محققان الکترودهای پارچه‌ای کربنی توسعه داده‌اند که به طور مؤثری بور را از آب دریا حذف می‌کنند و پتانسیل جایگزینی مواد شیمیایی پرهزینه در فرآیند شیرین‌سازی را دارد. الکترودها بور را از آب شیرین شده حذف می‌کنند با تجزیه مولکول‌ها به یون‌ها. یون های هیدروکسید به بور چسبیده و به الکترودهای مثبت متصل می‌شوند و تولید آب آشامیدنی ایمن‌تر را تضمین می‌کنند.
این موفقیت که توسط تیمی از مهندسان دانشگاه میشیگان و دانشگاه رایس به دست آمده، یک پیشرفت حیاتی در ایمن‌سازی آب دریا برای نوشیدن محسوب می‌شود. "دستگاه ما نیازهای شیمیایی و انرژی در فرآیند شیرین‌سازی آب دریا را کاهش می‌دهد، به طور قابل توجهی پایداری محیطی را بهبود می‌بخشد و هزینه‌ها را تا ۱۵ درصد یا حدود ۲۰ سنت برای هر متر مکعب آب تصفیه‌شده کاهش می‌دهد," گفت وییی پان، پژوهشگر فوق دکتری در دانشگاه رایس و یکی از نویسندگان نخست این مطالعه در بیانیه‌ای.
حذف مؤثر بور از آب دریا
بور، جزئی طبیعی از آب دریا، در صورتی که فیلترهای نمک‌زدا را نادیده بگیرد، به یک آلاینده سمی در آب آشامیدنی تبدیل می‌شود. سطح بور در آب دریا اغلب از حدود مجاز سازمان جهانی بهداشت برای آب آشامیدنی ایمن فراتر می‌رود و تحمل بسیاری از گیاهان کشاورزی را نیز می‌شکند. غشاءهای معمولی اسمز معکوس در حذف بور ناکارآمد هستند زیرا بور به شکل اسید بوری قابل انتقال که به ذرات باردار مقاوم است، در آب دریا وجود دارد. "ما یک فناوری جدید توسعه داده‌ایم که به نسبت برخی از فناوری‌های متعارف، مقیاس‌پذیری نسبتاً خوبی دارد و می‌تواند بور را به روشی انرژی‌کارا حذف کند," گفت یووان کامچف، استاد کمکی مهندسی شیمی و مهندسی علوم و مهندسی پلیمر در دانشگاه میشیگان و نویسنده همکار این مطالعه، در یک بیانیه .
برای حل این مشکل، کارخانه‌های شیرین‌سازی معمولاً یک قاعده اضافه می‌کنند تا اسید بوریک را به شکلی با بار منفی تغییر دهند. بعد از حذف این بور باردار در مرحله دوم اسمز معکوس، از اسید برای خنثی‌سازی قاعده استفاده می‌شود. اما هزینه این فرآیندهای دیگر به صورت قابل توجهی افزایش می‌یابد. دستگاه جدید این فرآیند را ساده می‌کند و نیاز به مواد شیمیایی و انرژی اضافی را کاهش می‌دهد. این نوآوری پایداری محیط زیستی را بهبود می‌بخشد و هزینه‌ها را تا ۱۵ درصد کاهش می‌دهد، که حدود ۲۰ سنت برای هر متر مکعب آب تصفیه‌شده صرفه‌جویی می‌کند.
راه‌حل‌های پایدار آب
ظرفیت جهانی شیرین‌سازی در سال ۲۰۱۹ به ۹۵ میلیون متر مکعب در روز رسید و غشاءهای جدید طراحی شده برای حذف بور می‌تواند حدود ۶.۹ میلیارد دلار در سال صرفه‌جویی کنند. تیم تحقیقاتی تاکید می‌کند که تأسیسات بزرگ مقیاس، مانند کارخانه شیرین‌سازی کلود "باد" لوئیس کارلباد در سن دیگو، می‌توانند هر سال میلیون‌ها دلار صرفه‌جویی کنند. این کاهش هزینه‌ها می‌تواند آب دریا را به منبع قابل توجه‌تری برای آب آشامیدنی تبدیل کند و با بحران جهانی آب که در حال افزایش است مقابله کند. تامین‌های آب شیرین پیش‌بینی می‌شود که فقط ۴۰ درصد از تقاضا را تا سال ۲۰۳۰ پوشش دهند، بر اساس گزارشی از کمیسیون جهانی در اقتصاد آب در سال ۲۰۲۳. الکترودهای پیشرفته بور را به طور موثر حذف می‌کنند با گرفتار کردن آن در منافذ پوشش داده شده با ساختارهای حاوی اکسیژن که خاص بور یک پیوند ایجاد می‌کنند در حالی که سایر یون‌ها اجازه عبور دارند. با این حال، بور باید بار منفی داشته باشد تا به سایت‌های گیرنده بچسبد.
الکترودها یون‌های مثبت هیدروژن و یون‌های منفی هیدروکسید را با تجزیه آب بین دو لایه ایجاد می‌کنند به جای اینکه یک قاعده شیمیایی برای القای این بار معرفی کنند. با چسبیدن به بور، هیدروکسید بار مورد نیاز برای چسبیدن آن به الکترود مثبت را فراهم می‌کند. حذف نیاز به مرحله دوم اسمز معکوس، این روش هزینه‌ها و مصرف انرژی را کاهش می‌دهد. پس از آنکه بور حذف شد، یون‌های هیدروژن و هیدروکسید دوباره ترکیب می‌شوند تا آب خنثی و بدون بور ایجاد کنند و راه‌حلی پایدار و مؤثر برای شیرین‌سازی آب شور ارائه کنند. "مطالعه ما یک پلتفرم تطبیق‌پذیر ارائه می‌دهد که از تغییرات pH استفاده می‌کند که می‌تواند دیگر آلاینده‌ها را، مانند آرسنیک، به فرم‌های قابل حذف آسان تبدیل کند," گفت مناخم الیمک، استاد مهندسی عمران و محیط زیست و مهندسی شیمی و بیوملکولی در دانشگاه رایس و یکی از نویسندگان همکار این مطالعه، در بیانیه‌ای. علاوه بر این، گروه‌های عملکردی روی الکترود می‌توانند به طور خاص برای چسبیدن به آلاینده‌های مختلف تغییر داده شوند، که به تصفیه آب با انرژی کارآمدتر ممکن می‌سازد. جزئیات در مورد تحقیقات تیم در ژورنال Nature Water منتشر شده است.
