Breakthrough Desalinasi: Insinyur Memecahkan Masalah “Zona Mati”
Desain saluran aliran meruncing baru untuk elektroda meningkatkan efisiensi desalinasi air laut berbasis baterai, berpotensi mengurangi penggunaan energi dibandingkan dengan osmosis terbalik. Terobosan ini dapat menguntungkan perangkat elektrokimia lainnya, tetapi tantangan manufaktur perlu ditangani.
Insinyur telah mengembangkan solusi untuk menghilangkan aliran fluida “zona mati” dalam elektroda yang digunakan untuk desalinasi air laut berbasis baterai. Terobosan ini melibatkan desain saluran aliran tapered yang digerakkan oleh fisika dalam elektroda, memungkinkan pergerakan fluida yang lebih cepat dan lebih efisien. Desain ini memiliki potensi untuk mengkonsumsi lebih sedikit energi dibandingkan dengan teknik osmosis terbalik konvensional.
Teknologi desalinasi telah menghadapi tantangan signifikan yang mencegah adopsi luas. Metode yang paling umum, osmosis terbalik, menyaring garam dari air dengan memaksanya melalui membran, yang intensif energi dan mahal. Sebaliknya, metode desalinasi baterai menggunakan listrik untuk menghilangkan ion garam bermuatan dari air. Namun, pendekatan ini juga membutuhkan energi untuk mendorong air melalui elektroda dengan ruang pori kecil yang tidak teratur, yang telah menjadi faktor pembatas – sampai sekarang.
Pendekatan baru: Saluran aliran terstruktur
“Elektroda tradisional masih membutuhkan energi untuk memompa cairan karena mereka tidak mengandung saluran aliran yang terstruktur secara inheren,” kata Profesor Sains dan Teknik Mekanik University of Illinois Urbana Urbana, yang memimpin penelitian ini. “Namun, dengan membuat saluran di dalam elektroda, teknik ini dapat membutuhkan lebih sedikit energi untuk mendorong air melalui dan akhirnya menjadi lebih efisien daripada yang biasa digunakan dalam proses reverse-osmosis.”
Teknik desalinasi berbasis baterai Smith dibangun dari bertahun-tahun pemodelan dan eksperimen oleh kelompok penelitiannya di Illinois, yang berpuncak pada penelitian baru-baru ini yang menunjukkan penggunaan elektroda pertama yang mengandung saluran mikro kecil yang disebut bidang aliran interdigitasi.
Studi baru grup ini juga menggabungkan IDFF dalam elektroda, tetapi kali ini bentuk saluran meruncing, tidak lurus. Menggunakan elektroda dengan saluran meruncing meningkatkan aliran fluida – atau permeabilitas – dua hingga tiga kali lipat dari saluran lurus. Temuan ini diterbitkan dalam jurnal Electrochimica Acta.
“Pekerjaan awal kami pada saluran lurus dalam elektroda membuat kami menemukan zona mati di dalam elektroda di mana kami melihat penurunan tekanan dan distribusi aliran yang tidak seragam,” kata mahasiswa pascasarjana Illinois Habib Rahman. “Untuk mengatasi tantangan ini, kami menciptakan perpustakaan yang terdiri dari 28 saluran lurus yang berbeda untuk bereksperimen dengan dan memahami variasi konduktansi dan aliran, dan akhirnya menerapkan teknik pembungkus saluran ini.”
Tantangan dan aplikasi masa depan
Saat melakukan eksperimen, Smith dan Rahman mengatakan mereka menghadapi beberapa tantangan manufaktur, terutama dengan waktu yang diperlukan untuk menggiling saluran ke dalam elektroda, yang akan bermasalah dalam skenario produksi yang diperkecil. Namun, Smith mengatakan mereka yakin tantangan ini dapat diatasi.
https://www.youtube.com/watch?v=x_zyut8exca
“Di luar dampaknya terhadap desalinasi elektrokimia, teori pembungkus saluran kami dan prinsip-prinsip desain terkait dapat diterapkan langsung ke perangkat elektrokimia lainnya yang menggunakan cairan yang mengalir, termasuk yang untuk konversi penyimpanan energi dan keberlanjutan lingkungan seperti sel bahan bakar, sel elektrolisis, baterai aliran, perangkat penangkapan karbon, dan perangkat pemulihan lithium, ”kata Smith. “Tidak seperti strategi penyularan saluran sebelumnya yang menggunakan desain dadakan, pendekatan kami di sini memberikan pedoman desain berbasis fisika untuk membuat aliran yang seragam dan meminimalkan penurunan tekanan secara bersamaan.”
Referensi: “Saluran yang meruncing, interdigitasi untuk aliran seragam, tekanan rendah melalui elektroda berpori untuk desalinasi dan seterusnya” oleh MD Habibur Rahman, Irwin C. Loud IV, Vu Q. Lakukan, MD Abdul Hamid dan Kyle C. Smith, 1 Januari 2025 , Electrochimica Acta.
Doi: 10.1016/j.electacta.2024.145632
Kantor Penelitian Angkatan Laut mendukung penelitian ini. Smith, Rahman dan belajar rekan penulis Irwin Loud IV, Vu Do dan Abdul Hamid memiliki paten yang tertunda di bawah aplikasi paten AS 17/980.017, 17/980.023, dan 63/743.995.
