Χρησιμοποιώντας πειραματικές μεθόδους, μηχανική μάθηση και ακτίνες-Χ υψηλής ενέργειας, ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Chicago και το Argonne National Laboratory των ΗΠΑ, ανέπτυξαν μια συσκευή Capacitive Deionization (CDI) στην οποία η επιφάνεια των ηλεκτροδίων έχει τροποποιηθεί έτσι ώστε να μπορεί να προσροφήσει μόλυβδο πολύ πιο αποδοτικά από παρόμοιες συσκευές.
Ο Capacitive Deionization είναι μια τεχνολογία απιονισμού στην οποία μια μεμβράνη κατασκευασμένη από υλικά ηλεκτροδίων αφαιρεί μεταλλικά ιόντα από το νερό. Η τεχνολογία έχει αποδειχθεί πολλά υποσχόμενη για χρήση σε φίλτρα νερού επόμενης γενιάς.
«Η οικονομία του μέλλοντος και η εθνική μας ασφάλεια εξαρτώνται πραγματικά από τη διαθεσιμότητα καθαρού νερού», τονίζει ο Junhong Chen, επικεφαλής στρατηγικής για το νερό στην Argonne. «Ο μόνος τρόπος για να αντιμετωπιστεί πραγματικά αυτή η πρόκληση του νερού είναι να εξετάσουμε την επαναχρησιμοποίηση του. Αυτό θα μπορούσε ενδεχομένως να οδηγήσει στην ανάκτηση πρώτων υλών που είναι σημαντικοί για εφαρμογές καθαρής ενέργειας και θα μας οδηγήσουν προς μια κυκλική οικονομία».
Κατά την άποψη του Chen, η δημιουργία μιας τέτοιας συσκευής απιονισμού θα μπορούσε να έχει ευρείες επιπτώσεις. Για παράδειγμα, θα μπορούσε να βοηθήσει στην απομάκρυνση του μολύβδου από το νερό για την παροχή ασφαλέστερου πόσιμου νερού ή, επίσης, στην επαναχρησιμοποίηση του νερού δεσμεύοντας φώσφορο και λίθιο και στη συνέχεια χρησιμοποιώντας το φώσφορο για χρήση σε λιπάσματα και το λίθιο για χρήση σε τεχνολογίες καθαρής ενέργειας.
Ο Chen εξήγησε ότι οι τρέχουσες τεχνολογίες δεν έχουν την ικανότητα να διαχωρίζουν επιλεκτικά διαφορετικά ιόντα μέσα στο νερό ή, ακόμη και αν αυτό γίνεται υπό προϋποθέσεις, το σχετικό κόστος είναι υψηλό. Συγχρόνως, ενώ ορισμένες τεχνολογίες μπορούν να ανακτήσουν μέταλλα, δεν μπορούν να διακρίνουν πλήρως το ένα είδος μεταλλικού ιόντος από το άλλο. Αυτό είναι σημαντικό γιατί ενώ ο μόλυβδος, για παράδειγμα, πρέπει να αφαιρείται από το πόσιμο νερό, ένα άλλο μέταλλο, το ασβέστιο, θα πρέπει να διατηρείται στο νερό γιατί είναι ευεργετικό για την ανθρώπινη υγεία.
Δειτε ακομη
Βελτίωση των συσκευών CDI
Οι συσκευές CDI έχουν αποδειχθεί ιδιαίτερα αποτελεσματικές για την επιλεκτική αφαίρεση μεταλλικών ιόντων χρησιμοποιώντας υλικά με βάση τον άνθρακα όπως οξείδιο του γραφενίου στα ηλεκτρόδια τους. Για να βελτιώσει αυτές τις συσκευές, η ομάδα πίσω από τη συγκεκριμένη έρευνα χρειάστηκε να κατανοήσει καλύτερα την αλληλεπίδραση μεταξύ μορίων και ιόντων στην επιφάνεια των ηλεκτροδίων της συσκευής.
Χρησιμοποιώντας μοντελοποίηση και μηχανική μάθηση, η ερευνήτρια Maria Chan εργάστηκε για να κατανοήσει τον τρόπο με τον οποίο η αλλαγή λειτουργικών μοριακών ομάδων - ειδικών ομάδων ατόμων που έχουν τα δικά τους χαρακτηριστικά - στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου θα επηρεάσει την επιλεκτικότητα και την απομάκρυνση των μη-επιθυμητών μεταλλικών ιόντων.
«Χρησιμοποιώντας μοντελοποιήσεις μέσω υπολογιστή, μπορούμε να κατανοήσουμε και να επιλέξουμε λειτουργικές ομάδες σε μοριακό επίπεδο. Χρησιμοποιώντας μοντέλα μηχανικής μάθησης, μπορούμε να διευρύνουμε την αναζήτηση σε μια σειρά από διαφορετικά μόρια που είναι δυνητικά βιώσιμα», είπε η Chan.
Οι ερευνητές βρήκαν τελικά λειτουργικές ομάδες που θα μπορούσαν να προσκολληθούν στο οξείδιο του γραφενίου και να προσροφήσουν επιλεκτικά διαφορετικούς τύπους ιόντων από το νερό. Οι προβλέψεις τους επαληθεύτηκαν πειραματικά από τον Chen, δείχνοντας ότι η συσκευή θα μπορούσε να αφαιρέσει πολύ πιο αποτελεσματικά τον μόλυβδο από το νερό με αυτές τις νέες λειτουργικές μοριακές ομάδες.
Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε μια πηγή ακτίνων Χ υψηλής ενέργειας (Advanced Photon Source) του εργαστηρίου για να κατανοήσει τη δομή του μολύβδου στα δείγματα νερού και να αποσαφηνίσει την αλληλεπίδραση μεταξύ της συσκευής CDI και του μολύβδου.
Σε επόμενο στάδιο, οι ερευνητές σχεδιάζουν να δοκιμάσουν τη συσκευή σε άλλα μεταλλικά ιόντα, συμπεριλαμβανομένου του λιθίου και του κοβαλτίου.
Με πληροφορίες από mining.com
