Опріснення: полегшення тягаря спраги

Починаючи з 1900-х років і далі, близько 11 мільйонів людей загинули в результаті поширених наслідків посухи. Посуха – період із меншою за середню кількість опадів у регіоні – стає все більшою глобальною проблемою. Наслідки включають зниження рівня прісної води, голод і хвороби.

Значення опріснення води в глобальному масштабі

Щоб підтримати зростаюче населення, дослідження спрямовані на пошук вирішення цих проблем. Буріння ґрунтових вод і переробка стічних вод є прикладами тимчасових рішень. Серед цих рішень – опріснення. Опріснення - це процес проштовхування солоної води через мембрану шляхом зворотного осмосу, відокремлюючи прісну воду від домішок. Незважаючи на те, що опріснення використовується в таких місцях, як Ізраїль і Каліфорнія, решта світу ще не застосовує опріснення через його репутацію за масове споживання енергії.

Підхід до зниження вартості полягає в заміні основного матеріалу, який використовується для виготовлення мембрани, відносно недорогим матеріалом під назвою поліамід. На жаль, ця заміна має іншу ціну. Відомо, що хлор є хімічною речовиною, яка присутня в очищенні води для знищення бактерій, але контакт з поліамідом руйнує мембрану. Щоб уникнути дегенерації, екстракція хлору стає додатковим кроком у процесі опріснення. Однак, коли хлору немає, можуть виникнути мікроби, які перешкоджають потоку води.

Можливим рішенням є заміна поліаміду на оксид графену. Сполука графен має структуру, схожу на стільники. Передбачається, що цей матеріал буде більш проникним для води і, отже, зменшить тиск, необхідний для диктування потоку води.

Матеріалознавці Массачусетського технологічного інституту Джефф Гроссман, Шрея Дейв та їхні колеги використовують цю сполуку у своїх дослідженнях. Пластівці графену, які очистили від шматочків графіту, поміщають у воду. Потім рідину відсмоктують за допомогою вакуумної фільтрації, залишаючи листи як залишки. Залишки об’єднуються, щоб створити шматки, зв’язуючи атоми вуглецю та кисню. Це злиття змінено, щоб зробити простір між пластівцями достатньо великим, щоб дозволити потоку молекул води, перешкоджаючи солі та іншим домішкам. Було доведено, що молекули води легше проходять через графітову мембрану, ніж поліамідну. Також зроблено висновок, що цей матеріал може додатково знизити потребу в енергії через менший опір молекулам води, хоча цю гіпотезу ще належить перевірити. Крім того, вартість оксиду графену не сильно відрізняється від ціни поліаміду.

Застосування опріснення води в Ізраїлі

Пару років тому було виявлено, що Ізраїль має справу з серйозною проблемою посухи – найгіршою за 900 років. Щоб боротися із посушливими землями, Ізраїль дослідив національну кампанію із забезпечення збереження води. У 2007 році почали використовувати туалети з низьким потоком і душові лійки, а воду з дренажних систем використовували для поливу. Однак найбільше покращення відбулося після впровадження установок опріснення. Наприклад, опріснювальний завод Sorek почав працювати в жовтні 2013 року. Він розташований в десяти милях на південь від Тель-Авіва і є найбільшим у світі заводом з опріснення води за допомогою зворотного осмосу.

Після потоку води під тиском поширеною проблемою в процесі опріснення є вартість очищення заблокованих пор від молекул, що залишилися. Едо Бар-Зеєв і його колеги з ізраїльського Інституту дослідження води Цукерберга зробили дивовижне відкриття щодо покращення розділення води та забруднень. Вони ввели в користування пористий лавовий камінь, завдяки якому мікроорганізми не можуть контактувати з мембранами. Ця технологія покращила продуктивність опріснювальних установок. Зараз 55 відсотків побутової води надходить із опріснювальних установок.

Алюмінієві диски – постачання в країни, що розвиваються

Подальші дослідження схиляються до альтернативних матеріалів, таких як вуглецеві нанотрубки як мембрани. Основним питанням для інтеграції таких висновків є вартість. Застосування таких процесів має розглядатися на глобальному рівні. У всьому світі є сільські райони, які є менш розвиненими і можуть не мати ресурсів для розвитку опріснювальних установок, щоб обслуговувати інші території.

Щоб протистояти цій проблемі, Цзя Чжу з Нанкінського університету в Китаї та його колеги працювали над альтернативними джерелами енергії, такими як сонце. Проте залежність від прямого контакту від сонця є обмеженою. Дослідження розглядають використання поглинаючих матеріалів для збільшення кількості енергії від сонячного світла. Можливим рішенням є використання алюмінієвих дисків, які поглинають понад 96 відсотків сонячного світла, 90 відсотків якого використовується для утворення водяної пари. Таким чином також дотримуються норми пиття. Якщо його впровадити, алюміній є недорогим матеріалом і може виробляти воду з тією ж швидкістю, що й опріснювальні установки. Однак, через чисту дистильовану воду після випаровування, відсутність таких мінералів, як магній і кальцій, є наслідком. Таким чином, це тимчасове рішення, але не слід використовувати в довгостроковій перспективі.