Инновационное устройство, работающее на солнечной энергии, способно одновременно опреснять воду и добывать литий. Данная технология не требует предварительной химической обработки и полностью предотвращает образование опасного жидкого рассола.
Ирина Медведева
Пробирки с морской водой, водой из Большого Солёного озера, сульфатом никеля, сточными водами с хлоридом меди и опреснённой водой, а также извлечёнными солями демонстрируют, как новый подход, разработанный исследователями из Университета Рочестера, позволяет превращать природные и промышленные воды в пресную воду и пригодные для повторного использования минералы. Источник: University of Rochester photo / J. Adam Fenster
Как сообщает interestingengineering.com, специалисты из Рочестерского университета создали новый метод солнечного опреснения, который превращает морскую воду в питьевую исключительно за счет солнечного света. Кроме того, этот подход решает экологическую проблему, связанную с токсичными отходами на существующих опреснительных станциях.
Разработка отказывается от предварительной химической обработки и полностью исключает появление токсичного жидкого рассола. Систему протестировали на образцах воды из Тихого, Атлантического и Индийского океанов. Устройство эффективно добывает пресную воду, постоянно перемещая оставшиеся соли в пассивную зону для их сбора, при этом сохраняя высокую производительность панели.
Лазерная обработка помогает в борьбе с жаждой
Сегодня 2,2 миллиарда человек на планете лишены безопасной питьевой воды. В некоторых регионах планеты вода — дороже нефти. И решают эту проблему страны по-разному. Например, мы писали, как в Израиле была создана искусственная река в пустыне, а немецкие насосы «напоили» всю страну.
А в США для удовлетворения потребностей в питьевой воде прибрежные города — от Калифорнии до Ближнего Востока — используют промышленные опреснительные установки. Однако эти крупные сооружения, применяющие обратный осмос и термическую дистилляцию, наносят вред окружающей среде.
Они потребляют огромные объемы электроэнергии, требуют сложной предварительной химической обработки и сбрасывают в океан миллионы галлонов «рассола» — сверхконцентрированного, удушающего морского ила, который уничтожает морскую флору и фауну.
Чтобы решить эти проблемы, исследователи применили новый подход, используя солнечные панели из черного металла, обработанные сверхбыстрыми фемтосекундными лазерами.
Такая обработка делает поверхность чрезвычайно светопоглощающей и супервпитывающей (сильно притягивающей воду). При попадании солнечного света панель поглощает почти всё излучение. Вода быстро испаряется, и остается чистая дистиллированная вода, которую нужно собирать.
Однако настоящая морская вода содержит смесь кальция и магния, которая образует твердую корку накипи. Эта накипь быстро засоряет обычные солнечные камеры, подобно тому, как кальций портит насадку для душа. Проблема напоминает эффект кофейного кольца: при испарении капли жидкость стекает к краям, образуя кольцо из взвешенных частиц.
Команда Рочестера точно настроила микроканавки в металле, чтобы направлять это естественное движение наружу.
При испарении морской воды расширяющаяся жидкость выталкивает кристаллизующиеся соли и минералы в необработанную «пассивную» зону по краям панели. Таким образом, устройство самоочищается и работает непрерывно без сбоев.
Прибор из суперфитильного черного металла, прошедший лазерную обработку. Источник: University of Rochester photo / J. Adam Fenster
Выделение лития
Применение этого подхода к твердым отходам выходит далеко за рамки поваренной соли. Ученые могут воздействовать на конкретные минералы, сохраняя отходы в твердом виде.
В аналогичном исследовании, опубликованном в Journal of Materials Chemistry A, команда профессора Го продвинула технологию дальше. Они внедрили наночастицы титаната водорода в лазерные углубления металла. Эти наночастицы работают как крошечные химические магниты, извлекая литий из других океанских минералов.
Используя пробы воды из Большого Соленого озера, команда успешно выделила около 50% доступного лития из отходов опреснения. «Добыча лития из земли очень трудоемка с энергетической и экологической точек зрения, поэтому извлечение его прямо из соленой воды может стать важным направлением в будущем», — отметил Го.
Профессор считает, что благодаря проверенной технологии на малогабаритных устройствах система superwicking легко масштабируется и предлагает двойное решение: улучшение глобального доступа к питьевой воде и создание устойчивых цепочек поставки критически важных минералов.
Результаты исследований опубликованы в журнале «Light: Science & Applications».
Плюсы и минусы технологии
Критическим преимуществом системы является ее масштабируемость и автономность. Профессор Го подчеркивает, что суперфитильная структура из черного металла создается с помощью стандартной лазерной обработки, а сами панели не имеют движущихся частей или сложных насосов.
Это означает, что устройство может работать в удаленных прибрежных зонах, в местах природных катастроф или в развивающихся странах, где нет инфраструктуры для поддержки гигантских опреснительных заводов.
Единственным ресурсом является солнце, что делает технологию идеальной для засушливых прибрежных регионов Африки, Ближнего Востока или Южной Азии.
Однако, как и любая инновация, этот метод имеет ограничения, которые предстоит преодолеть. Производительность на квадратный метр панели пока уступает промышленным обратноосмотическим установкам, а система требует регулярного физического сбора твердых минеральных отложений из пассивной зоны.
Тем не менее, команда исследователей уже работает над оптимизацией формы микроканавок и состава наночастиц для ускорения испарения и увеличения доли извлекаемого лития.
Вопреки распространенному мнению, что экологичные технологии всегда менее эффективны, данная разработка доказывает обратное: простые физические принципы, усиленные современными материалами, могут превзойти сложные химические и энергоемкие процессы.
Экологические преимущества метода
Разработка университета Рочестера предлагает принципиально новый взгляд на ресурсную экономику прибрежных регионов. Вместо того чтобы тратить энергию на перекачку и химическую очистку огромных объемов воды, система использует естественный солнечный цикл испарения.
Это не только снижает углеродный след, но и радикально меняет логику эксплуатации океана: из источника экологических проблем он превращается в автономный завод по производству чистой воды и ценных материалов.
Отказ от жидкого рассола решает проблему, которая десятилетиями оставалась ахиллесовой пятой индустрии, ведь сегодня сброс этих концентрированных отходов ежегодно убивает тонны морской флоры.
Особенно перспективным выглядит встроенный механизм извлечения лития. В то время как мировой спрос на этот металл для аккумуляторов стремительно растет, традиционные методы его добычи — будь то открытые карьеры в Чили или испарительные пруды в Австралии — наносят тяжелый урон пустынным экосистемам и требуют колоссального расхода пресной воды.
Технология Рочестера предлагает получать литий куда более чистым способом: он остается в твердом виде в пассивной зоне устройства, не загрязняя океан и не требуя дополнительного выпаривания. Эффективность в 50% извлечения на тестовых образцах уже является серьезным коммерческим сигналом для горнодобывающей отрасли.
Будущее технологии
В ближайшие пять лет мы можем стать свидетелями появления первых коммерческих ферм из таких солнечных панелей вдоль побережья Калифорнии или Персидского залива. Если технология подтвердит свою экономическую рентабельность, это не только обеспечит миллионы людей чистой водой, но и кардинально снизит геополитическую напряженность вокруг литиевых месторождений.
Вместо того чтобы развязывать экологические войны за редкоземельные металлы, человечество сможет добывать их, просто нагревая морскую воду солнцем. Возможно, именно такие «тихие» инженерные решения, а не громкие политические декларации, станут настоящим ключом к устойчивому развитию в эпоху климатического кризиса.
Кстати, мы писали, что российские ученые из Пермского Политеха научились добывать литий из старых нефтяных скважин и пластовых вод.
Что же касается запасов питьевой воды, то и у нас в стране есть регионы, испытывающие дефицит этого жизненно необходимого ресурса. Например, вновь присоединенные территории. И в РАН предлагаются проекты поворота северных рек в южные степи. На эту тему мы публиковали мнение отраслевого эксперта профессора Юрия Сколубовича, призывающего вместо поворота рек на Донбасс привести в порядок действующую систему водоснабжения!