Стремление к прогрессу в технологиях опреснения воды
По данным Международной ассоциации по опреснению воды, в 150 странах имеется 20 516 опреснительных установок, которые обеспечивают водой 300 миллионов человек
В начале 2018 года Кейптаун, Южная Африка, был опасно близок к тому, чтобы стать первым в мире крупным городом, в котором закончилась вода. Люди выстраивались в очередь для сбора родниковой воды. Магазины продавали воду ведрами и мисками. Вода в бутылках нормировалась в туристических районах города. 12 апреля было объявлено «нулевым днем» - днем, когда вода должна была закончиться. Городские власти готовились к беспорядкам, готовя армию и полицию к действиям в местах сбора воды.
Количество осадков в регионе было низким в течение трех лет подряд, что вызвало засуху. Благодаря огромным усилиям городских властей по обеспечению сохранения воды - включая тарификацию, жесткие ограничения и новую систему подачи воды со сниженным напором, а также перенаправление сельскохозяйственной воды в город - «день ноль» так и не наступил, и вскоре после этого количество осадков нормализовалось. Город вздохнул с облегчением, кризис стихнул.
Но полученный опыт стал тревожным сигналом не только для Кейптауна, но и для остальных городов по всему миру, испытывающих недостаток воды. Мехико, Сан-Паулу, Каир и многие другие сталкиваются с нехваткой воды. По мере того, как население мира растет, а изменение климата повышает температуру, вода становится все более дефицитной.
Если бы был дешевый и простой способ вытащить соль из миллиардов кубометров морской воды, которые находятся в нескольких сотнях миль от всех этих городов. В настоящее время опреснение является дорогостоящим и энергоемким. Достижение технологии такого уровня, что опресненная морская вода стала бы жизнеспособным вариантом для городов, испытывающих ее нехватку, может занять годы, если не десятилетия, но ученые по всему миру не сдаются.
Технология дистилляции и обратного осмоса
Наиболее распространенными методами опреснения стали термическая дистилляция и обратный осмос. При термической перегонке вода нагревается до тех пор, пока чистый пар не отделится от соли и других компонентов. При обратном осмосе высокое давление проталкивает воду через фильтр, чтобы отделить ее от соли.
По данным Международной ассоциации по опреснению воды, в 150 странах имеется 20 516 опреснительных установок, которые обеспечивают водой 300 миллионов человек.
Самыми крупными действующими объектами являются Рас-аль-Каир в Саудовской Аравии, которая использует термическую дистилляцию и обратный осмос, а также израильский Сорек, который в 2015 году был объявлен крупнейшей и самой дешевой установкой обратного осмоса в мире. Ближний Восток на сегодняшний день стал доминирующим регионом в мире, что касается опреснения (неудивительно, учитывая его жаркий климат и расположение на берегу океана). Крупнейший завод Запада расположен недалеко от Сан-Диего и производит 225 миллионов литров пресной воды в день.
Самая большая проблема, препятствующая распространению опреснения воды - это затраты, как экологические, так и финансовые. Термическая дистилляция и обратный осмос требуют огромного количества энергии и все еще слишком дороги по сравнению с другими источниками пресной воды.
Обнадеживающие достижения науки для опреснения воды
Мембраны на основе графена становятся лучше
При толщине всего одного атома графен - материал, состоящий из атомов углерода, расположенных в гексагональной решетке. До сих пор трудно организовать его масштабное производство. Графен перспективен для фильтрации воды, но технология еще далеко не готова для использования его при широкомасштабном опреснении.
Международная исследовательская группа из США, Китая и Японии опубликовала в журнале «Наука» статью [1], подробно описывающую их работу по укреплению графеновых мембран для фильтрации.
Графен может быть полезен в фильтрах, потому что он действует как молекулярное сито с достаточно большими отверстиями для прохождения воды, но не молекул соли, и является более проницаемым, чем мембраны на основе полимеров, которые используются в настоящее время, а это означает, что отделенная вода протекает быстрее. Более быстрый поток означает меньше затрат энергии, что означает более низкую стоимость. Тем не менее, мембраны на основе графена являются хрупкими и подвержены разрушению, особенно по мере увеличения площади их поверхности. Эффективные мембраны до настоящего времени были ограничены размерами микрометрового масштаба.
Исследовательская группа создала гибридную мембрану - графен/углеродная нанотрубка. Нанотрубки действуют как микроскопический каркас для поддержки графена и повышения его структурной целостности. В результате получилась сетка размером с сантиметр, имеющей сотовую структуру, а при испытании в качестве мембраны в системе фильтрации она улавливала 85-97 процентов соли из морской воды.
Новый путь - экстракция растворителем
В апреле команда инженерного отдела Колумбийского университета опубликовала исследование [2] «Наука об окружающей среде и технологии», в котором подробно описывается то, что они называют «радикально отличной технологией опреснения», не зависящей от фильтров или дистилляции.
Этот метод, называемый экстракцией растворителем с колебанием температуры (TSSE), работает следующим образом: в соленую воду добавляется растворитель, растворимость в воде которого меняется в зависимости от температуры. При комнатной температуре растворитель соединяется с молекулами воды (но не с солью). Растворитель с поглощенной водой отводят и нагревают. Высокая температура заставляет растворитель отделяться от воды, которая уже свободна от соли.
В ходе исследования было показано, что метод удаляет до 98,4% соли не только из морской воды, но и из более соленых растворов, называемых гиперсолевыми рассолами. Авторы утверждают, что TSSE может работать с примерно вдвое большей концентрацией соли в морской воде, чем обратный осмос. А поскольку он требует гораздо меньше тепла, чем термическая дистилляция, использование TSSE может быть намного дешевле.
Говоря о Солнце ...
Солнечный свет полезен не только для солнечной энергии, но и для опреснения. Министерство энергетики США выделило 21 миллион долларов в виде грантов на исследования солнечно-термического опреснения в 2018 году. Солнечная тепловая энергия позволяет создавать портативные и автономные системы.
Исследование, опубликованное [3] Национальной академией наук, показало, что использование наночастиц для фокусировки солнечного света на фототермически активной мембране увеличивает поток дистиллированной воды более чем на 50%. Сосредоточение света на небольшом пятне мембраны приводит к линейному увеличению нагрева, но нагрев вызывает нелинейное увеличение давления пара, что заставляет проходить очищенному пару через мембрану за меньшее время.
Решение своих проблем
Несмотря на перспективность разработок, опреснение, скорее всего, не станет всеобщим спасением для мировых проблем с водой. Даже когда технология станет более энергоэффективной и доступной, последствия для окружающей среды не отойдут на второй план: отходы от опреснения, концентрированная смесь солей и химикатов, в основном сбрасываются обратно в океан, где наносят вред морской жизни и повышают токсичность прибрежных вод.
Противники также отметили, что энергетические потребности опреснения приводят к высоким выбросам углерода. Таким образом, мы получаем больше чистой воды по цене менее чистого воздуха.
Несмотря на эти недостатки, прогресс в опреснении будет продолжать двигаться вперед.
Ссылки:
1. https://doi.org/10.1126/science.aau5321
2. https://doi.org/10.1021/acs.estlett.9b00182
3. https://doi.org/10.1073/pnas.1905311116
Источник: Singularity Hub
