Опреснительные установки, являющиеся основным источником пресной воды в засушливых регионах, могут производить меньше вредных отходов с помощью электричества и новых мембран, созданных в Мичиганском университете.
Мембраны могут помочь опреснительным установкам свести к минимуму или вовсе избавиться от отходов рассола, образующегося в качестве побочного продукта при превращении морской воды в питьевую. Сегодня жидкие рассольные отходы хранятся в прудах до тех пор, пока вода не испарится, оставив после себя твердую соль или концентрированный рассол, который можно подвергнуть дальнейшей переработке. Но рассолу нужно время, чтобы испариться, это может загрязнять грунтовые воды.
Также проблемой является пространство. На 1 литр питьевой воды, производимой на опреснительной установке, приходится 1,5 литра рассола. Согласно исследованию ООН, ежедневно в мире образуется более 170 миллиардов литров рассола. Когда не хватает места для испарительных прудов, опреснительные установки закачивают рассол под землю или сбрасывают в океан. Повышение уровня соли вблизи опреснительных установок может нанести вред морским экосистемам.
«В отрасли опреснения воды назрела необходимость найти лучшее решение», — говорит Йован Камчев, автор исследования, опубликованного в журнале Nature Chemical Engineering. «Наша технология может помочь опреснительным установкам стать более устойчивыми за счет сокращения отходов и использования меньшего количества энергии».
Для устранения отходов рассола инженеры опреснительных установок хотели бы сконцентрировать соль таким образом, чтобы ее можно было легко кристаллизовать в промышленных чанах, а не в прудах, которые могут занимать сотни гектаров. Отделенную воду можно было бы использовать для питья или сельского хозяйства, а твердую соль — для получения полезных продуктов. Морская вода содержит не только хлорид натрия — поваренную соль, — но и ценные металлы, такие как литий для аккумуляторов, магний для легких сплавов и калий для удобрений.
Опреснительные установки могут концентрировать рассол путем нагрева и испарения воды, что требует больших затрат энергии, или с помощью обратного осмоса, который работает только при относительно низкой солености. Электродиализ — многообещающая альтернатива, поскольку он работает при высоких концентрациях соли и требует мало энергии. В процессе используется электричество для концентрации соли, которая существует в воде в виде заряженных атомов и молекул, называемых ионами.
Вот как работает этот процесс: вода течет по множеству каналов, разделенных мембранами, каждая из которых имеет противоположный электрический заряд по отношению к соседним. По бокам всего потока расположена пара электродов. Положительные ионы соли движутся к отрицательно заряженному электроду и останавливаются положительно заряженной мембраной. Отрицательные ионы движутся к положительно заряженному электроду и останавливаются отрицательно заряженной мембраной. Таким образом, образуется два типа каналов — один, из которого выходят положительные и отрицательные ионы, и другой, в который входят ионы, в результате чего образуются потоки очищенной воды и концентрированного рассола.
Однако электродиализ имеет свои ограничения по солености. При повышении концентрации солей ионы начинают просачиваться через электродиализные мембраны. Хотя на рынке существуют мембраны, устойчивые к утечкам, они переносят ионы слишком медленно, что делает требования к мощности нецелесообразными для рассолов, которые более чем в 6 раз соленее морской воды.
Исследователи преодолели это ограничение, поместив в мембрану рекордное количество заряженных молекул, что увеличило их ионоотталкивающую способность и проводимость — а значит, они могут перемещать больше соли при меньшей мощности. Так ученые могут создавать мембраны, которые в 10 раз более электропроводны, чем относительно герметичные мембраны, представленные на рынке сегодня.
Плотный заряд притягивает большое количество молекул воды, что ограничивает возможности обычных электродиализных мембран, которые разбухают по мере поглощения воды, и заряд размывается. В новых мембранах соединительные элементы из углерода предотвращают набухание, фиксируя заряженные молекулы вместе. Уровень ограничения можно менять, чтобы контролировать герметичность и проводимость.
«Вода — это важный ресурс, поэтому было бы замечательно помочь сделать опреснение устойчивым решением глобального водного кризиса», — заключили специалисты.
[Фото: ru.123rf.com]
