plats där dricksvatten är ont om, eller där det finns en kustkatastrof som utplånar färskvattenförsörjningen."

Baths avsaltningssystemet är baserat på 'jonik, " där en katjonisk diod (en negativt laddad, halvgenomsläppligt membran besatt med mikroskopiska porer) kombineras med ett anjoniskt motstånd (en anordning som endast tillåter flöde av negativa joner när ström appliceras).

"Det här är en helt ny process för att ta bort salt från vatten, "sade prof Marken." Vi är de första människorna som använder små mikrodioder i en avsaltningsprototyp. "

Han tillade:"Detta är ett lågenergisystem utan rörliga delar. Andra system använder enorma tryck för att driva vattnet genom nanoporer, men vi tar bara bort salterna. Mest spännande, de externa pumparna och omkopplarna kan ersättas av mikroskopiska processer inuti membranet - lite som att biologiska membran fungerar. "

En annan fördel med Baths avsaltningsenhet är att den också tillåter den motsatta processen - uppkoncentrationen av salt - och därigenom minimerar avfallet. Det separerade saltet kan kristalliseras och sedan användas, potentiellt som kosttillskott eller avisningsmedel. De flesta andra avsaltningsprocesser pumpar salt i form av saltlake tillbaka i havet, oroande det marina ekosystemet.

Allt går bra, Prof Marken tror att hans avdelning kan bygga ut en fungerande mobil avsaltningsenhet inom fem år. Först, dock, teamet måste hitta mer robusta material samt samarbetspartners för att hjälpa till att förfina uppfinningen och skala upp den. Prototypen som är proof-of-concept kan för närvarande ta bort 50 % av saltet från ett saltvattenprov, men för att göra havsvatten drickbart, salthalten måste minskas med 90 %.

Budi Riza Putra, kemi Ph.D. student som ledde projektet, sa:"Vi måste hitta nya och bättre porösa material som kan pumpa joner. Membrantjocklek, porantal och pordiameter måste alla optimeras. Vi hoppas kunna hitta materialexperter som kan hjälpa oss med detta. "

I sin strävan att hitta nya membran, forskarna har riktat sin uppmärksamhet mot biologiska material. Tillsammans med Dr. Katarzyna Szot-Karpińska och hennes grupp vid den polska vetenskapsakademin i Warszawa, de tror att de är de första forskarna som framgångsrikt använder bakteriofager (virus som infekterar och replikerar i bakterier) för att skapa en film som kan separera salt från vatten.

"Vår bakteriofag (som heter M13) ser ut som spagetti men är en miljon gånger mindre, " förklarar herr Riza Putra. "Om vi ​​gör förhållandena lite sura, nanospagettisträngarna håller ihop, skapa en tunn film med små hål. När vi testade detta material som ett membran för avsaltning, vi fann att det fungerade – det började fungera som en diod, pumpar joner bara i en riktning."

Han tillade:"Före oss, ingen tänkte på att använda virus som membran för avsaltning av vatten. "

Dock, medan M13 visar potential som en membranpump för avsaltning av vatten, det är inte perfekt. "Substratet sönderfaller när saltkoncentrationerna stiger och vid neutralt pH, " förklarar prof Marken. "Så, antingen hittar vi ett sätt att förbättra semipermeabiliteten hos bakteriofagmaterialet eller så måste vi hitta andra, mer robusta joniska diodmembranalternativ."