Инженеры нашли способ устранить «мертвые зоны» потока жидкости, которые мешают типам электродов, используемых для опреснения морской воды на основе батарей. Новая технология использует основанную на физике конструкцию конического канала потока внутри электродов, которая перемещает жидкости быстро и эффективно, потенциально требуя меньше энергии, чем в настоящее время требуют методы обратного осмоса.

Технические препятствия помешали широкомасштабному внедрению технологии опреснения. Наиболее используемый метод, обратный осмос, проталкивает воду через мембрану, которая отфильтровывает соль, и является дорогостоящим и энергоемким. Напротив, метод батареи использует электричество для извлечения заряженных ионов соли из воды. Тем не менее, он также требует энергии для проталкивания воды через электроды, которые содержат крошечные, неоднородные поры.

«Традиционным электродам по-прежнему требуется энергия для прокачки жидкостей, поскольку они не содержат изначально структурированных каналов потока», — сказал профессор механики и инженерии Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне Кайл Смит, который руководил исследованием. «Однако, создавая каналы внутри электродов, эта технология может потребовать меньше энергии для прокачки воды и в конечном итоге стать более эффективной, чем та, которая обычно используется в процессе обратного осмоса».

Технология опреснения воды с использованием аккумуляторных батарей Смита является результатом многолетнего моделирования и экспериментов его исследовательской группы в Иллинойсе, кульминацией которых стало недавнее исследование, продемонстрировавшее первое использование электродов, содержащих крошечные микроканалы, называемые полями встречно-гребенчатого потока.

Новое исследование группы также включает IDFF в электроды, но на этот раз форма канала коническая, а не прямая. Использование электродов с коническими каналами улучшило поток жидкости — или проницаемость — в два-три раза по сравнению с прямыми каналами. Эти результаты опубликованы в журнале Electrochimica Acta.

«Наша первоначальная работа над прямыми каналами в электродах привела нас к обнаружению мертвых зон внутри электродов, где мы увидели перепады давления и неравномерное распределение потока», — сказал аспирант из Иллинойса Хабиб Рахман. «Чтобы преодолеть эту проблему, мы создали библиотеку из 28 различных прямых каналов для экспериментов и понимания проводимости и изменения потока, и в конечном итоге реализовали эту технику сужения каналов».

Смит и Рахман заявили, что во время проведения экспериментов они столкнулись с некоторыми производственными трудностями, в частности, с тем, что фрезерование каналов в электродах заняло бы много времени, что было бы проблематично в любом масштабном производственном сценарии. Однако Смит заявил, что они уверены, что эту трудность можно преодолеть.

«Помимо влияния на электрохимическое опреснение, наша теория сужения каналов и связанные с ней принципы проектирования могут быть напрямую применены к любому другому электрохимическому устройству, использующему текущие жидкости, включая устройства для преобразования энергии и обеспечения экологической устойчивости, такие как топливные элементы, электролизные ячейки, проточные батареи, устройства для улавливания углерода и устройства для восстановления лития», — сказал Смит.

«В отличие от предыдущих стратегий сужения каналов, в которых использовались импровизированные конструкции, наш подход предоставляет основанные на физике рекомендации по проектированию для создания равномерного потока и одновременного минимизации перепадов давления».