Ingenieure haben einen Weg gefunden, die „toten Zonen“ des Flüssigkeitsflusses zu beseitigen, die bei den Elektrodentypen für die batteriebasierte Meerwasserentsalzung auftreten. Die neue Technik nutzt ein physikbasiertes, sich verjüngendes Strömungskanaldesign innerhalb der Elektroden, das Flüssigkeiten schnell und effizient bewegt und möglicherweise weniger Energie erfordert, als Umkehrosmosetechniken derzeit benötigen.
Technische Hürden haben die flächendeckende Einführung der Entsalzungstechnologie verhindert. Die am häufigsten verwendete Methode, die Umkehrosmose, drückt Wasser durch eine Membran, die das Salz herausfiltert, und ist kostspielig und energieintensiv. Im Gegensatz dazu nutzt die Batteriemethode Elektrizität, um geladene Salzionen aus dem Wasser zu ziehen. Dennoch ist auch Energie erforderlich, um das Wasser durch Elektroden zu drücken, die winzige, ungleichmäßige Porenräume enthalten.
„Herkömmliche Elektroden benötigen immer noch Energie, um Flüssigkeiten durchzupumpen, da sie keine inhärent strukturierten Strömungskanäle enthalten“, sagte Kyle Smith, Professor für Maschinenbau und Ingenieurwesen an der University of Illinois Urbana-Champaign, der die Studie leitete. „Durch die Schaffung von Kanälen innerhalb der Elektroden könnte die Technik jedoch weniger Energie benötigen, um das Wasser durchzudrücken, und schließlich effizienter werden als die Technik, die üblicherweise im Umkehrosmoseprozess verwendet wird.“
Smiths batteriebasierte Entsalzungstechnik baut auf jahrelangen Modellierungen und Experimenten seiner Forschungsgruppe in Illinois auf und gipfelte in einer aktuellen Studie, die den ersten Einsatz von Elektroden mit winzigen Mikrokanälen, sogenannten interdigitierten Strömungsfeldern, demonstrierte.
Die neue Studie der Gruppe bezieht auch IDFFs in Elektroden ein, aber dieses Mal ist die Kanalform konisch und nicht gerade. Die Verwendung von Elektroden mit konischen Kanälen verbesserte den Flüssigkeitsfluss – oder die Permeabilität – zwei- bis dreimal im Vergleich zu geraden Kanälen. Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Elektrochemie Acta.
„Unsere ersten Arbeiten an geraden Kanälen in Elektroden führten dazu, dass wir tote Zonen innerhalb der Elektroden entdeckten, in denen wir Druckabfälle und eine ungleichmäßige Strömungsverteilung sahen“, sagte Habib Rahman, Doktorand aus Illinois. „Um diese Herausforderung zu meistern, haben wir eine Bibliothek mit 28 verschiedenen geraden Kanälen erstellt, um mit Leitfähigkeit und Strömungsschwankungen zu experimentieren und diese zu verstehen, und haben schließlich diese Kanalverjüngungstechnik implementiert.“
Smith und Rahman gaben an, dass sie bei der Durchführung der Experimente mit einigen Herstellungsherausforderungen konfrontiert waren, insbesondere mit der Zeit, die zum Fräsen der Kanäle in die Elektroden benötigt wird, was in jedem Szenario mit größerer Produktion problematisch wäre. Smith sagte jedoch, man sei zuversichtlich, dass diese Herausforderung gemeistert werden könne.
„Über die Auswirkungen auf die elektrochemische Entsalzung hinaus können unsere Kanalverjüngungstheorie und die damit verbundenen Designprinzipien direkt auf jedes andere elektrochemische Gerät angewendet werden, das fließende Flüssigkeiten verwendet, einschließlich solcher zur Energiespeicherumwandlung und zur ökologischen Nachhaltigkeit wie Brennstoffzellen, Elektrolysezellen, Durchflussbatterien, „Kohlenstoffabscheidungsgeräte und Lithiumrückgewinnungsgeräte“, sagte Smith. „Im Gegensatz zu früheren Strategien zur Kanalverjüngung, bei denen spontane Entwürfe zum Einsatz kamen, bietet unser Ansatz hier physikalisch basierte Entwurfsrichtlinien, um einen gleichmäßigen Fluss zu erzeugen und gleichzeitig Druckverluste zu minimieren.“
Das Office of Naval Research unterstützte diese Studie. Smith, Rahman und die Co-Autoren der Studie Irwin Loud IV, Vu Do und Abdul Hamid haben Patente im Rahmen der US-Patentanmeldungen 17/980.017, 17/980.023 und 63/743.995 angemeldet.
Smith ist außerdem mit der Materialwissenschaft und -technik sowie dem Beckman Institute for Advanced Science and Technology verbunden.
