Lors de missions sans accès à de l'eau potable, les Marines américains sont confrontés au défi de se procurer et de stocker suffisamment d'eau potable pour les soutenir. Les chercheurs de Penn State, dirigés par Chris Arges, professeur agrégé de génie chimique de Penn State, travaillent à une option de purification réaliste, portable, légère et facile à utiliser.

Lui et le co-chercheur principal Christopher Gorski, professeur agrégé de génie civil et environnemental de Penn State, cherchent à faire progresser une méthode de purification de l'eau, connue sous le nom de déionisation capacitive à membrane (MCDI).

"Bien que la majeure partie du dessalement mondial utilise un processus connu sous le nom d'osmose inverse dans des installations de production centralisées, il ne convient pas aux équipes militaires, car il nécessite des canalisations et du matériel à haute pression et est difficile à exploiter sur le terrain", a déclaré Arges. "MCDI, en revanche, est efficace, mobile et économe en énergie."

Stimulé par une batterie ou une électricité solaire, le MCDI utilise des membranes échangeuses d'ions et des électrodes poreuses pour séparer les ions, tels que le sodium et le chlorure, de l'eau. Selon Arges, la méthode est efficace pour les eaux souterraines ou saumâtres mais ne parvient pas à purifier suffisamment les sources d'eau plus concentrées, telles que l'eau de mer.

"L'électricité déclenche la migration des ions sodium à travers la membrane échangeuse de cations vers une électrode chargée négativement, tandis que les ions chlorure migrent à travers la membrane échangeuse d'anions vers une électrode chargée positivement, un processus connu sous le nom de principe d'électrosorption", a déclaré Arges. "La capture des ions du liquide conduit à de l'eau déminéralisée et potable."

Comme de plus en plus d'eau est traitée dans l'unité MCDI, les électrodes deviennent saturées de sel, les rendant incapables d'éliminer autant de sel de l'eau. À ce stade, a déclaré Arges, les électrodes peuvent être régénérées en ralentissant le débit d'eau et en inversant la polarité de la cellule.

"Cette étape du processus gaspille une partie de l'eau, mais elle produit également de l'énergie électrique qui peut être récupérée et appliquée au prochain cycle de dessalement pour réduire la charge énergétique globale", a déclaré Arges. "Cela permet à MDCI de rester économe en énergie."

Pour améliorer l'effet du MDCI sur des sources d'eau plus concentrées, Arges et son équipe vont reconcevoir le module de cellule électrochimique utilisé dans le MCDI. Avec des outils du laboratoire de nanofabrication du Penn State Materials Research Institute, les chercheurs fabriqueront des puits microscopiques selon un motif imbriqué à la surface de la membrane. Cela augmente la zone d'interface entre la membrane et les électrodes, améliorant le contact et réduisant la distance que les ions sodium et chlorure doivent parcourir pour traverser l'interface membrane-électrode.

De plus, les puits permettent au matériau d'électrode de stocker plus d'ions sodium et chlorure. Cela permet aux utilisateurs de purifier l'eau pendant de plus longues périodes avant de recourir à la régénération. En cas de succès, l'unité MCDI améliorée pourrait purifier non seulement l'eau souterraine et saumâtre, mais aussi l'eau de mer, a déclaré Arges.

Dans des recherches antérieures, Arges et son équipe ont utilisé avec succès un motif de membrane similaire pour séparer les ions hydronium et hydroxyde de l'eau dans les membranes bipolaires afin de produire de l'oxygène et de l'hydrogène dans une cellule d'électrolyse.

"Nous pensons que la zone interfaciale accrue réduira la résistance au transport ionique, conduisant à une eau plus propre en plus grande quantité", a déclaré Arges. + Explorer plus loin

Une nouvelle méthode purifie l'hydrogène des mélanges de monoxyde de carbone lourd