Мільярди людей у всьому світі все ще не мають надійного доступу до безпечної питної води. За оцінками Організації Об’єднаних Націй, 2,2 мільярда людей не вистачає безпечної питної води, а райони від Каліфорнії до Близького Сходу значною мірою залежать від опріснювальних установок для отримання прісної води.
Опріснення може забезпечити важливе водопостачання, але найпоширеніші сьогодні методи мають значні недоліки. Зворотний осмос пропускає воду через спеціальні мембрани для видалення солі, тоді як термічна дистиляція використовує тепло для відділення прісної води від морської. Обидва підходи можуть використовувати велику кількість енергії, часто вимагають попереднього та післятехнологічного очищення води та створюють високосольові стоки з високою концентрацією розсолу.
Коли цей розсіл повертається в океан, він може збільшити місцеву солоність і знизити рівень кисню, створюючи шкідливі умови для морських організмів.
Альтернатива традиційному прибиранню на сонячних батареях
Дослідники з Університету Рочестера розробили інший підхід, який може вирішити декілька з цих проблем одночасно.
Вчені з Інституту оптики URochester розробили систему сонячного термічного очищення, призначену для ефективного виробництва чистої води без необхідності виробництва рідкого розсолу або хімічних добавок для попередньої обробки води, що надходить. Цей метод описаний в опублікованій в ньому статті Світло: наука та застосування.
Дослідження проводилися під керівництвом Chunlei Guo, професора оптики та фізики та старшого наукового співробітника URochester Laboratory for Laser Energy.
В основі технології лежать сонячні панелі з чорного металу, обробленого фемтосекундними лазерами. Фемтосекунда — надзвичайно коротка одиниця часу, яка дорівнює одній квадрильйонній частці секунди. Імпульси цих надшвидких лазерів можуть точно змінювати поверхню матеріалу, створюючи мікроскопічні структури, які різко змінюють його ставлення до світла та води.
Завдяки лазерній обробці метал надзвичайно ефективно поглинає сонячне світло, а також надає йому міцних властивостей, тобто вода швидко поширюється поверхнею, а не бризкає.
Як працює поверхня, що самоочищається
Кожна панель має активну лазерну зону, яка притягує на свою поверхню дуже тонкий шар морської води. Темний метал поглинає майже все надходить сонячне випромінювання, нагріваючи воду та змушуючи її випаровуватися.
Це випаровування залишає розчинені солі та інші мінерали. Замість того, щоб дозволити цим матеріалам накопичуватися там, де відбувається випаровування, панель спрямовує їх до необроблених ділянок з боків, відомих як пасивна зона.
Цей крок важливий, оскільки накопичення солі є однією з найбільших проблем, з якими стикаються системи сонячної очистки. Якщо мінерали утворюють твердий шар на активній поверхні, вони можуть блокувати рух води і зрештою зупинити роботу системи.
Чому справжню морську воду важче очистити?
Попередні сонячні термальні системи опріснення часто добре працювали в лабораторних експериментах з використанням простої штучної морської води, виготовленої з води та хлориду натрію, говорить Го.
Коли хлорид натрію кристалізується під час випаровування води, він прагне утворити відносно зернисту та пористу структуру. Вода може продовжувати рухатися через ці кристали, допомагаючи розчиняти накопичену сіль і полегшуючи очищення поверхні.
Справжня морська вода набагато складніша.
Крім хлориду натрію в ньому містяться магній, кальцій і багато інших розчинених речовин. Деякі з цих сполук можуть кристалізуватися у тверді, щільні відкладення, які є набагато менш пористими.
Це схоже на мінеральний наліт, який поступово накопичується в душі чи чайнику. Однак у системі очищення проблема значно більша, адже морська вода містить у сотні разів більше розчинених солей, ніж звичайна водопровідна вода.
Коли ці відкладення накопичуються, вода більше не може вільно текти поверхнею, знижуючи її ефективність і зрештою засмічуючи систему.
Використання ефекту кавового кільця для транспортування солі
Щоб подолати цю проблему, команда Гуо ретельно розробила мікроскопічні ямки в чорному металі, щоб дозволити солям і мінералам витікати з активної області замість утворення стійкого шару.
Дослідники також використали знайоме фізичне явище під назвою ефект кавового кільця.
Кожен, хто наливав каву і дивився, як вона висихає, напевно це бачив. У міру випаровування води зважені частки рухаються до краю краплі, залишаючи за собою темне кільце.
«Якщо ви впустите каву на землю, зрештою вода випарується, залишивши на зовнішньому краї кільце, яке складається з концентрованих частинок кави», — каже Го. «Ми використовуємо той самий принцип, щоб загнати солі в пасивну зону».
Замість того, щоб дозволити мінералам накопичуватися там, де випаровується сонячне світло, система направляє їх до країв панелі.
Дослідники перевірили цю техніку, використовуючи справжню морську воду, зібрану з Тихого, Атлантичного та Індійського океанів. У цих експериментах поверхня була ефективно очищена під час отримання прісної води, а солі, що залишилися, були спрямовані в пасивну зону, де вони були зібрані пізніше.
Важливо, що накопичення мінеральних речовин не знизило ефективність опріснення панелі.
Перетворення солоних відходів на корисні матеріали
Ще однією важливою перевагою є те, що відбувається з сіллю після видалення води.
Замість виробництва концентрованого рідкого розсолу, який необхідно переробити або утилізувати, система витягує майже 100 відсотків розчинених солей у твердій формі.
Цей матеріал може стати ресурсом, а не відходами. Деякі з них можна використовувати як кухонну сіль, а також можна знайти дорогоцінні мінерали.
Однією з особливо важливих цілей є літій, ключовий матеріал, який використовується в літій-іонних батареях, які живлять електромобілі, смартфони, ноутбуки та багато інших електронних пристроїв.
У відповідному дослідженні, опублікованому в Журнал хімії матеріалів АГуо та його колеги показали, що ті самі потужні сонячні панелі можна модифікувати, щоб відокремити літій від інших солей, які утворюються під час засолення.
Дослідники помістили наночастинки з титанату водню в мікроскопічні отвори в чорному металі. Ці частинки вибірково відокремлюють літій від суміші солей і мінералів.
«Видобуток літію з землі виявився дуже важким з енергетичної та екологічної точки зору, тому видобуток літію безпосередньо з солоної води може стати важливим кроком вперед», — говорить Го.
Відновлення літію з солоної води
Використовуючи зразки з Великого Солоного озера, команда змогла відновити близько 50 відсотків літію, який залишився в соляному розсолі.
Цей результат вказує на можливе майбутнє, в якому очисні споруди зможуть робити більше, ніж виробляти питну воду. Вони також можуть відновлювати комерційно цінні матеріали, які інакше опинилися б у потоці відходів.
Технологія ще знаходиться в зародковому стані. Наразі дослідники продемонстрували метод опріснення в експериментах з підтвердження концепції з використанням відносно невеликих пристроїв.
Гуо каже, що базова конструкція за своєю суттю є масштабованою і в кінцевому підсумку може допомогти як розширити доступ до чистої води, так і створити стійкі ресурси дорогоцінних мінералів.
У разі успішного масштабування цей підхід міг би вирішити дві основні проблеми одночасно: виробляти більше чистої води для зростаючого населення світу та зменшити навантаження на навколишнє середовище, пов’язане з опрісненням води та відходами шахт.
Дослідження підтримали Національний науковий фонд, Фонд Білла і Мелінди Гейтс і Всесвітня мережа університетів. Серед колег Гуо з Інституту оптики, які брали участь у дослідженні, — старший науковий співробітник Субаш Сінгх, аспірант Ран Вей ’24 (PhD), докторанти Лухен Тан і Тайнсю Сю, а також Мінцзянь Ма.
