Электрохимия сделает из морской воды питьевую

Опреснять морскую воду можно разными методами, но все они крайне энергоемки. Теперь немецкие и американские ученые предложили более энергоэффективный подход.

Во многих странах и регионах мира дефицит пресной воды - проблема извечная и чрезвычайно острая. По данным Всемирной организации здравоохранения, 11 процентов населения планеты не имеют доступа к источникам питьевой воды, причем этот показатель неуклонно растет. Решить проблему удается, как правило, лишь одним способом - опреснением морской воды. Такое опреснение может быть осуществлено разными методами, все они в техническом отношении функционируют вполне успешно, однако им присущ один весьма существенный недостаток: высокая энергоемкость, пишет dw.de.

Самый неэффективный, то есть наиболее расточительный метод - дистилляция (выпаривание морской воды и ее последующая конденсация): она требует примерно 10 киловатт-часов электроэнергии на один кубометр воды. Для Саудовской Аравии, где работает крупнейшая в мире установка такого типа и где суточное потребление пресной воды составляет в среднем 500 литров на человека, это все равно, как если бы у каждого жителя страны по 3 часа в день кипел электрочайник.

Однако и самый энергоэффективный из используемых сегодня методов опреснения - так называемый обратный осмос, то есть продавливание морской воды сквозь специальную полупроницаемую мембрану, пропускающую воду, но задерживающую соль, - требует примерно 3-х киловатт-часов энергии на кубометр воды.
Самый энергоэффективный метод опреснения - электрохимический

Теперь две группы ученых - немецкая во главе с Ульрихом Таллареком (Ulrich Tallarek), профессором Марбургского университета и американская во главе с Ричардом Круксом (Richard M. Crooks), профессором Техасского университета в Остине, - взялись за разработку электрохимической технологии опреснения, которая - в случае успеха - позволит существенно снизить энергоемкость этого процесса. Исследователи намерены использовать электролитические свойства морской воды, то есть тот факт, что она представляет собой, по сути дела, раствор поваренной соли, содержащий, помимо молекул воды, положительно заряженные ионы натрия и отрицательно заряженные ионы хлора.

Профессор Талларек демонстрирует видео, на котором запечатлено сконструированное им устройство - прозрачный чип размером с почтовую марку, - и поясняет: "Мы видим здесь, как функционирует чип для опреснения морской воды. Внутри чипа имеется тонкий канал с Y-образным разветвлением. Вода течет справа налево. Вблизи того места, где поток разделяется, расположен миниатюрный электрод, под действием которого ионы хлора окисляются, нейтрализуются. В результате образуется зона пониженной концентрации ионов одного вида, что приводит к формированию градиента электрического потенциала. К воде для наглядности подмешан флуоресцентный пигмент, частицы которого тоже несут электрический заряд, то есть ведут себя как ионы. И мы видим: электрическое поле заставляет частицы пигмента уходить преимущественно в одно из двух ответвлений мини-канала - верхнее, второе - нижнее - их как бы отталкивает. Поэтому по мере работы чипа нижнее ответвление становится все темнее, а верхнее - все светлее".
Энергоэффективность близка к теоретическому пределу

То есть поток разделяется так, что в одно ответвление течет обогащенная, в другое - обедненная солью вода. Главное достоинство электрохимического метода опреснения - беспрецедентная энергоэффективность. "На сегодняшний день она составляет 25 милливатт-часов на литр воды при уровне опреснения 25 процентов, - говорит профессор Талларек. - Но тут следует иметь в виду, что существует теоретический предел энергоэффективности, оставляющий 17 милливатт-часов на литр. Так что мы, в общем-то, к нему приблизились".

Действительно, метод всего в полтора раз превышает минимально возможное энергопотребление - это впечатляет. Для сравнения: обратный осмос требует никак не меньше 5-кратного теоретического минимума. С другой стороны, нельзя забывать, что рекорд достигнут при 25-процентном опреснении, а для получения питьевой воды необходимо 99-процентное.

Электрохимический метод в принципе позволяет добиться такого уровня опреснения, но насколько это снизит энергоэффективность, ученый пока не знает: "Сейчас у нас еще ничего не оптимизировано - ни расход воды, ни местоположение электрода, ни размеры канала. Мы лишь продемонстрировали осуществимость на практике самого подхода. Нам предстоит провести еще уйму исследований, вся наша установка рассчитана на эксперименты, а не на промышленное применение. Ее производительность - 0,08 микролитра в минуту, это примерно 2,5 микролитра частично опресненной воды в час".
За практическую реализацию взялась американская фирма

То есть на то, чтобы с помощью одного чипа получить стакан пресной воды, уйдет 9 лет. А для получения питьевой воды в сколько-нибудь значительных количествах потребуются установки с множеством параллельно работающих чипов. Их разработкой и производством решил заняться американский инженер и предприниматель Тони Фрудакис (Tony Frudakis), основавший для этого компанию Okeanos Technologies. "Мы намерены выпускать опреснительные модули. Каждый такой модуль будет состоять из нескольких кассет, в которых разместятся миллионы чипов. Производительность одного чипа - микролитр в минуту, но если умножить это число на несколько миллионов…. Короче, одна кассета должна давать примерно 100 литров пресной воды в час".

Готовый аппарат будет размером с небольшой холодильник. Первый прототип предполагается представить уже в следующем году. До этого предстоит решить еще немало сложных технических вопросов - например, вопрос параллельной коммутации чипов. Да и сами чипы пока не оптимизированы. Но если принцип электрохимического опреснения морской воды действительно удастся реализовать на практике, это поможет решить проблему дефицита пресной воды и в тех развивающихся странах, что испытывают также дефицит электроэнергии.

ubr.ua