为了实现更有效的海水淡化，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类似电池的电极内部添加微通道——一种常用于艺术的强烈蓝色颜料，还具有特殊的化学性质——研究人员将海水淡化程度提高了五倍，达到了盐度水平低于淡水阈值。
这项由伊利诺伊大学香槟分校机械工程和科学教授凯尔史密斯和研究生 Vu Do 领导的研究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、能量转换和储存、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。
“在之前的工作中，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种类外，系统的配置也很重要。”
研究人员表示，普鲁士蓝模拟材料通过在颜料的晶体结构中抓住带正电的离子(如钠)来发挥作用。然而，它可能会变成有点像陷阱的结构，离子很容易进入，但会被困在电极内部带电的分子级微小孔隙空间的迷宫中。该团队发现，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影响。
通过在 5 厘米大小的电极上雕刻多个 100 微米宽的通道(大约相当于人头发的宽度)，研究人员可以为液体提供一条清晰的通道，而不会失去从电极中提取盐离子的能力水，研究人员说。
研究人员说，用于这项研究的装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。
“用于资助这项研究的海军赠款的目标是每小时淡化两到四加仑的海水——使用柴油作为动力源——提供一种便携式设备，为小型远征部队的供水，”史密斯说。“当然，我们小组对这些类似电池的设备的更广泛应用很感兴趣，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，当你适当地整合它时，系统的流体力学对于充分利用优质材料非常重要。”
标签：