MIT-onderzoekers hebben een draagbare ontziltingseenheid ontwikkeld, met een gewicht van minder dan 10 kilogram, die deeltjes en zouten kan verwijderen om drinkwater te genereren.
Het apparaat ter grootte van een koffer, dat minder stroom nodig heeft om te werken dan een oplader voor een mobiele telefoon, kan ook worden aangedreven door een klein, draagbaar zonnepaneel, dat online kan worden gekocht voor ongeveer $ 50. Het genereert automatisch drinkwater dat de kwaliteitsnormen van de Wereldgezondheidsorganisatie overtreft. De technologie is verpakt in een gebruiksvriendelijk apparaat dat met één druk op de knop werkt.
In tegenstelling tot andere draagbare ontziltingseenheden waarbij water door filters moet gaan, gebruikt dit apparaat elektrische stroom om deeltjes uit drinkwater te verwijderen. Door de noodzaak voor vervangende filters te elimineren, worden de onderhoudsvereisten op de lange termijn aanzienlijk verminderd.
Hierdoor kan de eenheid worden ingezet in afgelegen en zeer schaarse gebieden, zoals gemeenschappen op kleine eilanden of aan boord van zeevarende vrachtschepen. Het kan ook worden gebruikt om vluchtelingen te helpen die op de vlucht zijn voor natuurrampen of door soldaten die langdurige militaire operaties uitvoeren.
“Dit is echt het hoogtepunt van een reis van 10 jaar die ik en mijn groep hebben doorgemaakt. We hebben jaren gewerkt aan de fysica achter individuele ontziltingsprocessen, maar al die vorderingen in een doos gestopt, een systeem gebouwd en het gedemonstreerd in de oceaan, dat was een heel zinvolle en lonende ervaring voor mij”, zegt senior auteur Jongyoon Han, hoogleraar elektrotechniek en computerwetenschappen en biologische technologie, en lid van het Research Laboratory of Electronics (RLE).
Naast Han op het papier zijn eerste auteur Junghyo Yoon, een onderzoekswetenschapper in RLE; Hyukjin J. Kwon, een voormalig postdoc; SungKu Kang, een postdoc aan de Northeastern University; en Eric Brack van het US Army Combat Capabilities Development Command (DEVCOM). Het onderzoek is online gepubliceerd in Environmental Science and Technology.
Filtervrije technologie
advertentie
In de handel verkrijgbare draagbare ontziltingseenheden hebben doorgaans hogedrukpompen nodig om water door filters te duwen, die zeer moeilijk te miniaturiseren zijn zonder afbreuk te doen aan de energie-efficiëntie van het apparaat, legt Yoon uit.
In plaats daarvan vertrouwt hun eenheid op een techniek genaamd ionenconcentratiepolarisatie (ICP), die meer dan 10 jaar geleden door de groep van Han werd ontwikkeld. In plaats van water te filteren, past het ICP-proces een elektrisch veld toe op membranen die boven en onder een waterkanaal zijn geplaatst. De membranen stoten positief of negatief geladen deeltjes af – inclusief zoutmoleculen, bacteriën en virussen – terwijl ze voorbij stromen. De geladen deeltjes worden naar een tweede waterstroom geleid die uiteindelijk wordt afgevoerd.
Het proces verwijdert zowel opgeloste als gesuspendeerde vaste stoffen, waardoor schoon water door het kanaal kan stromen. Omdat het alleen een lagedrukpomp vereist, verbruikt ICP minder energie dan andere technieken.
Maar ICP verwijdert niet altijd alle zouten die in het midden van het kanaal drijven. Dus namen de onderzoekers een tweede proces in gebruik, bekend als elektrodialyse, om resterende zoutionen te verwijderen.
Yoon en Kang gebruikten machine learning om de ideale combinatie van ICP- en elektrodialysemodules te vinden. De optimale opstelling omvat een ICP-proces in twee fasen, waarbij water door zes modules stroomt in de eerste fase en vervolgens door drie in de tweede fase, gevolgd door een enkel elektrodialyseproces. Dit minimaliseert het energieverbruik en zorgt ervoor dat het proces zelfreinigend blijft.
advertentie
“Hoewel het waar is dat sommige geladen deeltjes kunnen worden gevangen op het ionenuitwisselingsmembraan, als ze vast komen te zitten, keren we gewoon de polariteit van het elektrische veld om en kunnen de geladen deeltjes gemakkelijk worden verwijderd”, legt Yoon uit.
Ze hebben de ICP- en elektrodialysemodules gekrompen en gestapeld om hun energie-efficiëntie te verbeteren en ze in staat te stellen in een draagbaar apparaat te passen. De onderzoekers ontwierpen het apparaat voor niet-experts, met slechts één knop om het automatische ontziltings- en zuiveringsproces te starten. Zodra het zoutgehalte en het aantal deeltjes tot bepaalde drempels zijn gedaald, meldt het apparaat de gebruiker dat het water drinkbaar is.
De onderzoekers hebben ook een smartphone-app gemaakt die het apparaat draadloos kan bedienen en realtime gegevens kan rapporteren over het energieverbruik en het zoutgehalte van het water.
Strandtesten
Na laboratoriumexperimenten te hebben uitgevoerd met water met verschillende niveaus van zoutgehalte en troebelheid (bewolking), hebben ze het apparaat in de praktijk getest op Carson Beach in Boston.
Yoon en Kwon zetten de doos bij de kust en gooiden de vulbuis in het water. In ongeveer een half uur had het apparaat een plastic drinkbeker gevuld met helder, drinkbaar water.
“Het was zelfs in de eerste run succesvol, wat best spannend en verrassend was. Maar ik denk dat de belangrijkste reden dat we succesvol waren, de opeenstapeling van al deze kleine vorderingen is die we onderweg hebben gemaakt”, zegt Han.
Het resulterende water overtrof de kwaliteitsrichtlijnen van de Wereldgezondheidsorganisatie en de eenheid verminderde de hoeveelheid zwevende vaste stoffen met minstens een factor 10. Hun prototype genereert drinkwater met een snelheid van 0,3 liter per uur en vereist slechts 20 watt vermogen per liter .
“Op dit moment pushen we ons onderzoek om die productiesnelheid op te schalen”, zegt Yoon.
Een van de grootste uitdagingen bij het ontwerpen van het draagbare systeem was het ontwerpen van een intuïtief apparaat dat door iedereen kan worden gebruikt, zegt Han.
Yoon hoopt het apparaat gebruiksvriendelijker te maken en de energie-efficiëntie en productiesnelheid te verbeteren door middel van een startup die hij van plan is te lanceren om de technologie te commercialiseren.
In het lab wil Han de lessen die hij de afgelopen tien jaar heeft geleerd toepassen op waterkwaliteitskwesties die verder gaan dan ontzilting, zoals het snel detecteren van verontreinigingen in drinkwater.
“Dit is absoluut een spannend project en ik ben trots op de vooruitgang die we tot nu toe hebben geboekt, maar er is nog veel werk aan de winkel”, zegt hij.
Het onderzoek werd gedeeltelijk gefinancierd door het DEVCOM Soldier Center, het Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J-WAFS), het Experimental AI Postdoc Fellowship Program van de Northeastern University en het Roux AI Institute.
lees het gehele artikel bij de bron
————————————————– ———————————–
samenvatting:
Onderzoekers creëerden een draagbare ontziltingseenheid die tegelijkertijd deeltjes en zouten kan verwijderen om drinkwater te genereren. De gebruiksvriendelijke unit, die nog geen 10 kilogram weegt en geen filters nodig heeft, kan worden gevoed door een klein, draagbaar zonnepaneel.
Datum van publicatie: 30 april 2022
Bron: Wetenschap | Al het topnieuws — ScienceDaily
————————————————– ———————————–