机械工程师为基于电池的海水淡化技术提供新的见解

伊利诺伊州CHAMPAIGN – 为了实现更有效的盐水脱盐，机械工程师在一项新研究中专注于流体运动而不是新材料。通过在由普鲁士蓝制成的电池状电极内部添加微通道 – 一种通常用于艺术的强烈蓝色颜料，也具有特殊的化学性质 – 研究人员将海水淡化的程度提高了非通道同行的五倍，以达到低于淡水阈值的盐度水平。

这项研究由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校机械工程和科学教授Kyle Smith和研究生Vu Do领导，使用了普鲁士蓝的化学类似物。这些发现有望应用于海水淡化、能源转换和储存、二氧化碳转化和捕获、环境修复以及资源和养分回收。

该研究发表在《能源与环境科学》杂志上。

“在以前的工作中，我们预测可以使用这种方法进行海水淡化，但没有人在实验室中验证过海水淡化，”史密斯说。“在此期间，我们了解到，除了电极中使用的特定材料类型外，系统的配置也很重要。

研究人员表示，普鲁士蓝类似物的工作原理是将带正电荷的离子（如钠）保持在颜料的晶体结构中。然而，它可以变成一种类似陷阱的结构，离子很容易进入，但被困在电极内微小的带电分子尺度孔隙空间的迷宫中。研究小组发现，他们需要使用专门的设备在流通池内执行复杂的阀门切换和电流同步，以保持连续脱盐，否则系统的效率就会受到阻碍。

研究人员说，通过将多个100微米宽的通道（大约相当于人类头发的宽度）雕刻到5厘米大小的电极上，研究人员可以为流体提供清晰的路径，而不会失去从水中拔出盐离子的能力。

研究人员说，用于这项研究的设置可以在数小时内以毫升的速度淡化实验室制备的海水，因此该团队的下一步是扩大规模。

史密斯说：“用于资助这项研究的海军拨款的目标是每小时淡化两到四加仑 – 使用柴油作为动力源 – 提供便携式设备为小型远征部队的军队供水。 “当然，我们的团队对这些类似电池的设备更广泛的应用感兴趣，但扩大规模将是实现这一目标的重要一步。

“这项研究的一个显着方面是我们提供的机械工程优势，”Do说。“在研究界，人们非常重视材料及其化学性质。但我们已经证明，当您适当地集成优质材料时，系统的流体力学对于充分利用优质材料非常重要。

史密斯研究小组成员Irwin Loud，Erik Reale和Paul Rozzi也为这项研究做出了贡献。

美国海军研究办公室，国家科学基金会和伊 利诺伊州机械科学与工程系支持这项研究。史密斯还隶属于伊利诺伊州贝克曼先进科学技术研究所。