Penn State-forskare kommer att tillverka membran med olika ytmönstergeometrier och storlekar för användning i membrankapacitiv avjonisering. Hela membranet ses till vänster och till höger ses en del av membranet under ett elektronmikroskop. De små brunnarna tillåter att natrium- och kloridjoner filtreras bort från orent vatten. Kredit:Arges Lab/Penn State
Medan de är på uppdrag utan tillgång till rent vatten står amerikanska marinsoldater inför utmaningen att skaffa och lagra tillräckligt med dricksvatten för att upprätthålla dem. Penn State forskare, ledda av Chris Arges, Penn State docent i kemiteknik, arbetar mot ett realistiskt reningsalternativ som är bärbart, lätt och lätt att använda.
Han och co-rektor utredare Christopher Gorski, Penn State docent i civil- och miljöteknik, försöker främja en vattenreningsmetod, känd som membrankapacitiv avjonisering (MCDI).
"Även om huvuddelen av den globala avsaltningen använder en process som kallas omvänd osmos vid centraliserade produktionsanläggningar, är den inte lämplig för militära team, eftersom den kräver högtrycksrör och hårdvara och är svår att använda på fältet," sa Arges. "MCDI, å andra sidan, är effektivt, mobilt och energieffektivt."
Stimulerad av batteri- eller soldriven elektricitet, använder MCDI jonbytesmembran och porösa elektroder för att separera joner, såsom natrium och klorid, från vatten. Enligt Arges är metoden effektiv för grund- eller bräckvatten men misslyckas med att tillräckligt rena mer högkoncentrerade vattenkällor, som havsvatten.
"Elektriciteten utlöser natriumjonerna att migrera över katjonbytarmembranet till en negativt laddad elektrod, medan kloridjoner migrerar över anjonbytarmembranet till en positivt laddad elektrod, en process som är känd som principen för elektrosorption," sa Arges. "Att fånga jonerna från vätskan leder till avjoniserat drickbart vatten."
När mer och mer vatten behandlas i MCDI-enheten blir elektroderna mättade med salt, vilket gör att de inte kan ta bort så mycket salt från vattnet. Vid den tidpunkten, sa Arges, kan elektroderna regenereras genom att sakta ner vattenflödet och vända cellens polaritet.
"Detta steg i processen slösar bort en del av vattnet men det producerar också elektrisk energi som kan återvinnas och appliceras till nästa avsaltningscykel för att sänka den totala energibördan," sa Arges. "Detta gör att MDCI kan förbli energieffektivt."
För att förbättra MDCI:s effekt på mer koncentrerade vattenkällor kommer Arges och hans team att designa om den elektrokemiska cellmodulen som används i MCDI. Med verktyg från Nanofabrication Lab i Penn State Materials Research Institute kommer forskarna att tillverka mikroskopiska brunnar i ett sammankopplande mönster på membranytan. Detta ökar gränsytan mellan membranet och elektroderna, förbättrar kontakten och minskar det avstånd som natrium- och kloridjoner behöver resa för att korsa gränsytan mellan membran och elektrod.
Dessutom gör brunnarna det möjligt för elektrodmaterialet att lagra mer natrium- och kloridjoner. Detta gör det möjligt för användare att rena vatten under längre perioder innan de tillgriper regenerering. Om den lyckas kan den förbättrade MCDI-enheten rena inte bara mark- och bräckvatten, utan även havsvatten, sa Arges.
I tidigare forskning har Arges och hans team framgångsrikt använt liknande membranmönster för att separera hydronium- och hydroxidjoner från vatten i bipolära membran för att göra syre och väte i en elektrolyscell.
"Vi tror att den ökade gränsytan kommer att minska jontransportmotståndet, vilket leder till renare vatten i större mängder," sa Arges. + Utforska vidare
