ตั้งแต่น้ำทะเลไปจนถึงน้ำดื่มด้วยการกดปุ่มเพียงปุ่มเดียว

อุปกรณ์ขนาดเท่ากระเป๋าเดินทางซึ่งใช้พลังงานน้อยกว่าที่ชาร์จโทรศัพท์มือถือ สามารถขับเคลื่อนด้วยแผงโซลาร์เซลล์ขนาดเล็กแบบพกพา ซึ่งหาซื้อได้ทางออนไลน์ในราคาประมาณ 50 ดอลลาร์ เครื่องผลิตน้ำดื่มอัตโนมัติที่มีคุณภาพเกินมาตรฐานองค์การอนามัยโลก เทคโนโลยีนี้รวมอยู่ในอุปกรณ์ที่ใช้งานง่ายซึ่งทำงานด้วยการกดปุ่มเพียงปุ่มเดียว อุปกรณ์นี้แตกต่างจากเครื่องแยกเกลือแบบพกพาอื่นๆ ที่ต้องใช้น้ำผ่านตัวกรอง อุปกรณ์นี้ใช้พลังงานไฟฟ้าเพื่อขจัดอนุภาคออกจากน้ำดื่ม การขจัดความจำเป็นในการเปลี่ยนไส้กรองช่วยลดความต้องการในการบำรุงรักษาในระยะยาวได้อย่างมาก ซึ่งจะช่วยให้สามารถติดตั้งหน่วยในพื้นที่ห่างไกลและทรัพยากรจำกัด เช่น ชุมชนบนเกาะเล็กๆ หรือบนเรือบรรทุกสินค้าเดินทะเล นอกจากนี้ยังสามารถใช้เพื่อช่วยเหลือผู้ลี้ภัยที่หนีภัยธรรมชาติหรือโดยทหารที่ปฏิบัติการทางทหารระยะยาว "นี่คือจุดสุดยอดของการเดินทาง 10 ปีที่ฉันและกลุ่มของฉันทำมาตลอด เราทำงานหลายปีเกี่ยวกับฟิสิกส์ที่อยู่เบื้องหลังกระบวนการแยกเกลือออกจากน้ำทะเล แต่ผลักดันความก้าวหน้าเหล่านั้นทั้งหมดลงในกล่อง สร้างระบบ และสาธิตให้เห็นใน มหาสมุทร ซึ่งเป็นประสบการณ์ที่มีความหมายและคุ้มค่ามากสำหรับฉัน" ผู้เขียนอาวุโส Jongyoon Han ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้าและวิทยาการคอมพิวเตอร์และวิศวกรรมชีวภาพ และสมาชิกของ Research Laboratory of Electronics (RLE) กล่าว การร่วมงานกับ Han บนกระดาษคือผู้เขียนคนแรก Junghyo Yoon นักวิทยาศาสตร์การวิจัยใน RLE; Hyukjin J. Kwon อดีต postdoc; SungKu Kang, postdoc ที่มหาวิทยาลัยนอร์ทอีสเทิร์น; และ Eric Brack จาก US Army Combat Capabilities Development Command (DEVCOM) งานวิจัยได้รับการเผยแพร่ทางออนไลน์ในEnvironmental Science and Technology เทคโนโลยีไร้ตัวกรอง หน่วยกลั่นน้ำทะเลแบบพกพาที่มีจำหน่ายในท้องตลาดมักต้องใช้ปั๊มแรงดันสูงเพื่อดันน้ำผ่านตัวกรอง ซึ่งยากมากที่จะลดขนาดโดยไม่ลดทอนประสิทธิภาพการใช้พลังงานของอุปกรณ์ Yoon อธิบาย หน่วยของพวกเขาอาศัยเทคนิคที่เรียกว่าโพลาไรซ์ความเข้มข้นของไอออน (ICP) ซึ่งกลุ่มของ Han เป็นผู้บุกเบิกเมื่อกว่า 10 ปีที่แล้ว แทนที่จะกรองน้ำ กระบวนการ ICP จะใช้สนามไฟฟ้ากับเมมเบรนที่วางอยู่เหนือและใต้ช่องน้ำ เมมเบรนจะขับไล่อนุภาคที่มีประจุบวกหรือประจุลบ ซึ่งรวมถึงโมเลกุลของเกลือ แบคทีเรีย และไวรัส เมื่อพวกมันไหลผ่าน อนุภาคที่มีประจุจะไหลเข้าสู่กระแสน้ำที่สองซึ่งจะถูกระบายออกในที่สุด กระบวนการนี้จะขจัดทั้งของแข็งที่ละลายน้ำและสารแขวนลอย ทำให้น้ำสะอาดไหลผ่านช่องได้ เนื่องจากต้องใช้ปั๊มแรงดันต่ำเท่านั้น ICP จึงใช้พลังงานน้อยกว่าเทคนิคอื่นๆ แต่ ICP ไม่ได้กำจัดเกลือทั้งหมดที่ลอยอยู่กลางช่องเสมอไป ดังนั้น นักวิจัยจึงรวมกระบวนการที่สองที่เรียกว่าการไดอะไลซิสด้วยไฟฟ้า เพื่อกำจัดไอออนของเกลือที่เหลืออยู่ Yoon และ Kang ใช้แมชชีนเลิร์นนิงเพื่อค้นหาส่วนผสมที่ลงตัวของโมดูล ICP และอิเล็กโทรไดอะไลซิส การตั้งค่าที่เหมาะสมประกอบด้วยกระบวนการ ICP สองขั้นตอน โดยมีน้ำไหลผ่านโมดูลหกโมดูลในขั้นตอนแรก จากนั้นผ่านสามขั้นตอนในขั้นตอนที่สอง ตามด้วยกระบวนการไดอะไลซิสด้วยไฟฟ้าเพียงขั้นตอนเดียว ซึ่งช่วยลดการใช้พลังงานในขณะเดียวกันก็มั่นใจได้ว่ากระบวนการยังคงทำความสะอาดตัวเองได้ "แม้ว่าจะเป็นความจริงที่อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าบางส่วนสามารถจับได้บนเมมเบรนแลกเปลี่ยนไอออน แต่ถ้าพวกมันติดอยู่ในกับดัก เราก็แค่เปลี่ยนขั้วของสนามไฟฟ้า และอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าก็สามารถถูกกำจัดออกได้อย่างง่ายดาย" Yoon อธิบาย พวกเขาย่อและซ้อนโมดูล ICP และอิเล็กโทรไดอะไลซิสเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงานและช่วยให้พอดีกับอุปกรณ์พกพา นักวิจัยได้ออกแบบอุปกรณ์สำหรับผู้ที่ไม่เชี่ยวชาญ โดยมีเพียงปุ่มเดียวเพื่อเริ่มกระบวนการแยกเกลือออกจากน้ำทะเลและทำให้บริสุทธิ์โดยอัตโนมัติ เมื่อระดับความเค็มและจำนวนอนุภาคลดลงถึงเกณฑ์ที่กำหนด อุปกรณ์จะแจ้งให้ผู้ใช้ทราบว่าน้ำนั้นสามารถดื่มได้ น้ำดื่ม นักวิจัยยังสร้างแอพบนสมาร์ทโฟนที่สามารถควบคุมเครื่องแบบไร้สายและรายงานข้อมูลแบบเรียลไทม์เกี่ยวกับการใช้พลังงานและความเค็มของน้ำ การทดสอบชายหาด หลังจากทำการทดลองในห้องปฏิบัติการโดยใช้น้ำที่มีระดับความเค็มและความขุ่น (ความขุ่น) ต่างกัน พวกเขาได้ทดสอบอุปกรณ์ภาคสนามที่หาดคาร์สันในบอสตัน ยุนและควอนวางกล่องไว้ใกล้ฝั่งแล้วโยนท่อป้อนอาหารลงไปในน้ำ ในเวลาประมาณครึ่งชั่วโมง อุปกรณ์ก็เติมน้ำดื่มใสในถ้วยพลาสติก "มันประสบความสำเร็จแม้ในช่วงแรก ซึ่งค่อนข้างน่าตื่นเต้นและน่าประหลาดใจ แต่ผมคิดว่าเหตุผลหลักที่เราประสบความสำเร็จคือการสะสมความก้าวหน้าเล็กๆ น้อยๆ เหล่านี้ที่เราทำไปพร้อมกัน" Han กล่าว น้ำที่ได้นั้นเกินหลักเกณฑ์ด้านคุณภาพขององค์การอนามัยโลก และหน่วยนี้ลดปริมาณสารแขวนลอยได้อย่างน้อย 10 เท่า ต้นแบบของพวกเขาผลิตน้ำดื่มในอัตรา 0.3 ลิตรต่อชั่วโมง และต้องการเพียง 20 วัตต์ต่อชั่วโมงต่อลิตร . "ตอนนี้ เรากำลังผลักดันการวิจัยของเราเพื่อเพิ่มอัตราการผลิตนั้น" Yoon กล่าว ความท้าทายที่ใหญ่ที่สุดอย่างหนึ่งในการออกแบบระบบแบบพกพาคือการออกแบบอุปกรณ์ที่ใช้งานง่ายที่ทุกคนสามารถใช้ได้ Han กล่าว Yoon หวังว่าจะทำให้อุปกรณ์เป็นมิตรกับผู้ใช้มากขึ้นและปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงานและอัตราการผลิตผ่านการเริ่มต้นที่เขาวางแผนที่จะเปิดตัวเพื่อการค้าเทคโนโลยี ในห้องแล็บ Han ต้องการใช้บทเรียนที่เขาได้เรียนรู้ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมากับปัญหาคุณภาพน้ำที่นอกเหนือไปจากการแยกเกลือออกจากน้ำทะเล เช่น การตรวจจับสารปนเปื้อนอย่างรวดเร็วในน้ำดื่ม "นี่เป็นโครงการที่น่าตื่นเต้นอย่างแน่นอน และผมภูมิใจในความก้าวหน้าที่เราได้ทำจนถึงตอนนี้ แต่ก็ยังมีงานอีกมากที่ต้องทำ" เขากล่าว ตัวอย่างเช่น ในขณะที่ "การพัฒนาระบบแบบพกพาโดยใช้กระบวนการอิเล็กโทรเมมเบรนเป็นทิศทางดั้งเดิมและน่าตื่นเต้นในการแยกเกลือออกจากระบบขนาดเล็กแบบไม่ใช้กริด" ผลกระทบของการเปรอะเปื้อน โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากน้ำมีความขุ่นสูง อาจเพิ่มความต้องการในการบำรุงรักษาและ ค่าใช้จ่ายด้านพลังงาน Nidal Hilal ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมและผู้อำนวยการศูนย์วิจัยน้ำแห่งมหาวิทยาลัยนิวยอร์ก Abu Dhabi ซึ่งไม่เกี่ยวข้องกับการวิจัยนี้กล่าว "ข้อจำกัดอีกอย่างคือการใช้วัสดุราคาแพง" เขากล่าวเสริม "มันน่าสนใจที่จะเห็นระบบที่คล้ายกันพร้อมวัสดุต้นทุนต่ำ"