Poiché la popolazione cresce e persistono siccità croniche, città costiere come Carlsbad, nel sud della California, si sono sempre più rivolte alla desalinizzazione degli oceani per integrare la scarsa disponibilità di acqua dolce. Ora gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia, che studiano come rendere la desalinizzazione meno costosa, hanno trovato promettenti regole di progettazione per produrre i cosiddetti liquidi ionici "termicamente sensibili" per separare l'acqua dal sale.

I liquidi ionici sono un sale liquido che si lega all'acqua, rendendoli utili nell'osmosi in avanti per separare i contaminanti dall'acqua. (Vedi Berkeley Lab Q&A, "Moving Forward on Desalination") Ancora meglio sono i liquidi ionici termicamente reattivi poiché utilizzano energia termica anziché elettricità, che è richiesta dalla dissalazione convenzionale ad osmosi inversa (RO) per la separazione. Il nuovo studio del Berkeley Lab, pubblicato di recente sulla rivista Chimica delle comunicazioni naturali , ha studiato le strutture chimiche di diversi tipi di liquido/acqua ionico per determinare quale "ricetta" avrebbe funzionato meglio.

"L'attuale stato dell'arte nella desalinizzazione RO funziona molto bene, ma il costo della desalinizzazione RO guidata dall'elettricità è proibitivo, " ha detto Robert Kostecki, autore corrispondente dello studio. "Il nostro studio mostra che l'uso di calore "gratuito" a basso costo, come il calore geotermico o solare o il calore di scarto industriale generato dalle macchine, combinato con liquidi ionici termicamente reattivi potrebbe compensare una grande frazione dei costi che vanno nelle attuali tecnologie di desalinizzazione RO che si basano esclusivamente sull'elettricità."

Kostecki, vicedirettore della divisione Energy Storage and Distributed Resources (ESDR) nell'area delle tecnologie energetiche di Berkeley Lab, ha collaborato con l'autore corrispondente Jeff Urban, uno scienziato del personale della fonderia molecolare del Berkeley Lab, studiare il comportamento dei liquidi ionici in acqua a livello molecolare.

Utilizzando la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare e la diffusione dinamica della luce fornite dai ricercatori della Divisione ESDR, nonché tecniche di simulazione di dinamica molecolare presso la Molecular Foundry, la squadra ha fatto una scoperta inaspettata.

Si è pensato a lungo che un'efficace separazione del liquido ionico si basasse sul rapporto complessivo dei componenti organici (parti del liquido ionico che non sono né caricate positivamente né negativamente) rispetto ai suoi ioni caricati positivamente, ha spiegato Urbano. Ma il team del Berkeley Lab ha appreso che il numero di molecole d'acqua che un liquido ionico può separare dall'acqua di mare dipende dalla vicinanza dei suoi componenti organici ai suoi ioni caricati positivamente.

"Questo risultato è stato del tutto inaspettato, " Urban ha detto. "Con esso, ora abbiamo regole di progettazione per le quali gli atomi nei liquidi ionici stanno facendo il duro lavoro nella desalinizzazione".

Una tecnologia di osmosi inversa basata su membrane, vecchia di decenni, originariamente sviluppata presso l'UCLA negli anni '50, sta vivendo una rinascita:attualmente ci sono 11 impianti di desalinizzazione in California, e altri sono stati proposti. Scienziati del Berkeley Lab, attraverso il Water-Energy Resilience Research Institute, stanno perseguendo una serie di tecnologie per migliorare l'affidabilità del sistema idrico degli Stati Uniti, comprese tecnologie avanzate di trattamento delle acque come la desalinizzazione.

Poiché l'osmosi in avanti utilizza il calore anziché l'elettricità, l'energia termica può essere fornita da fonti rinnovabili come geotermia e solare o calore industriale a bassa gradazione.

"Il nostro studio è un passo importante verso la riduzione dei costi di desalinizzazione, " ha aggiunto Kostecki. "È anche un ottimo esempio di ciò che è possibile nel sistema di laboratorio nazionale, dove le collaborazioni interdisciplinari tra le scienze di base e le scienze applicate possono portare a soluzioni creative a problemi difficili a beneficio delle generazioni a venire."

Hanno contribuito allo studio anche i ricercatori dell'UC Berkeley e dell'Idaho National Laboratory. La Molecular Foundry è una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE specializzata in scienza su nanoscala. Questo lavoro è stato sostenuto dall'Ufficio per l'efficienza energetica e le energie rinnovabili del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.