Несмотря на то, что около 70% нашей прекрасной планеты покрыта водой, большая ее часть не пригодна к употреблению ввиду ряда причин. Одной из самых очевидных является соленость морской и океанической воды, которая занимает порядка 97% гидросферы. Опреснение такой воды — это довольно сложный, дорогой и энергоемкий процесс. Дополнительным недостатком является то, что после классического опреснения (например, через обратный осмос или термическую дистилляцию) остается большой объем концентрированной соленой воды, известной как рассол. Выливать эту жидкость обратно в океан — крайне плохая идея, ведь это приводит к повышению солености и снижению уровня кислорода, тем самым оказывая негативное влияние на водные экосистемы. Следовательно, необходим метод опреснения, который не будет давать рассол в качестве побочного продукта. Ученые из Рочестерского университета (Рочестер, Нью-Йорк, США) создали такой метод. Как именно он работает, что является его основой, и какие он дает результаты? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Запасы пресной воды необходимы не только для жизни на планете, но и для промышленного роста, экономического развития и сельского хозяйства. Постоянно растущий спрос на пресную воду и истощение природных водных ресурсов создают серьезную нехватку воды, затрагивающую две трети населения планеты. Обострение глобального водного кризиса создало острую необходимость обратиться к океанам как к источнику пресной воды. Однако существующие промышленные процессы опреснения океанической воды энергоемки, имеют низкий коэффициент извлечения воды и производят большое количество вредного рассола — смеси концентрированной соли и химических веществ. Например, широко используемые системы обратного осмоса (RO от reverse osmosis) и многоступенчатых систем опреснения имеют коэффициенты извлечения 0.42 и 0.22 соответственно и производят от 0.6 до 6.7 кг CO₂ при опреснении одного кубического метра океанической воды. Из-за низких коэффициентов извлечения существующие системы опреснения сбрасывают 58–78% поступающей воды в виде отработанных рассолов, которые либо напрямую сбрасываются в близлежащие водные источники, такие как озера, реки, океанские берега, либо закачиваются под землю или распределяются по суше. Такая практика негативно сказывается на водной флоре и фауне, наземной растительности и подземных водах. Идеальным решением является достижение нулевого сброса рассола, или, как это обычно называют, нулевого сброса жидких отходов (ZLD от zero liquid discharge), что позволило бы исключить жидкие отходы и вместо них получать твердые соли в качестве побочного продукта.

С другой стороны, океаническая вода содержит большое количество ценных минералов, в сотни раз больше, чем на суше, и многие из них являются редкими и очень ценными. Поскольку наземная добыча полезных ископаемых сталкивается с проблемами, связанными с истощением качественных руд, высоким потреблением энергии и воды, а также экологическими проблемами, добыча ценных элементов, таких как литий и уран, непосредственно из океанической воды была бы крайне желательной, если бы ее можно было интегрировать в систему опреснения. Использование ценных минералов из океана также снизило бы себестоимость производства воды, а также минимизировало бы экологические проблемы, связанные со сбросом рассола. В традиционных ZLD системах океаническая вода или концентрированный рассол разливаются в ряд испарительных/кристаллизационных прудов для естественного испарения воды до достижения насыщения различными солями для кристаллизации. Однако этот подход медленный, требует больших площадей земли и угрожает загрязнением подземных вод из-за утечки минералов. Поэтому разработка ZLD системы опреснения воды, работающей на возобновляемых источниках энергии, которая могла бы быстро и одновременно производить пресную воду и использовать ценную морскую соль непосредственно из океанической воды, является крайне желательной как с экологической, так и с экономической точки зрения.

Недавно было показано, что солнечно-термическое испарение на границе раздела фаз является эффективным, в несколько раз более быстрым, чем природные процессы, и экологически чистым решением глобального водного кризиса. По сравнению с традиционным опреснением на основе обратного осмоса, солнечно-термическое опреснение на границе раздела фаз является энергоэффективным, не требует подключения к электросети и является устойчивым. Процесс испарения на границе раздела фаз требует сочетания материалов, способных поглощать солнечный свет и впитывать воду. Для поглощения солнечного света были разработаны плазмонные наночастицы, углеродсодержащие материалы, гидрогели и полупроводники. Для впитывания воды был разработан ряд сетей переноса воды, включая массив направленных микропор, случайные пористые структуры и двумерные каналы. Однако большинство существующих испарителей с межфазной структурой основаны на замкнутых и пористых сетях переноса воды, которые по своей природе склонны к засорению. Эта проблема становится особенно острой при опреснении морской воды, поскольку активная поверхность существующих испарителей быстро засоряется кристаллизованной солью, что приводит к снижению производительности и в конечном итоге к прекращению работы.

Изображение №1

Хотя был достигнут прогресс в кристаллизации соли на краю испарителей, что позволило получить так называемую краевую кристаллизацию, реальная морская вода использовалась редко из-за недостаточной растворяющей способности капиллярного потока на границе с солью в существующих системах. Таким образом, обсуждение проблемы засорения в прошлом в значительной степени избегалось за счет использования имитированной океанской воды, предварительной обработки океанской воды путем добавления химических добавок для изменения геометрии кристаллов соли (1a), использования растворения и осаждения соли в ночное время (1b) или механического удаления.

Недавно была предпринята попытка использовать открытые капилляры для транспортировки воды. Однако испаритель был разработан для обычного испарения воды, а не для удаления соли, что привело к значительному засорению системы солью и необходимости распыления воды перед повторным использованием (1c). Более того, этот процесс промывки растворяет кристаллизованную соль обратно в источник воды, что приводит к сбросу рассола. Поэтому ни один из предыдущих подходов не может решить фундаментальные проблемы засорения солью и обычно требует предварительной обработки воды или оставления накопленной соли на активной поверхности на некоторое время перед удалением, что сокращает эффективное время работы.

Чтобы оценить сложность опреснения реальной океанской воды, ученые провели сравнительное исследование испарения, используя имитированную океанскую воду и реальную океанскую воду при солнечном облучении с интенсивностью в 1 солнце. Испаритель был изготовлен из широко используемого традиционного фитильного материала с использованием гидрофильных пористых волокон, покрытых черной краской (1d). При использовании имитированной океанской воды соль кристаллизуется на краю фитильного материала, что демонстрирует аналогичные результаты, как и в большинстве предыдущих исследований (1e). Это происходит потому, что NaCl кристаллизуется в кубической структуре, оставляя взаимосвязанные открытые поры между кристаллами. Эти поры позволяют капиллярному потоку проходить через кристаллическую матрицу и обеспечивают кристаллизацию наружу (1f). Таким образом, испаритель остается самоочищающимся и демонстрирует стабильное испарение. Однако те же самые фитильные волокна не перемещают соль к краю при использовании реальной океанской воды (1g). При этом видна четко выраженная солевая корка, образовавшаяся на поверхности испарителя. Образование этой корки обусловлено присутствием в реальной океанской воде менее растворимых минералов, в частности MgSO₄ и CaCO₃, которые образуют непористое, твердое и корковое вещество между кристаллами NaCl (1h). Капиллярный поток со слабой растворяющей способностью будет заблокирован кристаллами соли, что приведет к обратной кристаллизации и, в конечном итоге, к засорению. Поскольку океанская вода является основным источником воды для солнечно-термического опреснения в реальных условиях, успешная демонстрация опреснения реальной океанской воды со стабильной производительностью имеет огромное практическое значение.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые продемонстрировали энергоэффективный, самообслуживаемый солнечно-термический межфазный кристаллизатор (ABF-STIC от additive-free and brine-discharge-free solar-thermal interfacial crystallizer), не требующий добавок и не образующий сбросов рассола, который одновременно производит пресную воду и позволяет извлекать широкий спектр ценных солей из реальной морской воды (1i). Эти уникальные характеристики достигаются благодаря использованию многофункциональной наноструктурированной панели из сверхкапиллярного черного металла (SWBM от superwicking black metal), которая может поднимать тонкую пленку воды вверх по своей поверхности, поглощать почти все солнечное излучение и выталкивать кристаллизованные соли из активных областей в пассивные области для самоочистки и сбора солей.

В этом исследовании показано, что при надлежащей оптимизации поверхностных структур поверхность испарителя обеспечит непрерывное расширение соли наружу, что позволит осуществлять самоочистку при обработке реальной океанской воды (вставка на 1i). ABF-STIC также может отслеживать солнце для максимизации солнечного потока и эффективности опреснения. Созданная установка ABF-STIC используется для очистки реальной океанской воды из Тихого, Атлантического и Индийского океанов и работает непрерывно в течение нескольких недель без технического обслуживания, достигая средней скорости испарения 1.76 ± 0.04 кг/м²/ч и скорости извлечения соли 61.74 ± 2.46 г/м²/ч при освещенности, эквивалентной 1 солнцу, что соответствует эффективности испарения ~74% на основе энтальпии испарения воды и почти 100% извлечению соли. В отличие от предыдущих устройств, данный одноэтапный процесс опресняет океанскую воду без сброса жидкости и без каких-либо добавок, тем самым реализуя действительно устойчивое и экологически безопасное решение для опреснения воды и извлечения соли.

Результаты исследования

Изготовление сверхкапиллярного черного металла (SWBM)

Для системы межфазного солнечно-термического испарения воды оптимальная эффективность испарения достигается в случае, когда вся подаваемая вода полностью испаряется, то есть m_evap ≈ m_tran, где m_evap и m_tran — скорости испарения воды и переноса воды соответственно. Если m_tran превышает m_evap, в сети транспортировки воды остается избыток жидкости, что приводит к тепловым потерям. С другой стороны, если m_tran меньше m_evap, на поверхности испарителя могут формироваться сухие зоны. При испарении дистиллированной воды нарушение баланса между подачей воды и испарением лишь снижает эффективность процесса. Однако при испарении растворов с высокой концентрацией солей, таких как реальная морская вода или рассол, необходимо, чтобы m_tran был больше m_evap, иначе растворенные соли будут кристаллизоваться на поверхности испарителя при достижении концентрации выше предела насыщения. В результате кристаллизованные соли ухудшают поглощение солнечного излучения и транспорт воды, увеличивают сопротивление испарению и снижают общую эффективность системы. Поверхность SWBM, поглощающая свет и обеспечивающая капиллярный перенос воды, рассматривается как активная зона, тогда как окружающая область — как пассивная зона. Кристаллизации соли на поверхности испарителя можно избежать за счет ускорения переноса воды, разбавления концентрации в активной зоне до уровня ниже насыщения и вытеснения насыщенного солевого раствора в окружающие пассивные области. Таким образом, SWBM должен быть тщательно спроектирован с учетом баланса между транспортом воды, оптическим поглощением и накоплением соли.

Изображение №2

Созданные образцы SWBM были получены с помощью одноступенчатой и масштабируемой фемтосекундной (fs) лазерной обработки тонких алюминиевых фольг (200 мкм). Поверхности SWBM состоят из массива параллельных микромасштабных канавок и гребней (2a). Микроканавки и микрогребни дополнительно покрыты различными наноструктурами. Путем регулирования мощности лазерной обработки можно получать образцы SWBM с более глубокими и широкими микроканавками при более высокой мощности лазера и, наоборот, с более мелкими и узкими микроканавками при более низкой мощности. На 2b показаны профили глубины четырех образцов SWBM, составляющие примерно 80 мкм, 100 мкм, 120 мкм и 150 мкм соответственно, полученные при различной мощности лазера (0.6; 0.9; 1.2 и 1.5 Вт). Далее эти образцы обозначаются как SWBM-0.6, SWBM-0.9, SWBM-1.2 и SWBM-1.5.

Скорость переноса воды в микрокапилляре определяется капиллярным давлением, гравитацией, инерцией воды и вязкостным давлением. Однако, учитывая небольшое количество воды в капилляре, гравитацией и инерцией можно пренебречь. Поэтому уравнение Уошберна-Ридела дает достаточно точную оценку динамики капиллярного впитывания воды в этом случае:

W²_front = K(α, θ)(γh/μ)t

где W_front — положение фронта смачивания в момент времени t. Константы γ и μ представляют собой поверхностное натяжение и динамическую вязкость жидкости соответственно, h — глубина канавки, а K(α, θ) — геометрический коэффициент, зависящий от угла раскрытия канавки α и краевого угла смачивания на границе жидкость–твердое тело θ.

Для экспериментальной проверки образцы SWBM были вертикально закреплены на крановой конструкции, установленной на z-позиционере. Затем высоту образца постепенно уменьшали до тех пор, пока его нижний край не касался поверхности воды в резервуаре. Как только SWBM соприкасался с поверхностью воды, вода начинала подниматься по поверхности образца вверх против силы тяжести с беспрецедентно высокой скоростью. Динамику капиллярного подъема воды регистрировали с помощью высокоскоростной камеры. Снимки, полученные в различные моменты времени, представлены на 2c, где положение фронта смачивания W_front отмечено белыми линиями. Видно, что для всех образцов положение фронта смачивания увеличивается пропорционально квадратному корню из времени, что хорошо согласуется с теоретическим прогнозом. Для всех четырех исследованных образцов скорость капиллярного подъема возрастала с увеличением мощности лазерной обработки. Образец SWBM-1.5 продемонстрировал наиболее выраженный капиллярный эффект: вода поднималась по его поверхности вверх с начальной скоростью 8 см/с и средней скоростью 2 см/с. Количество воды, подаваемой за счет капиллярного эффекта, затем оценивали на основе средней скорости продвижения фронта смачивания и площади поперечного сечения микрокапилляров. Как показано на 2d, наибольший объем воды транспортировался в образце SWBM-1.5, что обусловлено наиболее сильным капиллярным эффектом и наибольшей площадью поперечного сечения капилляров.

Помимо сверхкапиллярного эффекта для переноса воды, SWBM также демонстрирует практически идеальное поглощение солнечного излучения. Было показано, что захват света в микроканавках и гибридизация нескольких мод поверхностного плазмонного резонанса в микро- и наноструктурах обеспечивают почти полное оптическое поглощение в широком спектральном диапазоне (2e). Среднее солнечное поглощение определяется как ᾱ = ∫₀^∞α(λ)dλ / I_total, где I_total — суммарная солнечная радиация, а I(λ) — солнечная радиация на данной длине волны. При лазерной обработке мощностью 1.2 Вт достигается оптимальное поглощение солнечного излучения для SWBM: около 98% в пике солнечного спектра и примерно 92% среднее поглощение во всем солнечном диапазоне. Образец SWBM-1.2 демонстрирует наибольшее широкополосное оптическое поглощение благодаря оптимальному сочетанию микро- и наноструктур различных масштабов.

Солнечно-термическое межфазное опреснение реальной морской воды

После измерений смачиваемости и оптического поглощения была протестирована эффективность солнечно-термического опреснения для каждого образца SWBM при испарении реальной морской воды под облучением интенсивностью в 1 солнце в течение двух часов. В данном исследовании, если не указано иное, используется морская вода Атлантического океана, полученная в районе острова Файр-Айленд, Нью-Йорк, США. Для всех экспериментов в помещении температура поддерживалась на уровне около 22.5 °C, а относительная влажность — около 35%. Испаритель SWBM подвешивался свободно с помощью жесткого и нерастяжимого крюка к крановой конструкции. Резервуар с водой размещался на цифровых весах для измерения изменения массы воды во времени. Нижний край SWBM касался поверхности воды через регулируемую прямоугольную щель, ширина которой минимизировалась для предотвращения прямого испарения из резервуара. Поверхность SWBM облучалась пространственно однородным (1 кВт/м²) коллимированным световым потоком от солнечного имитатора с фильтром AM1.5G. Зависимости потока испарения массы и соответствующей скорости испарения от времени для разных образцов SWBM показаны на 3a, 3b.

Изображение №3

Образцы SWBM-0.6 и SWBM-0.9 демонстрировали немного более высокие начальные скорости испарения (3b), что было связано с более эффективной локализацией тепла, обеспечиваемой их меньшей скоростью подачи воды (2d). Однако при более высоких скоростях испарения относительно низкая подача воды для этих образцов приводила к кристаллизации солей и блокировке капилляров на испаряющей поверхности. Как было показано для образца SWBM-0.6 (слева на 3c), верхняя половина поверхности испарителя полностью покрывалась кристаллизованной солью, что приводило к снижению скорости испарения более чем на 45% за два часа. В отличие от этого, поверхности испарителей SWBM-1.2 и SWBM-1.5 оставались чистыми на протяжении всего эксперимента, обеспечивая стабильные и высокие средние скорости испарения около 1.84 ± 0.01 и 1.70 ± 0.01 кг/м²/ч соответственно. Для образцов SWBM-1.2 и SWBM-1.5 кристаллизация соли инициировалась на краях и затем распространялась наружу, что предотвращало накопление соли в активной зоне (справа на 3c). В отличие от SWBM-0.6 и SWBM-0.9, скорость испарения для SWBM-1.2 и SWBM-1.5 после 1 часа работы даже немного превышала начальные значения. Это указывало на то, что кристаллы соли, накапливавшиеся в пассивных областях испарителя, дополнительно способствовали испарению. Образец SWBM-1.2 превосходил SWBM-1.5 благодаря совокупному эффекту более высокого оптического поглощения, лучшей локализации тепла (из-за более низкой скорости переноса воды в более мелких канавках) и большей длины границы раздела воздух–вода. Поскольку SWBM-1.2 демонстрировал наивысшую скорость испарения морской воды, далее основное внимание уделялось именно этому образцу.

Видео №1

Чтобы протестировать оптимизированный ABF-STIC, устройство непрерывно работало в течение 24-часового цикла, включая 8 часов солнечного облучения и 16 часов темного периода, имитирующего реальный солнечный цикл. Поверхность ABF-STIC фиксировалась в течение всего процесса для регистрации динамики кристаллизации соли (видео выше). Сверху на 3d представлены снимки поверхности ABF-STIC в дневные часы, а снизу — в ночные часы. Первое изображение демонстрировало начальный момент, когда нижний край SWBM только касался поверхности воды. Активная зона подтягивала воду вверх и распределяла ее по окружающей пассивной области. Со временем соль начинала кристаллизоваться на границах водного фронта в пассивной зоне и затем распространялась наружу. Кристаллизация соли происходила практически симметрично с обеих сторон пассивной области. Однако накопление соли происходило быстрее по боковым сторонам, чем в верхней части. Предполагается, что это было связано с пространственной неоднородностью скорости переноса воды вследствие ламинарного характера потока. На 3e показана соответствующая скорость испарения в течение 24-часового периода. Средние скорости испарения составляли 1.76 ± 0.03 и 0.67 ± 0.01 кг/м²/ч в дневные и ночные часы соответственно. Был достигнут коэффициент преобразования солнечной энергии в пар около 74% при испарении реальной морской воды.

Сбор соли из морской воды без сброса рассола

В традиционных межфазных испарителях с соль-отталкивающим режимом соль накапливается на поверхности испарителя под действием солнечного излучения и затем самопроизвольно растворяется обратно в водный резервуар в ночное время, когда скорость испарения снижается. Это приводит к постепенному увеличению солености в резервуаре и, в конечном итоге, к образованию неутилизируемого рассола, требующего сброса. В отличие от этого, в исследуемом ABF-STIC собранная соль в течение суток остается локализованной в пассивных областях и не растворяется обратно в резервуар, не увеличивая его соленость. Для демонстрации этого была разработана экспериментальная operando платформа (наблюдение за устройство в момент его активной работы), позволяющая одновременно и непрерывно измерять массу испарившейся воды, массу собранной соли и соленость воды в резервуаре.

Изображение №4

Платформа operando (4a) включает два весовых датчика, миниатюрную крановую конструкцию и напечатанный на 3D-принтере резервуар для воды, в который интегрирован цифровой ppm-датчик (ppm от parts per million, т. е. частей на миллион). Испаритель SWBM свободно подвешивался с помощью жесткого и нерастяжимого крюка к крановой конструкции, закрепленной на одном из весов (4a). Нижний край SWBM проходил через щель и касался воды в резервуаре, установленном на втором весовом датчике. Испарение воды оставляло соль в пассивной зоне испарителя, поэтому увеличение массы на первом весовом датчике (слева на 4a) характеризовало количество собранной соли, тогда как уменьшение массы на втором весовом датчике (справа на 4a) отражало потерю воды и растворенных минералов. Соленость резервуара непрерывно контролировалась in situ с помощью интегрированного ppm-датчика. Эксперимент сначала проводился в течение 24 часов, включая 8 часов солнечного облучения и 16 часов без него. Для демонстрации долговременной стабильности и надежности цикл был повторен в течение 7 последовательных дней.

На 4b показаны масса испарившейся воды (красная линия слева) и масса собранной соли (черная линия справа) во времени. Как отмечалось ранее, система демонстрировала стабильную работу благодаря самоочищающейся функции испарителя, поэтому потеря массы воды была линейной, однако наклон зависимости различался между дневным и ночным периодами. Средняя скорость испарения составляла 1.79 ± 0.03 и 0.77 ± 0.01 кг/м²/ч в периоды солнечного облучения и без него соответственно. Как и ожидалось, временная динамика количества собранной соли следовала за динамикой испарения воды. Средняя скорость сбора соли составляла 61.28 ± 2.45 и 25.83 ± 0.52 г/м²/ч в дневные и ночные периоды соответственно.

Чтобы показать, что почти вся соль, содержащаяся в испаренной воде, улавливается поверхностью ABF-STIC, было рассчитано количество соли (синяя линия справа), присутствующее в испаренной воде, используя выражение: M_S = ρ · M_w · 10⁻⁶, где M_S — масса соли в испаренной воде, M_w — масса испаренной воды, а ρ — соленость воды в ppm, измеренная ppm-датчиком в течение эксперимента. Наблюдалось, что количество собранной соли практически совпадало с количеством соли, содержащейся в испаренной воде. Это означает, что почти 100% соли улавливалось поверхностью ABF-STIC, и, следовательно, накопленная соль не растворялась обратно в резервуар. Это также подтверждалось измерениями солености резервуарной воды (4c), которая оставалась постоянной в течение всего 24-часового периода. За один суточный цикл испарялось около 10% объема воды резервуара. Если бы накопленная соль возвращалась в раствор, соленость должна была бы увеличиваться, а не оставаться неизменной. Следовательно, ABF-STIC не формирует сброса рассола.

Для демонстрации долговечности системы эксперимент проводился непрерывно в течение недели. На 4d показаны скорость испарения воды (красная линия слева), измеренная скорость сбора соли (черная линия справа) и рассчитанная скорость сбора соли (синяя линия справа) за весь 7-дневный период. Результаты показали, что скорости испарения и сбора соли оставались стабильными на протяжении всего эксперимента, и практически 100% соли, содержащейся в испаренной воде, улавливалось системой. Средние значения за 7 дней составили 1.76 ± 0.04 кг/м²/ч и 61.74 ± 2.46 г/м²/ч в дневное время и 0.70 ± 0.01 кг/м²/ч и 24.66 ± 0.49 г/м²/ч в ночное время соответственно. Соль, накопленная в пассивных областях ABF-STIC, могла быть легко удалена простым механическим соскребанием без контакта с активной зоной (4e, 4f). Кроме того, SWBM сохранял свои оптические и смачивающие свойства после семи последовательных дней работы.

Элементный состав собранной соли определялся с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDAX от energy dispersive X-ray absorption) и картирования. Наиболее распространенным элементом был натрий (~40 мас.%), далее следовали магний (2.2%), калий (0.48%) и кальций (0.55%) (4g). Помимо широко известных солей (Na, K, Ca и Mg), присутствующих в морской воде, ABF-STIC также позволял извлекать экономически ценные элементы, включая золото, цезий, бром и уран (4h). Собранная соль без дополнительного разделения и очистки может иметь ограниченное применение. Решение этой задачи требует тщательного проектирования материалов и оптимизации процесса и может стать предметом будущих исследований. В качестве предварительного примера ученые функционализировали микрокапиллярную поверхность SWBM путем нанесения наночастиц метатитановой кислоты (HTO), которые избирательно захватывали ионы лития в активной зоне, оставляя остальные соли в пассивной области в процессе опреснения.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

В рассмотренной нами работе ученые представили новый метод опреснения морской воды, который позволяет не только получать пресную воду, но и исключает образование рассола, являющегося побочным продуктом традиционных методов опреснения.

Увеличение численности населения, а также развитие промышленности и сельского хозяйства приводят к увеличению спроса на пресную воду. Дабы удовлетворить этот спрос, многие используют опреснение морской или океанической воды. Традиционные методы опреснения, такие как обратный осмос и термическая дистилляция, могут быть дорогими и энергоемкими. Они часто требуют химической обработки до и после обработки воды и производят большие объемы концентрированной соленой воды, известной как рассол. При сбросе обратно в океан рассол может нанести вред морским экосистемам, повышая соленость и снижая уровень кислорода.

Авторы рассмотренного нами сегодня труда нашли альтернативы подход. Созданная ими система опреснения с использованием солнечной энергии эффективно производит пресную воду, работает без химической предварительной обработки и не образует рассола. Система основана на специально разработанных солнечных панелях из черного металла, текстурированного фемтосекундными лазерами. Эта обработка придает поверхности два важных свойства: она поглощает почти весь поступающий солнечный свет и сильно притягивает воду, что известно как сверхкапиллярное впитывание. Активная область, сформированная паттерном после обработки лазером, притягивает тонкий слой морской воды по всей панели. По мере поглощения солнечного света вода испаряется и дистиллируется в пресную воду. В то же время растворенные соли и минералы отводятся от активной зоны и осаждаются на необработанных участках панели, называемых пассивными зонами. Перемещая соли из зоны испарения, конструкция предотвращает их накопление, которое в противном случае могло бы помешать непрерывной работе.

Как отмечают ученые, одно из наиболее значительных преимуществ системы заключается в том, что происходит с оставшейся солью. Традиционное опреснение производит жидкий рассол, который необходимо обрабатывать, утилизировать или сбрасывать в окружающую среду. Новый процесс, напротив, извлекает почти все растворенные соли в твердой форме. Эти извлеченные материалы могут стать ценными ресурсами. Помимо производства поваренной соли, этот процесс может помочь извлечь важные минералы, такие как литий, ключевой компонент литий-ионных батарей, используемых в электромобилях и многих бытовых электронных устройствах. Для этого исследователи внедрили наночастицы титаната водорода в микроскопические бороздки черной металлической поверхности. Эти частицы избирательно изолируют литий от других растворенных минералов.

Несмотря на то, что данная разработка пока находиться на начальном этапе и требует совершенствования и тестирования, ее авторы уверены, что она станет крайне полезным инструментом добычи не только пресной воды, но и химических веществ, используемых в разных отраслях.

Немного рекламы

Спасибо, что остаетесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?