На пути к более дешевым и эффективным процессам опреснения воды
Извлечение соли из морской воды, чтобы сделать ее пригодной для питья, связано с рядом научных проблем. В последнее время исследователи работают над оптимизацией мембраны, используемой для процесса опреснения. Это исследование обещает сделать операции более доступными в будущем.
Опреснительные установки позволяют получать пресную воду из воды океанской (или солоноватой воды из устьев рек). В мире их чуть более 20 000, в основном в Саудовской Аравии, Объединенных Арабских Эмиратах, Израиле и Катаре. Ожидается, что их число также увеличится в течение следующих нескольких лет, учитывая растущий спрос на воду и истощение ресурсов. К сожалению, обработка этой воды по-прежнему очень дорога и требует много энергии.
Три метода
Эти заводы используют три основных метода. Первая - термическая дистилляция. Во время этого процесса морская вода просеивается, чтобы удалить самые крупные примеси. Затем она нагревается до тех пор, пока не испарится в резервуарах, где оседают соли. Испарившаяся вода в конце концов переходит в конденсационный резервуар, где возвращается в жидком виде и деминерализуется.
Второй метод - это электродиализ, который обеспечивает прохождение воды через мембраны под действием электрического поля. Однако этот метод применим только к воде с низкой соленостью.
Наконец, у нас есть техника, известная как обратный осмос. Здесь вода сначала фильтруется через слои песка и угля, так что остаются только соли. Затем она распыляется под высоким давлением через сверхтонкие мембраны, которые удерживают соли. Наконец, в воду добавляются минеральные соли, чтобы сделать ее безопасной для питья.
Сегодня нас интересует третий метод. В недавнем исследовании исследователи Техасского университета в Остине работали над оптимизацией мембран, используемых в процессе опреснения, чтобы сделать операции более доступными и, следовательно, более недорогими в будущем.
"Мембраны обратного осмоса широко используются для очистки воды, но мы до сих пор очень мало о них знаем", - объясняет Маниш Кумар, соавтор этой работы. "Мы не могли объяснить, как через них прошла вода. Кроме того, все улучшения, сделанные за последние сорок лет, по сути, были сделаны в темноте".
В журнале ученые отмечают, что они нашли способ сделать эти мембраны на 30-40% более эффективными с точки зрения энергии, необходимой для фильтрации воды. Ключ к их подходу кроется в плотности мембран в наномасштабе.
Чтобы получить более четкое представление об этих мембранах, исследователи использовали метод мультимодальной электронной микроскопии, который сочетает анализ химического состава с наноразмерным трехмерным картированием для моделирования эффективности очистки воды. Эта работа показала, что несоответствия и "мертвые зоны" в мембранах фактически играли более важную роль, чем толщина самих мембран.
"Вы можете невооруженным глазом увидеть, как некоторые участки более или менее плотны в кофейном фильтре", - объясняет инженер-химик Энрике Гомес. "То же самое и с фильтрационными мембранами. Они кажутся однородными, но на наномасштабе это не так. И то, как вы контролируете это массовое распределение, действительно важно для эффективности фильтрации воды".
По словам исследователей, обеспечение равномерного распределения плотности мембраны позволит очистить больше воды с меньшими затратами энергии.