Две трети поверхности Земли залиты этим веществом, но вода — особенно чистая и пригодная для питья — недоступна миллиардам людей.
Новая система очистки, разработанная исследователями из Института передовых наук и технологий Бекмана, использует электрифицированную версию диализа для отделения соли и других ненужных частиц от пригодного для питья продукта. Успешно применяемый для очистки сточных вод с планируемым расширением в реки и моря, этот метод экономит деньги и расходует на 90% меньше энергии, чем его аналоги. Исследование было опубликовано в журнале ACS Energy Letters.
Если бы только удалить соль из воды было так же просто, как помахать гигантским магнитом над Тихим океаном или просеять жидкость через сверхтонкое сито. Как только подвижный минерал растворяется, процесс разделения, называемый в научных кругах опреснением, становится более дорогостоящим и требует больше энергии.
Опреснение воды еще больше осложняется примесями и органическими веществами (мелкими частичками, которые вы обнаружите взвешенными в мерной ложке нефильтрованной океанской воды), удаление которых приводит к увеличению затрат на энергию и бюджетные расходы.
«Нам нужен способ очистки питьевой воды, который был бы низкоэнергетичным, недорогим и полезным для сообществ, которые больше всего в этом нуждаются. Я рассматриваю наше решение как платформу для решения как энергетического, так и водного кризисов», — сказал Сяо Су, исследователь Бекмана и доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии в Университете Иллинойса Урбана-Шампейн.
Для обессоливания воды обычно требуется фильтрация или выпаривание, чтобы отделить нежелательные элементы, такие как натрий, хлорид, органические вещества и различные атомарные примеси. Тепло, например, хорошо справляется с этим трюком — простой кухонный эксперимент показывает, что кипячение подсоленной воды приводит к испарению жидкости, а соль остается в виде твердой соленой корки.
Су и его коллеги использовали другой подход: электродиализ. Точно так же, как при диализе крови, который, подобно почкам, вымывает соль и другие токсины из наших вен, электродиализ удаляет соли и органические вещества из сточных вод для получения чистого продукта, пригодного для питья.
Электродиализ является эффективным средством опреснения воды, но часто требует больших затрат энергии. Во многом это связано с его флагманской реакцией расщепления воды, которая расщепляет молекулы воды на два компонента: положительно заряженный протон и отрицательно заряженный гидроксид. Поскольку строительные блоки соли обладают собственными зарядами, расщепление воды заставляет минерал двигаться в определенном направлении — подобно мотыльку, летящему на пламя с противоположным зарядом, или кусочку металла, притягиваемому магнитом.
Однако вместо магнита в электродиализе используются заряженные ионообменные мембраны, названные так потому, что через них могут проходить только ионы (атомы с положительным или отрицательным электрическим зарядом). Ионообменные мембраны являются одним из самых дорогостоящих компонентов электродиализа, поскольку они требуют тщательного ухода и частой замены.
Су и его коллеги стремились очистить воду без затрат энергии на электродиализ или финансовых затрат на ионообменные мембраны. Итак, они изменили традиционный подход двумя основными способами.
Чтобы сэкономить энергию, исследователи упростили процесс разделения солей с помощью химического явления, называемого окислительно-восстановительной реакцией. Слово «окислительно-восстановительный» является комбинацией слов «восстановление» (которое в химии описывает добавление электронов для создания отрицательного заряда) и «окисление» (что означает вычитание электронов для создания положительного заряда). Физически запуск окислительно-восстановительной реакции выглядит как добавление специального материала на основе полимера в сточные воды перед их фильтрацией и очисткой.
С химической точки зрения результаты являются преобразующими. Вместо расщепления молекул воды на положительно и отрицательно заряженные фрагменты для извлечения соли окислительно-восстановительная реакция изменяет заряд всей молекулы воды одним махом, достигая той же степени разделения соли примерно на 90% с меньшими затратами энергии, чем при традиционном расщеплении воды.
Чтобы повысить экономическую экономию и энергоэффективность, исследователи заменили обычные ионообменные мембраны на нанофильтрационную мембрану, более надежный и менее дорогой вариант.
Эксперименты на региональной водоочистной станции показали, что метод исследователей может успешно очищать сточные воды; в планах на будущее — распространение на источники соленой и солоноватой воды, такие как грунтовые воды и реки.
Благодаря низкому энергопотреблению электродиализ на основе окислительно-восстановительных процессов хорошо сочетается с солнечными батареями. Его положительные характеристики в жарком климате полезны для применения в регионах, подверженных влиянию климата, «где очень необходимо недорогое опреснение с низким энергопотреблением», — сказал Су.
«Нехватка воды — это глобальная проблема, и она не изменится за один день. Но мы делаем шаг к решению, которое осуществимо и может быть расширено», — сказал он.
До сих пор исследователи тестировали свой метод на образцах объемом в несколько литров. Но они стремятся расшириться до водоема побольше.
«У нас есть правильный полимер, у нас есть правильная мембрана, и у нас есть правильные условия», — сказал Су. «Наука налицо, поэтому следующий шаг — проложить путь к внедрению этих устройств для очистки воды в реальных условиях. Я верю, что для этого настало подходящее время, и я с нетерпением жду, когда это произойдет».