Платим блогерам
Блоги
Fantoci
Опреснение морской воды поможет в решении глобальной проблемы нехватки пресной воды, которая, по прогнозам, к 2030 году удовлетворит лишь 40% мирового спроса.

Представьте себе будущее, где проблема нехватки питьевой воды решается инновационным способом, исключающим необходимость использования вредных химикатов. Ученые разработали прорывную технологию очистки морской воды, которая способна совершить революцию в области опреснения. Вместо традиционных, дорогостоящих химических методов, новая разработка основана на применении специальных электродов из углеродного волокна. Эти электроды эффективно извлекают бор из морской воды – критически важный этап для получения безопасной питьевой воды. Новое исследование, детально описывающее эту перспективную технологию, было опубликовано в престижном научном журнале Nature Water группой инженеров из Мичиганского университета и Университета Райса.

Напомним вам, что бор – природный элемент, присутствующий в большом количестве в морской воде. К тоже он становится опасным загрязнителем в питьевой воде, если его не удается отфильтровать обычными методами, предназначенными для извлечения солей. Концентрация бора в морской воде значительно превышает допустимые нормы, установленные Всемирной организацией здравоохранения для питьевой воды, а также намного выше пределов толерантности многих сельскохозяйственных культур. "Большинство мембран обратного осмоса не способны эффективно удалять бор, поэтому на опреснительных установках обычно требуется дополнительная обработка для его извлечения, что значительно увеличивает затраты," – отмечает Йован Камцев, доцент Мичиганского университета, специализирующийся на химической инженерии и науке о макромолекулах, и один из авторов исследования. "Мы разработали принципиально новую технологию, которая отличается масштабируемостью и позволяет удалять бор с высокой энергоэффективностью, превосходя некоторые традиционные методы."

Традиционный процесс опреснения не является столько эффективным, поскольку в морской воде бор присутствует в виде нейтральной борной кислоты. Мембраны обратного осмоса, используемые для удаления солей, эффективно отталкивают электрически заряженные ионы, но не нейтральные молекулы. Чтобы обойти это препятствие, на опреснительных станциях применяют сложный процесс: в обработанную воду добавляют щелочь, которая придает борной кислоте отрицательный заряд. Затем, на следующем этапе обратного осмоса, уже заряженный бор удаляется. В завершение процесса, добавлением кислоты нейтрализуют щелочь. Эти дополнительные стадии обработки существенно увеличивают стоимость всего процесса.

Инновационное решение, предложенное исследователями, заключается в следующем: после первоначального этапа обратного осмоса, удаляющего основную часть солей, вода поступает в специальную емкость. Эта емкость содержит мембрану, состоящую из положительно и отрицательно заряженных слоев. Напротив этих слоев расположены электроды с соответствующими зарядами. При подаче электрического тока молекулы воды на границе раздела мембран расщепляются на ионы водорода (положительно заряженные) и гидроксида (отрицательно заряженные). Ионы гидроксида связываются с молекулами бора, придавая им отрицательный заряд, благодаря чему бор притягивается к положительно заряженному электроду.

На схеме показано, как именно происходит процесс удаления бора с помощью разработанных электродов. Сначала большая часть солей отфильтровывается методом обратного осмоса. Затем вода поступает в ячейку с мембраной, имеющей положительный и отрицательный слои. Напротив них размещены электроды. При подаче тока вода распадается на ионы, и гидроксид притягивает бор к положительному электроду. Иллюстрация предоставлена Йованом Камцевым и Вэйи Панем.

"Наша разработка позволяет значительно снизить потребность в химических реагентах и энергии при опреснении морской воды, что существенно повышает экологическую безопасность и сокращает затраты до 15%, что эквивалентно примерно 20 центам на кубический метр обработанной воды," – поясняет Вэйи Пань, научный сотрудник Университета Райса и один из ведущих авторов исследования. Учитывая, что в 2019 году общая мощность мировых опреснительных установок достигала 95 миллионов кубических метров в сутки, внедрение новых мембран может привести к экономии порядка 6,9 миллиарда долларов в год. Крупные опреснительные комплексы, такие как установка имени Клода "Бада" Льюиса в Карлсбаде, штат Калифорния, могли бы сэкономить миллионы долларов ежегодно. Такая экономия может сделать опреснение морской воды более доступным решением для обеспечения населения питьевой водой, что особенно актуально в условиях нарастающего водного кризиса. По прогнозам экспертов, к 2030 году запасы пресной воды смогут удовлетворить лишь 40% от общей потребности.

Секрет высокой эффективности новых электродов заключается в их структуре: они имеют пористую поверхность, усеянную особыми кислородсодержащими элементами. Эти элементы обладают способностью избирательно связываться с бором, пропуская при этом другие ионы, присутствующие в морской воде. Таким образом, достигается максимальная эффективность улавливания бора. Интересно, что для активации процесса захвата бора не требуется добавление щелочи. Необходимый отрицательный заряд бору придается за счет расщепления молекул воды на электродах. Образующиеся при этом отрицательные ионы гидроксида взаимодействуют с бором, заставляя его притягиваться к специальным участкам внутри пор положительного электрода.

На этом изображении показаны волокна углеродной ткани, из которой изготовлены электроды. После обработки кислотой на их поверхности формируются структуры, способные эффективно улавливать бор. Изображение предоставлено Йованом Камцевым.

Благодаря такому подходу, отпадает необходимость в энергозатратном этапе дополнительного обратного осмоса для удаления бора. После завершения процесса захвата бора, ионы водорода и гидроксида рекомбинируют, образуя чистую, нейтральную воду, свободную от примесей бора.

"Наше исследование демонстрирует универсальность предложенной платформы, основанной на изменениях pH, которая может быть применена для удаления и других загрязнителей, таких как мышьяк, переводя их в легко удаляемые формы," – подчеркивает Менахем Элимелех, профессор Университета Райса, эксперт в области гражданской и экологической инженерии, а также химической и биомолекулярной инженерии, и один из руководителей исследования. "Более того, функциональные группы на поверхности электродов могут быть модифицированы для избирательного связывания с различными видами загрязнителей, что открывает перспективы для разработки энергоэффективных методов очистки воды от широкого спектра примесей."

2
Показать комментарии (2)

Популярные новости

Сейчас обсуждают