Согласно данным Организации Объединенных Наций, порядка 2,2 миллиарда человек по всему миру по-прежнему лишены доступа к безопасной питьевой воде. Для удовлетворения этого растущего спроса многие регионы, начиная от местных властей и заканчивая некоторыми государствами Ближнего Востока, вынуждены прибегать к работе опреснительных установок, преобразующих морскую воду в пресную. Однако, как выясняется, традиционные методы — такие как обратный осмос и термическая дистилляция — сопряжены с рядом серьезных недостатков. Они нередко требуют дорогостоящей предварительной и последующей химической обработки воды, потребляют огромное количество энергии и, что особенно важно, порождают значительные объемы концентрированной соленой воды, или рассола. При сбросе обратно в океан этот рассол способен нанести непоправимый вред морским экосистемам, повышая локальную соленость и критически снижая уровень кислорода в воде.
Именно для преодоления этих препятствий исследователи из Рочестерского университета, работающие в лаборатории под руководством профессора Чунлея Го, разработали принципиально новый подход. Их инновационная система опреснения, работающая исключительно за счет энергии солнца, не только эффективно производит пресную воду, но и функционирует без какой-либо предварительной химической обработки, а главное — полностью исключает образование токсичных отходов в виде рассола. Описание этой технологии, возглавляемой профессором оптики и физики, а также старшим научным сотрудником университетской лаборатории лазерной энергетики, было опубликовано на страницах авторитетного журнала Light: Science & Applications.
Этот прорыв в опреснении с помощью солнечного света превращает морскую воду в пресную, одновременно собирая ценные минералы
В основе разработанной системы лежат специально сконструированные солнечные панели, изготовленные из черного металла, поверхность которого обработана сверхточными фемтосекундными лазерами. Эта уникальная обработка наделяет материал двумя ключевыми свойствами. Во-первых, он поглощает практически весь падающий на него солнечный свет, а во-вторых, проявляет выраженную гидрофильность — способность сильно притягивать воду, что делает его похожим на супервпитывающий материал. Именно эту технологию, использующую супервпитывающий черный металл с лазерной гравировкой, и создали ученые.
В процессе работы активная область панели, обработанная лазером, притягивает к себе тонкий слой морской воды. Под воздействием солнечного тепла вода испаряется, а затем конденсируется, превращаясь в чистую пресную. Однако ключевое отличие заключается в том, что растворенные в исходной воде соли и минералы не остаются в зоне испарения. Вместо этого они, кристаллизуясь, перемещаются на специальные необработанные участки панели, называемые пассивными областями. Таким образом, конструкция не только предотвращает засоление активной зоны, обеспечивая непрерывность процесса, но и позволяет собирать ценные минералы, которые в противном случае были бы потеряны или стали бы опасными отходами. Фото: Рочестерский университет/Дж. Адам Фенстер.
ае могли бы обеспечить непрерывность работы.
Использование эффектного кофейного кольца для предотвращения засорения
Следует отметить, что несколько технологий солнечно-термического опреснения дают многообещающие результаты в лабораторных исследованиях с использованием упрощенной морской воды, состоящей только из воды и хлорида натрия.
В этих экспериментах кристаллы хлорида натрия содержали рыхлую пористую структуру в минимальной степени испарения воды. Вода может продолжать течь через эти кристаллы, растворяя их и обеспечивая освещение системы для очистки.
Настоящая морская вода гораздо сложнее.
Помимо хлорида натрия, океаны содержат множество других растворенных минералов. Материалы, содержащие магний и кальций, при кристаллизации часто содержат твердые плотные пробки. Эти предложения могут блокировать поток воды и в конечном итоге остановить процесс опреснения.
Проблема аналогична скоплению минеральных отложений внутри чайника или со временем засорения насадки для душа, за исключением того, что морская вода содержит гораздо более высокие значения растворенных солей.
Чтобы решить эту проблему, команда Рочестера тщательно спроектировала микроскопические канавки на черной металлической поверхности. Эта модель приводит к тому, что соли и минералы удаляются из активной области, прежде чем они смогут накопить.
Исследователи также воспользовались знакомыми физическими явлениями, известными как эффект кофейных колец.
«Если вы уроните кофе на поверхность, со временем вода испарится, а на внешних сторонах кольца образуется кольцо, состоящее из концентрированных частиц кофе», — сказал он. — говорит Го. «Мы используем тот же принцип для продвижения соли в пассивной области».
Когда протестирована методика с использованием образцов воды, собранной в Тихом, Атлантическом и Индийском океанах, поверхность была эффективно очищена. Пресная вода непрерывно всасывалась, а соли направлялись в пассивные области, где их позже можно было собрать без снижения производительности.
Восстановление ценных ископаемых вместо создания отходов
Одним из наиболее значительных преимуществ системы является то, что происходит с остатками соли.
При обычном опреснении расходов жидкий рассол, который необходимо обработать, утилизировать или выбросить в окружающую среду. Вместо этого новый процесс приводит почти все растворенные твердые вещества в твердую форму.
Эти восстановленные материалы могут стать дорогостоящими затратами. Помимо производства поваренной соли, этот процесс может помочь избавиться от таких важных минералов, как литий, ключевая составляющая литий-ионных аккумуляторов, попадания в электромобили и многих продуктов бытовой электроники.
В переменном ходе, опубликованном в журнале Journal of Materials Chemistry A , Го и его коллеги показали, что те же самые суперкабельные солнечные панели могут также отделять литий от других солей.
Для этого исследователи внедрили наночастицы титаната в микроскопические канавки на поверхности черного металла. Эти частицы избирательно изолируют лития от других растворенных минералов.
«Добыча лития на Земле оказалась очень важной с энергетической и важной точки зрения, поэтому извлечение лития непосредственно из солевой воды может стать очень важным маршрутом в будущем», — говорит он. — говорит Го.
предоставил воду из Большого Соленого озера штата Юта, успешно команда восстановила около 50 процентов лития, распределенная в солях, оставшихся после опреснения.
Потенциал для крупномасштабного производства пресной воды
Хотя технология до сих пор была продемонстрирована только на экспериментальных устройствах, Го считает, что этот подход может значительно расшириться.
В случае успеха система расширения может облегчить доступ к чистой питьевой воде, а также создать более устойчивые источники органических минералов.
Исследование проводилось при поддержке национального научного фонда Bill & Фондинд Мелы Гейтс и Всемирная сеть университетов. Среди дополнительных участников Института оптики были старший научный сотрудник Субаш Сингх, выпускник Ран Вэй 24 года (доктор философии), аспиранты Лухэн Тан и Тайньшу Сюй, а также Цзю Минян Ма.