Under de senaste åren, University of Illinois-forskaren Kyle Smith har bevisat sin växande expertis inom området för avsaltning av vatten, med en rad forskningsresultat som skulle kunna ta itu med det omedelbara behovet av att bekämpa minskande rena vattenkällor runt om i världen.

Nu, med en ny publikation och nytt forskningsprojekt finansierat av National Science Foundation, han fortsätter att bygga vidare på sitt mycket berömda arbete med att utveckla nya metoder för att avjonisera saltvatten.

Pappret, "Effekten av ledande tillsatser på transportegenskaperna hos porösa genomströmningselektroder med isolerande partiklar och deras optimering för faradaisk avjonisering, " publicerades denna vecka i Vattenforskning , visat lovande resultat för energieffektiv avsaltning av alternativa vattenresurser. Smiths senaste verk, med sin doktorand Erik Reale i spetsen, involverar avjoniseringsanordningar som reversibelt kan lagra och frigöra katjoner med hjälp av interkaleringsmaterial, en klass av material som vanligtvis används för uppladdningsbara batterier. Detta arbete tar särskilt upp utmaningen att cykla interkaleringsmaterial med snabba elektronhastigheter, Jon, och vätsketransport, funktioner som är svåra att uppnå samtidigt i ett enda system.

Hans team tillverkade optimerade elektroder som innehöll isolerande Prussian Blue-analogpartiklar, och använde dem i en experimentell katjoninterkalationsavsaltning (CID) cell med symmetriska elektroder. De bevittnade resultat av en nästan 10-faldig ökning av saltborttagningshastigheten vid liknande energiförbrukningsnivåer som tidigare CID-demonstrationer.

"Höga saltavskiljningshastigheter behövs i elektrokemiska vattenbehandlingsanordningar eftersom mindre enheter kan konstrueras för att uppnå samma totala produktion av behandlat vatten om salt kan avlägsnas snabbare. Efter den tankegången, kapitalkostnaden för att bygga ett system kommer att vara lägre för en fast vattenproduktivitetsnivå, sa Smith.

I sitt nya treåriga NSF-finansierade forskningsprojekt, "Möjliggör minimal avsaltning av saltlakeutsläpp med hjälp av interkaleringsreaktioner, " Smith kommer att använda batterimaterial för att övervinna begränsningen i volymen av avfallssaltlösning som produceras under avsaltning av vatten med omvänd osmos (RO). Bortskaffande av saltlake har stora miljömässiga hållbarhetsfrågor, inklusive ökade jordbävningar när de injiceras i jorden och fara för vattenlevande ekosystem när de kastas i vattendrag. Medan generering av RO-saltlösning dikteras av den tryckdrivande kraft som används (och därmed medför mekaniska begränsningar), Smith planerar att använda elektriska fält för att koncentrera saltjoner, som, han föreslår, kunde koncentrera salter till nivåer nära mättnad i lösning.

University of Illinois rapporterade tidigare, under 2016, att Smith hade upptäckt att tekniken som laddar batterier för elektroniska apparater kunde ge färskvatten från salta hav. Han utvecklade en ny anordning - ett saltvattenfyllt batteri med elektricitet som rinner igenom det - som avjoniserade vatten med minsta möjliga mängd energi vid den tiden. Detta arbete fick en plats på listan över de 10 mest lästa artiklarna från Journal of the Electrochemical Society år 2016.

Bara ett år senare, under 2017, Smith och hans team tog saltvattenavsaltningen ett steg längre, fokusera på nya material för att förbättra processens ekonomiska lönsamhet och energieffektivitet i samarbete med Wetsus, European Centre of Excellence for Water Technology. De skapade en batteriliknande enhet som använder elektroder gjorda av ett material som kunde ta bort inte bara natriumjoner utan även kalium, kalcium, magnesium, och andra – en viktig teknisk förbättring eftersom saltvatten och bräckt vatten ofta innehåller en blandning av andra salter som kalium, kalcium, och manganklorid. Detta arbete publicerades i tidskriften Electrochimica Acta .

Det aktuella experimentella arbetet följer också arbete publicerat av Smith och hans elever med hjälp av beräkningsmodellering av elektrokemisk transport för att vägleda designen av batteribaserade avsaltningsceller. Deras grupp har också nyligen använt kvantmekanisk modellering, kombinerat med experiment och termodynamisk analys, att förstå hur batterimaterialen som används i deras avsaltningsceller absorberar natrium, samt magnesium och kalcium, på atomär skala.

På senare tid, Smith vann 2018 ISE-Elsevier Prize for Applied Electrochemistry – ett erkännande helt baserat på hans matematiska modellering av batteribaserade avsaltningsanordningar, litiumjonbatterier, och flödesbatterier.