Negli ultimi anni, Il ricercatore dell'Università dell'Illinois Kyle Smith ha dimostrato la sua crescente esperienza nel campo della desalinizzazione dell'acqua, con una serie di risultati di ricerca che potrebbero rispondere alla necessità immediata di combattere la diminuzione delle fonti di acqua pulita in tutto il mondo.

Ora, con una nuova pubblicazione e un nuovo progetto di ricerca finanziato dalla National Science Foundation, continua a costruire sul suo apprezzato lavoro per sviluppare nuovi metodi di deionizzazione dell'acqua salata.

La carta, "Effetto degli additivi conduttivi sulle proprietà di trasporto di elettrodi porosi a flusso passante con particelle isolanti e loro ottimizzazione per la deionizzazione faradaica, " pubblicato questa settimana in Ricerca sull'acqua , hanno dimostrato risultati promettenti per la desalinizzazione energeticamente efficiente di risorse idriche alternative. L'ultimo lavoro di Smith, guidato dal suo dottorando Erik Reale, coinvolge dispositivi di deionizzazione in grado di immagazzinare e rilasciare cationi in modo reversibile utilizzando materiali di intercalazione, una classe di materiali comunemente usati per le batterie ricaricabili. Questo lavoro in particolare affronta la sfida dei materiali di intercalazione ciclica con velocità elevate di elettroni, ione, e trasporto di fluidi, caratteristiche difficili da ottenere contemporaneamente in un unico sistema.

Il suo team ha fabbricato elettrodi ottimizzati contenenti particelle analoghe del blu di Prussia isolanti, e li ha usati in una cella sperimentale di desalinizzazione con intercalazione cationica (CID) con elettrodi simmetrici. Hanno assistito a risultati di un aumento di quasi 10 volte del tasso di rimozione del sale a livelli di consumo energetico simili alle precedenti dimostrazioni CID.

"Nei dispositivi di trattamento elettrochimico dell'acqua sono necessarie elevate velocità di rimozione del sale perché è possibile costruire unità più piccole per ottenere la stessa produzione totale di acqua trattata se il sale può essere rimosso più velocemente. Seguendo questa linea di pensiero, il costo del capitale per costruire un sistema sarà inferiore per un livello fisso di produttività dell'acqua, " ha detto Smith.

Nel suo nuovo progetto di ricerca triennale finanziato dal NSF, "Abilitazione della desalinizzazione con scarico della salamoia minimo utilizzando reazioni di intercalazione, " Smith utilizzerà i materiali delle batterie per superare la limitazione del volume di salamoia di scarto prodotta durante la desalinizzazione dell'acqua mediante osmosi inversa (RO). Lo smaltimento della salamoia presenta importanti problemi di sostenibilità ambientale, compreso l'aumento dei terremoti quando viene iniettato nella terra e il pericolo per gli ecosistemi acquatici quando viene smaltito in corpi idrici. Mentre la generazione di salamoia RO è dettata dalla forza motrice della pressione utilizzata (e quindi impone limitazioni meccaniche), Smith prevede di utilizzare campi elettrici per concentrare gli ioni di sale, quale, lui propone, potrebbe concentrare i sali a livelli prossimi alla saturazione in soluzione.

L'Università dell'Illinois ha precedentemente riferito, nel 2016, che Smith aveva scoperto che la tecnologia che carica le batterie per i dispositivi elettronici potrebbe fornire acqua dolce dai mari salati. Ha sviluppato un nuovo dispositivo, una batteria piena di acqua salata attraversata da elettricità, che deionizza l'acqua utilizzando la minor quantità di energia possibile in quel momento. Questo lavoro si è guadagnato un posto nella lista dei 10 articoli più letti dal Giornale della Società Elettrochimica nel 2016.

Solo un anno dopo, nel 2017, Smith e il suo team hanno fatto un ulteriore passo avanti nella desalinizzazione dell'acqua salata, concentrandosi su nuovi materiali per migliorare la fattibilità economica e l'efficienza energetica del processo in collaborazione con Wetsus, il Centro Europeo di Eccellenza per la Tecnologia dell'Acqua. Hanno creato un dispositivo simile a una batteria che utilizza elettrodi realizzati con un materiale in grado di rimuovere non solo gli ioni sodio ma anche il potassio, calcio, magnesio, e altri:un importante miglioramento tecnologico perché l'acqua salata e salmastra spesso contiene una miscela di altri sali come il potassio, calcio, e cloruro di manganese. Questo lavoro è stato pubblicato sulla rivista Electrochimica Acta .

Il presente lavoro sperimentale segue anche il lavoro pubblicato da Smith e dai suoi studenti che utilizzano la modellazione computazionale del trasporto elettrochimico per guidare la progettazione di celle di desalinizzazione basate su batterie. Il loro gruppo ha anche recentemente utilizzato la modellazione della meccanica quantistica, combinato con esperimenti e analisi termodinamiche, per capire come i materiali delle batterie utilizzati nelle loro celle di desalinizzazione assorbono il sodio, così come magnesio e calcio, su scala atomica.

Più recentemente, Smith ha vinto il premio ISE-Elsevier 2018 per l'elettrochimica applicata, un riconoscimento basato interamente sulla sua modellizzazione matematica di dispositivi di desalinizzazione a batteria, batterie agli ioni di litio, e batterie di flusso.