När befolkningen växer och kroniska torka kvarstår, Kuststäder som Carlsbad i södra Kalifornien har i allt högre grad vänt sig till avsaltning av havet för att komplettera en krympande färskvattenförsörjning. Nu har forskare vid Department of Energys Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) som undersöker hur man kan göra avsaltning billigare träffat på lovande designregler för att göra så kallade "termiskt känsliga" joniska vätskor för att separera vatten från salt.

Joniska vätskor är ett flytande salt som binder till vatten, vilket gör dem användbara i framåt osmos för att separera föroreningar från vatten. (Se Berkeley Lab Q&A, "Moving Forward on Desalination") Ännu bättre är termiskt känsliga joniska vätskor eftersom de använder termisk energi snarare än elektricitet, som krävs vid konventionell avsaltning av omvänd osmos (RO) för separationen. Den nya Berkeley Lab -studien, publicerades nyligen i tidskriften Naturkommunikationskemi , studerat de kemiska strukturerna hos flera typer av jonisk vätska/vatten för att avgöra vilket "recept" som skulle fungera bäst.

"Den nuvarande state-of-the-art inom RO-avsaltning fungerar mycket bra, men kostnaden för RO-avsaltning som drivs av el är oöverkomlig, sa Robert Kostecki, medförfattare till studien. "Vår studie visar att användningen av "gratis" lågkostnadsvärme – såsom geotermisk eller solvärme eller industriell spillvärme som genereras av maskiner – i kombination med termiskt känsliga joniska vätskor kan kompensera en stor del av kostnaderna som går till nuvarande RO-avsaltningstekniker som enbart är beroende av el."

Kostecki, biträdande direktör för divisionen Energy Storage and Distributed Resources (ESDR) i Berkeley Labs Energy Technologies Area, samarbetat med medkorrespondent författare Jeff Urban, en anställd forskare vid Berkeley Labs Molecular Foundry, att undersöka beteendet hos joniska vätskor i vatten på molekylär nivå.

Med hjälp av kärnmagnetisk resonansspektroskopi och dynamisk ljusspridning tillhandahållen av forskare vid ESDR-avdelningen, samt simuleringstekniker för molekylär dynamik vid Molecular Foundry, laget gjorde ett oväntat fynd.

Man trodde länge att en effektiv jonisk vätskeseparation förlitade sig på det totala förhållandet mellan organiska komponenter (delar av den joniska vätskan som varken är positivt eller negativt laddade) och dess positivt laddade joner, förklarade Urban. Men Berkeley Lab-teamet lärde sig att antalet vattenmolekyler en jonisk vätska kan separera från havsvatten beror på närheten av dess organiska komponenter till dess positivt laddade joner.

"Detta resultat var helt oväntat, " sa Urban. "Med den, vi har nu designregler för vilka atomer i joniska vätskor som gör det hårda arbetet med avsaltning."

En decennier gammal membranbaserad teknik för omvänd osmos som ursprungligen utvecklades vid UCLA på 1950-talet, upplever ett återupplivande — för närvarande finns det 11 avsaltningsanläggningar i Kalifornien, och fler har föreslagits. Berkeley Lab-forskare, genom Water-Energy Resilience Research Institute, eftersträvar en rad olika tekniker för att förbättra tillförlitligheten hos det amerikanska vattensystemet, inklusive avancerad vattenbehandlingsteknik som avsaltning.

Eftersom framåt osmos använder värme istället för elektricitet, den termiska energin kan tillhandahållas av förnybara källor som jordvärme och solenergi eller industriell lågvärdig värme.

"Vår studie är ett viktigt steg mot att sänka kostnaderna för avsaltning, ", tillade Kostecki. "Det är också ett bra exempel på vad som är möjligt i det nationella labbsystemet, där tvärvetenskapliga samarbeten mellan grundvetenskap och tillämpad vetenskap kan leda till kreativa lösningar på svåra problem till nytta för kommande generationer."

Även forskare från UC Berkeley och Idaho National Laboratory bidrog till studien. Molecular Foundry är en DOE Office of Science User Facility som specialiserar sig på vetenskap i nanoskala. Detta arbete stöddes av U.S. Department of Energy's Office of Energy Efficiency and Renewable Energy.