صنع الأمواج في تحلية المياه


على مدار السنوات القليلة الماضية ، أثبت باحث جامعة إلينوي كايل سميث خبرته المتنامية في مجال تحلية المياه ، مع مجموعة من نتائج البحوث التي يمكن أن تلبي الحاجة العاجلة إلى مكافحة تناقص مصادر المياه النظيفة في جميع أنحاء العالم.

الآن ، مع منشور جديد ومشروع بحثي جديد بتمويل من المؤسسة الوطنية للعلوم ، يواصل بناء على عمله المشيد به للغاية لتطوير أساليب جديدة لإزالة الماء المالح.

أظهرت الورقة التي تحمل عنوان "تأثير المضافات الموصلة على خواص النقل للتدفق عبر الأقطاب المسامية مع الجسيمات العازلة وتحسينها من أجل إزالة تأملات فاراديك" ، التي نُشرت هذا الأسبوع في أبحاث المياه ، نتائج واعدة لتحلية موارد المياه البديلة الموفرة للطاقة. يتضمن أحدث أعمال سميث ، برئاسة طالب الدكتوراه إريك ريل ، أجهزة إزالة الأيونات التي يمكن أن تخزن وتطلق الكاتيونات بصورة عكسية باستخدام مواد الإقحام ، وهي فئة من المواد المستخدمة عادة في البطاريات القابلة لإعادة الشحن. يعالج هذا العمل بشكل خاص التحدي المتمثل في ركوب الدراجات في مواد التقشير بمعدلات سريعة لنقل الإلكترون والأيونات والسوائل ، وهي ميزات يصعب تحقيقها في وقت واحد في نظام واحد.

قام فريقه بتصنيع أقطاب كهربائية محسّنة تحتوي على جزيئات تناظرية بروسية بلو ، واستخدمها في خلية تحلية الكاتيون (CID) التجريبية مع أقطاب متناظرة. لقد شهدوا نتائج زيادة تقارب 10 أضعاف في معدل إزالة الملح عند مستويات استهلاك الطاقة المماثلة لمظاهرات إدارة البحث الجنائي السابقة.

"هناك حاجة إلى معدلات إزالة ملح عالية في أجهزة معالجة المياه الكهروكيميائية لأنه يمكن إنشاء وحدات أصغر لتحقيق نفس الإنتاج الكلي للمياه المعالجة إذا كان يمكن إزالة الملح بشكل أسرع. بعد هذا التفكير ، ستكون التكلفة الرأسمالية لإنشاء نظام أقل وقال سميث للحصول على مستوى ثابت إنتاجية المياه.

في مشروعه البحثي الجديد الممول من NSF والذي يمتد لثلاث سنوات ، وهو "تمكين تحلية المياه المالحة بأقل كمية ممكنة باستخدام تفاعلات Intercalation" ، يستخدم سميث مواد البطارية للتغلب على قيود حجم محلول ملحي يتم إنتاجه أثناء تحلية المياه باستخدام التناضح العكسي (RO) ). ينطوي التخلص من محلول ملحي على مشاكل استدامة بيئية كبيرة ، بما في ذلك الزلازل المتزايدة عند حقنها في الأرض وخطر على النظم الإيكولوجية المائية عند التخلص منها في المسطحات المائية. في حين تملي توليد محلول ملحي RO بواسطة القوة الدافعة للضغط المستخدمة (وبالتالي تفرض قيودًا ميكانيكية) ، يخطط سميث لاستخدام الحقول الكهربائية لتركيز أيونات الملح ، والتي يقترح ، يمكن أن تركز الأملاح إلى مستويات قريبة من التشبع في المحلول.

ذكرت جامعة إلينوي سابقًا ، في عام 2016 ، أن سميث قد اكتشف التكنولوجيا التي تشحن بطاريات الأجهزة الإلكترونية ويمكن أن توفر المياه العذبة من البحار المالحة. لقد طور جهازًا جديدًا - بطارية مملوءة بالمياه المالحة مزودة بالكهرباء التي تمر من خلالها - قام بإزالة الماء منزوع الأيونات باستخدام أقل كمية ممكنة من الطاقة في ذلك الوقت. حصل هذا العمل على مكانة في قائمة أفضل 10 المقالات الأكثر قراءة من مجلة الجمعية الكهروكيميائية في عام 2016.

بعد عام واحد فقط ، في عام 2017 ، اتخذ سميث وفريقه تحلية المياه المالحة خطوة إلى الأمام ، حيث ركزوا على مواد جديدة لتحسين الجدوى الاقتصادية وكفاءة استخدام الطاقة في العملية بالتعاون مع Wetsus ، المركز الأوروبي للتميز في تكنولوجيا المياه. لقد ابتكروا جهازًا يشبه البطارية يستخدم أقطابًا مصنوعة من مادة يمكن أن تزيل ليس فقط أيونات الصوديوم ولكن أيضًا البوتاسيوم والكالسيوم والمغنيسيوم وغيرها - وهو تحسن تكنولوجي مهم لأن المياه المالحة والمياه المالحة تحتوي في كثير من الأحيان على مزيج من الأملاح الأخرى مثل البوتاسيوم والكالسيوم وكلوريد المنغنيز. نُشر هذا العمل في مجلة Electrochimica Acta.

يتبع العمل التجريبي الحالي أيضًا العمل الذي نشره سميث وطلابه باستخدام النمذجة الحاسوبية للنقل الكهروكيميائي لتوجيه تصميم خلايا تحلية المياه القائمة على البطارية. واستخدمت مجموعتهم مؤخرًا النمذجة الميكانيكية الكمومية ، جنبًا إلى جنب مع التجارب والتحليل الديناميكي الحراري ، لفهم كيف تمتص مواد البطارية المستخدمة في خلايا تحلية المياه الصوديوم ، وكذلك المغنيسيوم والكالسيوم ، على المستوى الذري.

في الآونة الأخيرة ، حصل سميث على جائزة ISE-Elsevier لعام 2018 للكيمياء الإلكترونية التطبيقية - وهو تقدير يعتمد بالكامل على نمذجه الرياضي لأجهزة تحلية المياه القائمة على البطاريات وبطاريات الليثيوم أيون وبطاريات التدفق.

شارك المقالة عبر:

اترك تعليقا: