Учёные разработали новый способ превращать морскую воду в пресную, который способен решить одну из главных проблем современного опреснения — образование огромного количества концентрированного солёного рассола.
Сегодня для получения пресной воды из моря чаще всего используют обратный осмос или нагрев. Первый метод заставляет воду проходить через специальные мембраны, второй отделяет её от соли с помощью испарения. Оба подхода могут требовать много энергии и дополнительной обработки воды, а после них остаётся сильно концентрированный рассол.
При сбросе обратно в океан такой рассол способен повышать местную солёность и снижать содержание кислорода, создавая неблагоприятные условия для морских организмов.
Исследователи Рочестерского университета предложили другой вариант. Их система использует солнечный свет и специальные панели из чёрного металла, поверхность которого обрабатывают сверхкороткими лазерными импульсами.
Такая обработка создаёт на металле микроскопические структуры. Благодаря им поверхность почти полностью поглощает падающее солнечное излучение и одновременно приобретает способность очень быстро растягивать воду по себе тончайшим слоем.
Морская вода поступает на активную часть панели. Чёрный металл нагревается на солнце, вода испаряется, а соли и другие растворённые вещества остаются.
Главная проблема подобных систем обычно начинается именно в этот момент. Если соль постепенно покрывает рабочую поверхность твёрдой коркой, вода перестаёт нормально перемещаться, эффективность падает, а система в конечном итоге забивается.
Авторы новой технологии заставили соль уходить с активной поверхности к краям панели. Для этого они создали на металле систему микроскопических борозд и использовали хорошо известный физический эффект, который можно наблюдать даже после высыхания капли кофе.
Когда капля кофе испаряется, содержащиеся в ней частицы постепенно перемещаются к краю и образуют характерное тёмное кольцо. Исследователи применили тот же принцип, чтобы направлять соли и минералы из зоны активного испарения к пассивным участкам панели.
Это особенно важно при работе с настоящей морской водой.
Во многих предыдущих экспериментах по солнечному опреснению использовалась упрощённая смесь воды и хлорида натрия. Его кристаллы обычно образуют достаточно рыхлую и пористую структуру, через которую вода ещё может проходить.
Но в настоящей морской воде содержатся также магний, кальций и множество других веществ. Некоторые из них образуют плотные твёрдые отложения, похожие на накипь в чайнике или душевой лейке. Только в морской воде концентрация растворённых солей во много раз выше, поэтому такие отложения способны быстро вывести систему из строя.
Новую технологию испытали не на искусственном растворе, а на настоящей воде из Тихого, Атлантического и Индийского океанов. Панели продолжали самостоятельно очищать рабочую поверхность: минералы перемещались к краям, где их затем можно было собрать.
При этом накопление солей в пассивной зоне не ухудшало эффективность опреснения.
Есть у технологии и ещё одно отличие от традиционных методов. Вместо жидкого концентрированного рассола исследователи смогли извлечь почти 100 процентов растворённых солей в твёрдом виде.
Таким образом, отходы теоретически могут превратиться в сырьё. Часть полученного вещества можно использовать как обычную соль, а из смеси можно извлекать и более ценные минералы.
Особое внимание учёные уделили литию — материалу, используемому в литий-ионных аккумуляторах электромобилей, смартфонов, ноутбуков и другой электроники.
В отдельном исследовании команда модифицировала те же панели так, чтобы они могли отделять литий от остальных солей. Для этого в микроскопические борозды металлической поверхности добавили наночастицы титаната водорода, способные избирательно связывать литий.
При испытаниях с образцами воды из Большого Солёного озера исследователям удалось извлечь около половины лития, содержавшегося в солях, оставшихся после опреснения.
Авторы считают, что в будущем установки для опреснения потенциально смогут не только производить пресную воду, но и извлекать ценные материалы из того, что сегодня считается отходами.
Однако технология пока находится на ранней стадии. Эксперименты проводились на сравнительно небольших устройствах и пока служат подтверждением работоспособности принципа.
Исследователи считают, что конструкцию можно масштабировать. Если это удастся сделать, одна технология потенциально сможет решать сразу две задачи: получать больше пресной воды и одновременно уменьшать экологические проблемы, связанные с отходами опреснения и добычей ценных минералов.
