Jednym przyciskiem zamienisz wodę morską w wodę pitną

Reklama

wt., 05/10/2022 - 06:28 -- zzz

Naukowcy budują przenośną jednostkę odsalania, która wytwarza czystą, czystą wodę pitną bez potrzeby stosowania filtrów lub pomp wysokociśnieniowych.

 

Naukowcy z MIT stworzyli przenośną jednostkę odsalania, która może automatycznie usuwać jednocześnie cząsteczki i sole w celu wytworzenia wody pitnej. „To naprawdę kulminacja 10-letniej podróży, w której ja i moja grupa byliśmy”, mówi starszy autor Jongyoon Han, po prawej, na zdjęciu z siedzącym Junghyo Yoonem.

 

 

Przyjazna dla użytkownika jednostka, która waży mniej niż 10 kilogramów i nie wymaga stosowania filtrów, może być zasilana małym, przenośnym panelem słonecznym.

 

Konfiguracja obejmuje dwuetapowy proces polaryzacji stężenia jonów (ICP), w którym woda przepływa przez sześć modułów w pierwszym etapie, a następnie przez trzy w drugim etapie, po czym następuje pojedynczy proces elektrodializy.

Przenośne urządzenie nie wymaga wymiany filtrów, co znacznie ogranicza wymagania związane z długoterminową konserwacją.

Naukowcy z MIT opracowali przenośną jednostkę odsalania, ważącą mniej niż 10 kilogramów, która może usuwać cząsteczki i sole w celu wytworzenia wody pitnej.

 

Urządzenie wielkości walizki, które wymaga mniej energii do działania niż ładowarka do telefonu komórkowego, może być również napędzane małym, przenośnym panelem słonecznym, który można kupić online za około 50 USD. Automatycznie generuje wodę pitną, która przekracza standardy jakości Światowej Organizacji Zdrowia. Technologia jest umieszczona w przyjaznym dla użytkownika urządzeniu, które działa za naciśnięciem jednego przycisku.

 

W przeciwieństwie do innych przenośnych urządzeń do odsalania, które wymagają przepuszczania wody przez filtry, urządzenie to wykorzystuje energię elektryczną do usuwania cząstek z wody pitnej. Wyeliminowanie konieczności wymiany filtrów znacznie zmniejsza wymagania dotyczące długoterminowej konserwacji.

 

Mogłoby to umożliwić rozmieszczenie jednostki w odległych obszarach o bardzo ograniczonych zasobach, takich jak społeczności na małych wyspach lub na pokładach morskich statków towarowych. Mogłaby być również wykorzystywana do pomocy uchodźcom uciekającym przed klęskami żywiołowymi lub przez żołnierzy prowadzących długotrwałe operacje wojskowe.

 

„To naprawdę kulminacja 10-letniej podróży, w której ja i moja grupa byliśmy. Przez lata pracowaliśmy nad fizyką stojącą za poszczególnymi procesami odsalania, ale wrzucenie wszystkich tych postępów do pudełka, zbudowanie systemu i zademonstrowanie go w oceanie, było dla mnie naprawdę znaczącym i satysfakcjonującym doświadczeniem” – mówi starszy autor Jongyoon Han, profesor elektrotechniki i informatyki oraz inżynierii biologicznej, członek Laboratorium Badawczego Elektroniki (RLE).

 

Do Hana dołączają pierwszy autor Junghyo Yoon, naukowiec w RLE; Hyukjin J. Kwon, były postdoc; SungKu Kang, staż podoktorski na Northeastern University; oraz Eric Brack z Dowództwa Rozwoju Zdolności Bojowych Armii Stanów Zjednoczonych (DEVCOM). Wyniki badań opublikowano w Internecie w czasopiśmie Environmental Science and Technology.

 

Dostępne na rynku przenośne urządzenia do odsalania zazwyczaj wymagają pomp wysokociśnieniowych do przepychania wody przez filtry, które bardzo trudno jest miniaturyzować bez pogorszenia efektywności energetycznej urządzenia, wyjaśnia Yoon.

Zamiast tego ich jednostka opiera się na technice zwanej polaryzacją stężenia jonów (ICP), która została zapoczątkowana przez grupę Hana ponad 10 lat temu. Zamiast filtrować wodę, proces ICP stosuje pole elektryczne do membran umieszczonych nad i pod kanałem wodnym. Membrany odpychają dodatnio lub ujemnie naładowane cząstki — w tym cząsteczki soli, bakterie i wirusy — gdy przepływają obok. Naładowane cząstki są kierowane do drugiego strumienia wody, który ostatecznie jest odprowadzany.

 

Proces usuwa zarówno rozpuszczone, jak i zawieszone ciała stałe, umożliwiając przepływ czystej wody przez kanał. Ponieważ wymaga tylko pompy niskociśnieniowej, ICP zużywa mniej energii niż inne techniki.

 

Ale ICP nie zawsze usuwa wszystkie sole unoszące się w środku kanału. Dlatego naukowcy zastosowali drugi proces, znany jako elektrodializa, w celu usunięcia pozostałych jonów soli.

 

Yoon i Kang wykorzystali uczenie maszynowe, aby znaleźć idealne połączenie modułów ICP i elektrodializy. Optymalna konfiguracja obejmuje dwuetapowy proces ICP, w którym woda przepływa przez sześć modułów w pierwszym etapie, a następnie przez trzy w drugim etapie, po czym następuje pojedynczy proces elektrodializy. To zminimalizowało zużycie energii, zapewniając jednocześnie, że proces pozostaje samooczyszczający.

 

„Chociaż prawdą jest, że niektóre naładowane cząstki mogą zostać wychwycone na membranie jonowymiennej, jeśli zostaną uwięzione, po prostu odwracamy polaryzację pola elektrycznego, a naładowane cząstki można łatwo usunąć” – wyjaśnia Yoon.

 

Zmniejszyli i ułożyli moduły ICP i elektrodializy, aby poprawić ich wydajność energetyczną i umożliwić ich dopasowanie do urządzenia przenośnego. Naukowcy zaprojektowali urządzenie dla laików, z jednym przyciskiem uruchamiającym proces automatycznego odsalania i oczyszczania. Gdy poziom zasolenia i liczba cząstek zmniejszy się do określonych progów, urządzenie powiadamia użytkownika, że ​​woda nadaje się do picia.

 

Naukowcy stworzyli również aplikację na smartfony, która może sterować urządzeniem bezprzewodowo i raportować w czasie rzeczywistym dane dotyczące zużycia energii i zasolenia wody.

 

Testy na plaży

 

Po przeprowadzeniu eksperymentów laboratoryjnych z użyciem wody o różnym poziomie zasolenia i zmętnienia (zmętnienia), przetestowali urządzenie w bostońskiej Carson Beach.

 

Yoon i Kwon ustawili pudło blisko brzegu i wrzucili rurkę do wody. W ciągu około pół godziny urządzenie napełniło plastikowy kubek do picia czystą, zdatną do picia wodą.

 

„Odniósł sukces już w pierwszym biegu, co było dość ekscytujące i zaskakujące. Ale myślę, że głównym powodem, dla którego odnieśliśmy sukces, jest akumulacja tych wszystkich drobnych postępów, które poczyniliśmy po drodze”, mówi Han.

 

Uzyskana woda przekroczyła wytyczne jakościowe Światowej Organizacji Zdrowia, a urządzenie zmniejszyło ilość zawieszonych ciał stałych przynajmniej o współczynnik 10. Ich prototyp wytwarza wodę pitną z szybkością 0,3 litra na godzinę i wymaga tylko 20 watogodzin na litr .

 

„W tej chwili naciskamy na nasze badania, aby zwiększyć tempo produkcji” – mówi Yoon.

 

Jednym z największych wyzwań przy projektowaniu systemu przenośnego było zaprojektowanie intuicyjnego urządzenia, z którego mógł korzystać każdy, mówi Han.

 

Yoon ma nadzieję, że urządzenie stanie się bardziej przyjazne dla użytkownika i poprawi jego efektywność energetyczną oraz tempo produkcji poprzez start-up, który planuje uruchomić w celu komercjalizacji technologii.

W laboratorium Han chce zastosować lekcje, których nauczył się w ciągu ostatniej dekady, do problemów z jakością wody, które wykraczają poza odsalanie, takich jak szybkie wykrywanie zanieczyszczeń w wodzie pitnej.

„To zdecydowanie ekscytujący projekt i jestem dumny z postępów, jakie osiągnęliśmy do tej pory, ale wciąż jest wiele do zrobienia” – mówi.

Na przykład, chociaż „rozwój przenośnych systemów wykorzystujących procesy elektromembranowe jest oryginalnym i ekscytującym kierunkiem w odsalaniu na małą skalę poza siecią”, skutki zanieczyszczenia, zwłaszcza jeśli woda ma wysoką mętność, mogą znacznie zwiększyć wymagania konserwacyjne i koszty energii, zauważa Nidal Hilal, profesor inżynierii i dyrektor centrum badawczego New York University Abu Dhabi Water, który nie był zaangażowany w te badania.

 

„Kolejnym ograniczeniem jest stosowanie drogich materiałów” – dodaje. „Ciekawie byłoby zobaczyć podobne systemy z tanimi materiałami”.

Badania zostały częściowo sfinansowane przez DEVCOM Soldier Center, Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J-WAFS), Experimental AI Postdoc Fellowship Program z Northeastern University oraz Roux AI Institute.

Autor: 
zzz
Źródło: 

news.mit.edu

video: 

Reklama