Naarmate de bevolking groeit en chronische droogtes aanhouden, kuststeden zoals Carlsbad in Zuid-Californië zijn in toenemende mate overgegaan op ontzilting van de oceaan om een ​​slinkende zoetwatervoorziening aan te vullen. Nu hebben wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab) die onderzoeken hoe ontzilting goedkoper kan worden, veelbelovende ontwerpregels gevonden voor het maken van zogenaamde "thermisch responsieve" ionische vloeistoffen om water van zout te scheiden.

Ionische vloeistoffen zijn een vloeibaar zout dat zich bindt aan water, waardoor ze bruikbaar zijn in voorwaartse osmose om verontreinigingen van water te scheiden. (Zie Berkeley Lab Q&A, "Vooruitgaan op ontzilting") Nog beter zijn thermisch reagerende ionische vloeistoffen omdat ze thermische energie gebruiken in plaats van elektriciteit, die vereist is door conventionele ontzilting van omgekeerde osmose (RO) voor de scheiding. De nieuwe Berkeley Lab-studie, onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Communicatie Chemie , bestudeerde de chemische structuren van verschillende soorten ionische vloeistof/water om te bepalen welk "recept" het beste zou werken.

"De huidige state-of-the-art in RO-ontzilting werkt zeer goed, maar de kosten van RO-ontzilting aangedreven door elektriciteit zijn onbetaalbaar, " zei Robert Kostecki, co-corresponderende auteur van de studie. "Ons onderzoek toont aan dat het gebruik van goedkope "gratis" warmte, zoals geothermische of zonnewarmte of industriële afvalwarmte die wordt gegenereerd door machines, in combinatie met thermisch reagerende ionische vloeistoffen een groot deel van de kosten kan compenseren die in de huidige RO-ontziltingstechnologieën gaan. die uitsluitend afhankelijk zijn van elektriciteit."

Kostecki, adjunct-directeur van de divisie Energy Storage and Distributed Resources (ESDR) in de Energy Technologies Area van Berkeley Lab, samen met co-corresponderende auteur Jeff Urban, een stafwetenschapper in de Molecular Foundry van Berkeley Lab, het gedrag van ionische vloeistoffen in water op moleculair niveau onderzoeken.

Met behulp van nucleaire magnetische resonantiespectroscopie en dynamische lichtverstrooiing geleverd door onderzoekers van de ESDR-divisie, evenals simulatietechnieken voor moleculaire dynamica bij de Molecular Foundry, het team deed een onverwachte bevinding.

Lange tijd werd gedacht dat een effectieve ionische vloeistofscheiding afhankelijk was van de algehele verhouding van organische componenten (delen van de ionische vloeistof die noch positief noch negatief geladen zijn) tot zijn positief geladen ionen, verklaarde Urbanus. Maar het Berkeley Lab-team ontdekte dat het aantal watermoleculen dat een ionische vloeistof kan scheiden van zeewater afhangt van de nabijheid van de organische componenten tot de positief geladen ionen.

"Dit resultaat was volkomen onverwacht, " zei Urban. "Daarmee, we hebben nu ontwerpregels waarvoor atomen in ionische vloeistoffen het zware werk doen bij ontzilting."

Een decennia-oude op membraan gebaseerde omgekeerde osmose-technologie, oorspronkelijk ontwikkeld aan de UCLA in de jaren 1950, maakt een heropleving door - momenteel zijn er 11 ontziltingsinstallaties in Californië, en meer zijn voorgesteld. Berkeley Lab-wetenschappers, via het Water-Energy Resilience Research Institute, streven naar een reeks technologieën om de betrouwbaarheid van het Amerikaanse watersysteem te verbeteren, waaronder geavanceerde technologieën voor waterbehandeling, zoals ontzilting.

Omdat voorwaartse osmose warmte gebruikt in plaats van elektriciteit, de thermische energie kan worden geleverd door hernieuwbare bronnen zoals aardwarmte en zonne-energie of industriële laagwaardige warmte.

"Onze studie is een belangrijke stap in de richting van het verlagen van de kosten van ontzilting, " voegde Kostecki eraan toe. "Het is ook een geweldig voorbeeld van wat er mogelijk is in het nationale laboratoriumsysteem, waar interdisciplinaire samenwerkingen tussen de basiswetenschappen en toegepaste wetenschappen kunnen leiden tot creatieve oplossingen voor moeilijke problemen waar toekomstige generaties van profiteren."

Onderzoekers van UC Berkeley en Idaho National Laboratory droegen ook bij aan het onderzoek. The Molecular Foundry is een DOE Office of Science User Facility die gespecialiseerd is in wetenschap op nanoschaal. Dit werk werd ondersteund door het Office of Energy Efficiency and Renewable Energy van het Amerikaanse Department of Energy.