Учёные разработали способ превращать морскую воду в пресную с помощью солнца — без химической подготовки и без образования токсичного рассола.
Проблема огромная: по данным ООН, 2,2 млрд человек до сих пор не имеют доступа к безопасной питьевой воде. Поэтому многие регионы, от Калифорнии до частей Ближнего Востока, используют опреснительные установки, которые делают пресную воду из морской.
Но традиционное опреснение часто дорогое, энергозатратное и не слишком экологичное. Такие методы, как обратный осмос и термическая дистилляция, могут требовать химической обработки воды. Кроме того, они создают большие объёмы концентрированной солёной жидкости — рассола. Если его сбрасывать обратно в океан, он может вредить морским экосистемам: повышать солёность воды и снижать уровень кислорода.
Исследователи из Рочестерского университета предложили другой подход. Их солнечная система эффективно производит пресную воду, работает без химической предварительной обработки и не создаёт жидких рассольных отходов.
Разработку возглавил Чунлей Го, профессор оптики и физики, а также старший научный сотрудник университетской Лаборатории лазерной энергетики. Команда описала технологию в журнале Light: Science & Applications.
В основе системы — специальные солнечные панели из чёрного металла, обработанного фемтосекундными лазерами. Такая обработка даёт поверхности два важных свойства: она почти полностью поглощает солнечный свет и очень сильно притягивает воду. Это свойство называют супервпитыванием.
На панели есть активная область с лазерным узором. Она втягивает тонкий слой морской воды. Солнечный свет нагревает поверхность, вода испаряется, а затем превращается в пресную. При этом соли и минералы не скапливаются там, где идёт испарение: они уходят в специальные пассивные зоны панели.
Именно это решает одну из главных проблем солнечного опреснения — засорение солями.
Раньше многие технологии хорошо работали в лаборатории на упрощённой “морской воде”, где были только вода и хлорид натрия. В таких условиях кристаллы соли образуют рыхлую пористую структуру, через которую вода всё ещё может проходить.
Но настоящая морская вода устроена сложнее. В ней есть не только хлорид натрия, но и другие минералы. Соединения магния и кальция могут образовывать плотные твёрдые корки. Они блокируют поток воды и со временем могут остановить весь процесс.
Это похоже на накипь в чайнике или налёт, который забивает душевую лейку, только в морской воде концентрация растворённых солей намного выше.
Чтобы обойти эту проблему, учёные создали на поверхности чёрного металла микроскопические канавки. Они направляют соли и минералы прочь от активной зоны ещё до того, как те успевают накопиться.
Команда также использовала эффект “кофейного кольца”. Когда капля кофе высыхает на поверхности, частицы концентрируются по краю и оставляют заметный след. Исследователи применили тот же принцип, чтобы перемещать соли в пассивную область панели.
Технологию испытали на образцах воды из Тихого, Атлантического и Индийского океанов. Поверхность фактически очищала себя сама: пресная вода продолжала извлекаться, а соли уходили в пассивные зоны, где их затем можно было собрать без потери эффективности системы.
Один из самых важных плюсов новой технологии — то, что происходит с оставшимися солями.
Обычное опреснение создаёт жидкий рассол, который нужно обрабатывать, утилизировать или сбрасывать в окружающую среду. Новый процесс вместо этого собирает почти все растворённые соли в твёрдом виде.
Эти вещества могут стать полезным ресурсом. Помимо обычной соли, система может помочь извлекать важные минералы, например литий — ключевой компонент литий-ионных батарей, которые используются в электромобилях и потребительской электронике.
В связанном исследовании, опубликованном в Journal of Materials Chemistry A, Го и его коллеги показали, что такие же супервпитывающие солнечные панели могут отделять литий от других солей.
Для этого в микроскопические канавки чёрного металла добавили наночастицы титаната водорода. Они избирательно выделяют литий среди других растворённых минералов.
Го отметил, что добыча лития из земли требует больших энергетических и экологических затрат, поэтому извлечение лития напрямую из солёной воды может стать важным направлением в будущем.
Используя воду из Большого Солёного озера в штате Юта, команда смогла восстановить около 50% лития, содержащегося в солях, оставшихся после опреснения.
Пока технология показана только на экспериментальных устройствах. Но Го считает, что её можно значительно масштабировать.
Если это удастся, система сможет одновременно помогать с доступом к чистой питьевой воде и создавать более устойчивый источник ценных минералов.
