Durante le missioni senza accesso all'acqua pulita, i marines statunitensi affrontano la sfida di procurarsi e immagazzinare acqua potabile sufficiente per sostenerli. I ricercatori della Penn State, guidati da Chris Arges, professore associato di ingegneria chimica della Penn State, stanno lavorando per un'opzione di purificazione realistica che sia portatile, leggera e facile da usare.

Lui e il co-investigatore principale Christopher Gorski, professore associato di ingegneria civile e ambientale della Penn State, cercano di promuovere un metodo di purificazione dell'acqua, noto come deionizzazione capacitiva a membrana (MCDI).

"Sebbene la maggior parte della desalinizzazione globale utilizzi un processo noto come osmosi inversa negli impianti di produzione centralizzati, non è adatto per squadre militari, poiché richiede tubazioni e hardware ad alta pressione ed è difficile da utilizzare sul campo", ha affermato Arges. "MCDI, d'altra parte, è efficace, mobile ed efficiente dal punto di vista energetico."

Stimolato dall'elettricità a batteria o solare, MCDI utilizza membrane a scambio ionico ed elettrodi porosi per separare gli ioni, come sodio e cloruro, dall'acqua. Secondo Arges, il metodo è efficace per l'acqua sotterranea o salmastra, ma non riesce a purificare sufficientemente le fonti d'acqua più concentrate, come l'acqua di mare.

"L'elettricità fa sì che gli ioni di sodio migrino attraverso la membrana di scambio cationico verso un elettrodo caricato negativamente, mentre gli ioni cloruro migrano attraverso la membrana di scambio anionico verso un elettrodo caricato positivamente, un processo noto come il principio dell'elettroassorbimento", ha detto Arges. "Catturare gli ioni dal liquido porta all'acqua deionizzata e potabile."

Poiché nell'unità MCDI viene trattata sempre più acqua, gli elettrodi si saturano di sale, rendendoli incapaci di rimuovere tanto sale dall'acqua. A quel punto, ha detto Arges, gli elettrodi possono essere rigenerati rallentando il flusso dell'acqua e invertendo la polarità della cella.

"Questa fase del processo spreca parte dell'acqua, ma produce anche energia elettrica che può essere recuperata e applicata al successivo ciclo di desalinizzazione per ridurre il carico energetico complessivo", ha affermato Arges. "Ciò consente a MDCI di rimanere efficiente dal punto di vista energetico."

Per migliorare l'effetto di MDCI su fonti d'acqua più concentrate, Arges e il suo team riprogetteranno il modulo della cella elettrochimica utilizzato in MCDI. Con gli strumenti del Nanofabrication Lab del Penn State Materials Research Institute, i ricercatori realizzeranno pozzi microscopici in uno schema ad incastro sulla superficie della membrana. Ciò aumenta l'area interfacciale tra la membrana e gli elettrodi, migliorando il contatto e riducendo la distanza che gli ioni sodio e cloruro devono percorrere per attraversare l'interfaccia membrana-elettrodo.

Inoltre, i pozzetti consentono al materiale dell'elettrodo di immagazzinare più ioni sodio e cloruro. Ciò consente agli utenti di purificare l'acqua per periodi di tempo più lunghi prima di ricorrere alla rigenerazione. In caso di successo, l'unità MCDI migliorata potrebbe purificare non solo l'acqua terrestre e salmastra, ma anche l'acqua di mare, ha affermato Arges.

In ricerche precedenti, Arges e il suo team hanno utilizzato con successo un modello di membrana simile per separare gli ioni idronio e idrossido dall'acqua nelle membrane bipolari per produrre ossigeno e idrogeno in una cella di elettrolisi.

"Riteniamo che l'aumento dell'area interfacciale ridurrà la resistenza al trasporto ionico, portando a un'acqua più pulita in quantità maggiori", ha affermato Arges. + Esplora ulteriormente

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