Los ingenieros han encontrado una manera de eliminar las “zonas muertas” del flujo de fluido que afectan a los tipos de electrodos utilizados en la desalinización de agua de mar basada en baterías. La nueva técnica utiliza un diseño de canal de flujo cónico basado en la física dentro del electrodo que mueve los fluidos de manera rápida y eficiente, requiriendo potencialmente menos energía que las técnicas de ósmosis inversa.
Las barreras tecnológicas han impedido la implementación generalizada de la tecnología de desalinización. El método más utilizado, la ósmosis inversa, empuja el agua a través de una membrana que filtra la sal y es costosa y consume mucha energía. Por el contrario, el método de la batería utiliza electricidad para eliminar los iones de sal cargados del agua. Sin embargo, también requiere energía para ayudar a impulsar el agua a través de los electrodos, que tienen espacios porosos pequeños y no uniformes.
“Los electrodos tradicionales todavía requieren energía para bombear fluidos porque no tienen canales de flujo inherentes”, dijo el profesor de ingeniería y ciencias mecánicas de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, Kyle Smith, quien dirigió el estudio dirigido por. “Sin embargo, al crear canales dentro de los electrodos, la técnica puede requerir menos energía para impulsar el agua y, en última instancia, ser más eficiente que la que se utiliza normalmente en los procesos de ósmosis inversa”.
La técnica de desalinización basada en baterías de Smith se basa en años de modelado y experimentación realizados por su grupo de investigación en Illinois, culminando en un estudio reciente que demostró el primer uso de electrodos que contienen pequeños microcanales llamados campos de flujo interdigitados.
La nueva investigación del grupo también incorpora IDFF en electrodos, pero esta vez la forma del canal es cónica en lugar de recta. El uso de electrodos con canales cónicos mejoró el flujo de fluido (o permeabilidad) dos o tres veces más que los canales rectos. Los resultados se publican en la revista. Acta de electroquímica.
“Nuestro trabajo inicial sobre canales rectos en electrodos nos llevó a descubrir zonas muertas dentro de los electrodos donde observamos caídas de presión y distribución de flujo no uniforme”, dijo el estudiante graduado de Illinois Habib Rehman. “Para superar este desafío, creamos una biblioteca de 28 canales rectos diferentes para experimentar y comprender las variaciones de conductancia y flujo, y finalmente implementamos esta técnica de reducción gradual de canales”.
Mientras realizaban los experimentos, Smith y Rahman dijeron que encontraron algunos desafíos de fabricación, particularmente con el tiempo que tardan los canales en fusionarse en los electrodos, lo que sería problemático en cualquier escenario de producción en masa. Sin embargo, Smith dijo que cree que el desafío se puede superar.
“Más allá de sus implicaciones para la desalinización electroquímica, nuestra teoría de la reducción gradual del canal y los principios de diseño relacionados se pueden aplicar directamente a cualquier otro dispositivo electroquímico que utilice fluidos en flujo, incluido el almacenamiento de energía, la conversión y la sostenibilidad ambiental, como celdas de combustible, celdas de electrólisis, baterías de flujo, carbón. dispositivos de captura y dispositivos de recuperación de litio”, dijo Smith. “A diferencia de las estrategias anteriores de reducción gradual de canales que utilizaban diseños instantáneos, nuestro enfoque aquí proporciona pautas de diseño basadas en la física para producir un flujo uniforme y minimizar simultáneamente la caída de presión”.
La Oficina de Investigación Naval apoyó este estudio. Smith, Rahman y los autores del estudio Irwin Loud IV, Wu Du y Abdulhamid tienen patentes pendientes en virtud de las solicitudes de patente estadounidenses 17/980.017, 17/980.023 y 63/743.995.
Smith también está afiliado a Ciencia e Ingeniería de Materiales y al Instituto Beckman de Ciencia y Tecnología Avanzadas.
