Конец дефициту пресной воды? Как солнцем превращают морскую воду в питьевую и сразу добывают литий

Обеспечение населения чистой питьевой водой остается одной из главных задач мировой экономики и экологии. По данным Организации Объединенных Наций, более двух миллиардов человек на планете не имеют постоянного доступа к безопасным источникам воды. Засушливые регионы Северной Африки, Ближнего Востока, Австралии и юго-запада Соединенных Штатов все сильнее зависят от опреснения морской воды. Однако применяемые сегодня промышленные методы требуют огромного расхода энергии и создают опасные отходы, которые наносят прямой ущерб морской среде.

Группа физиков и инженеров из Института оптики Рочестерского университета под руководством профессора Чунлэя Го разработала систему опреснения на основе солнечной энергии, которая устраняет главные недостатки современных установок. Метод, подробно описанный в научном издании Light: Science & Applications, позволяет испарять морскую воду без образования жидких токсичных сбросов, не требует предварительной химической очистки и дает возможность попутно извлекать из морской соли ценные металлы, в первую очередь литий.

Ограничения современных методов опреснения

В настоящее время в мире применяются две основные технологии опреснения: мембранный обратный осмос и термическая дистилляция.

При обратном осмосе морскую воду под высоким механическим давлением прокачивают через полимерные фильтры — мембраны. Поры этих мембран настолько малы, что пропускают только молекулы воды, задерживая молекулы соли и посторонние примеси. Чтобы продавить жидкость через такой фильтр, требуются мощные насосы, создающие давление до семидесяти атмосфер. Это сопряжено с высоким расходом электроэнергии. Кроме того, перед подачей на мембраны воду приходится обрабатывать химическими реагентами, чтобы предотвратить развитие бактерий и оседание минералов внутри оборудования.

Термическая дистилляция основана на простом принципе нагрева: воду доводят до кипения или интенсивного испарения с помощью сжигания ископаемого топлива или промышленного тепла, после чего собирают образовавшийся пар и охлаждают его до жидкого состояния. Этот процесс также требует значительного количества топлива или электроэнергии.

Главная проблема обеих технологий заключается в том, что происходит с солями после отделения чистой воды. Они не исчезают, а остаются в части воды, которая не прошла через фильтры или не успела испариться. В результате образуется так называемый концентрированный рассол. На каждый литр полученной пресной воды современные заводы производят от одного до полутора литров рассола. В этом растворе концентрация соли превышает океаническую норму примерно в два раза. Кроме того, в нем содержатся остатки химических веществ, которые использовались для промывки труб и фильтров.

Опреснительные станции сбрасывают этот концентрат обратно в море. Рассол обладает высокой плотностью, поэтому он не смешивается с окружающими водными слоями сразу. Тяжелая соленая масса опускается на морское дно и растекается по нему. В таком плотном придонном слое резко падает содержание растворенного кислорода. Это приводит к гибели донной растительности, моллюсков, ракообразных и рыб, разрушая экосистему на многие километры вокруг точки сброса.

Препятствия для солнечного испарения

Использование энергии солнца для опреснения выглядит логичным выходом из ситуации: солнечный свет бесплатен и не производит выбросов углекислого газа. Однако инженеры десятилетиями не могли создать долговечные и производительные солнечные испарители из-за одной базовой проблемы — быстрого образования твердого солевого осадка на рабочих поверхностях.

В лабораторных условиях ученые долгое время испытывали прототипы опреснителей на искусственных солевых растворах, состоящих только из дистиллированной воды и чистого хлорида натрия. При испарении такого состава формируются зернистые и пористые кристаллы поваренной соли. Вода способна проникать сквозь поры этого осадка, постепенно растворяя его, поэтому лабораторные установки удавалось относительно легко очищать.

Настоящая морская вода обладает сложным химическим составом. Помимо натрия и хлора, в ней в больших количествах растворены магний, кальций, калий, сульфаты и карбонаты. При нагревании и испарении эти соединения не образуют пористых структур. Они выпадают в осадок в виде плотных, монолитных минеральных корок, не имеющих пор.

Этот слой намертво сцепляется с нагреваемой пластиной. Он выполняет роль теплоизолятора, блокируя поступление тепла от нагревателя к воде, и механически перекрывает движение новой жидкости. В результате производительность испарителя падает практически до нуля уже через несколько часов непрерывной работы. Чтобы вернуть установку в строй, требовалась ручная механическая очистка или промывка концентрированными кислотами, что сводило на нет всю экономическую и экологическую выгоду от использования солнца.

Обработка металла фемтосекундным лазером

Группа профессора Чунлэя Го предложила использовать для испарения листовой металл, поверхность которого модифицирована с помощью фемтосекундного лазера.

Фемтосекунда представляет собой одну квадриллионную долю секунды (10^−15 секунды). Из-за предельно короткой длительности импульса лазер передает энергию материалу мгновенно. Металл в точке воздействия не успевает расплавиться и потечь, как это происходит при обычной сварке или резке. Вместо этого поверхностный слой вещества мгновенно испаряется, образуя на металле сложный микроскопический рельеф — параллельные бороздки и наноструктуры строго заданной глубины и формы.

Такая микроструктурированная поверхность приобретает два критически важных физических свойства:

1. Полное поглощение солнечного излучения. Обычный полированный металл отражает большую часть падающего на него света. После лазерной обработки поверхность приобретает глубокий черный цвет. Микроскопические неровности задерживают падающие фотоны света за счет многократного внутреннего отражения. Металл поглощает практически весь диапазон солнечного спектра и эффективно преобразует световую энергию в тепло.
2. Сверхсмачиваемость. На обычной металлической пластине вода собирается в отдельные выпуклые капли за счет сил поверхностного натяжения. На лазерно-обработанной поверхности силы сцепления молекул воды с металлом оказываются сильнее сил сцепления молекул воды между собой. В результате жидкость мгновенно втягивается в микроканавки и самопроизвольно растекается по всей площади тонким слоем, толщина которого не превышает долей миллиметра.

Эффект сверхсмачиваемости имеет решающее значение для скорости опреснения. Чтобы нагреть и испарить большой объем воды в емкости, требуется продолжительное время и постоянный приток тепла. Тонкий водяной слой, распределенный по горячему черному металлу, прогревается по всей своей толщине за доли секунды и переходит в состояние пара с минимальными тепловыми потерями.

Механика удаления соли

Чтобы предотвратить образование минеральной корки, исследователи использовали физическое явление, которое в гидродинамике называют эффектом кофейного кольца.

Суть этого эффекта заключается в следующем: если капля жидкости, содержащая взвешенные твердые частицы, высыхает на твердой поверхности, жидкость испаряется быстрее у внешних границ капли, где толщина слоя минимальна. Из-за разницы в скорости испарения внутри капли возникает устойчивое течение: жидкость из центральной части непрерывно движется к краям, восполняя убыль испарившейся воды. Это течение увлекает за собой все взвешенные микрочастицы и растворенные вещества, прижимая их к границе капли.

Команда Чунлэя Го применила этот гидродинамический принцип ко всей поверхности опреснительной панели. Металлическую пластину разделили на две функциональные части:

• Активная зона. Это центральная область пластины, на которую направлен солнечный свет. Здесь температура максимальна, и именно здесь происходит бурное испарение воды.
• Пассивная зона. Это боковые участки пластины, которые не подвергаются интенсивному нагреву и остаются относительно холодными.

Система работает следующим образом. Морская вода подается на пластину и за счет сверхсмачиваемости распределяется по микроканавкам тонким слоем. В активной центральной зоне вода под действием солнечного тепла превращается в пар, который поднимается вверх и отводится в накопитель чистой воды.

В процессе испарения соли начинают переходить в твердую фазу. Однако они не успевают осесть на горячем металле в центре. Капиллярные силы и гидродинамические потоки, возникающие из-за разницы скоростей испарения в центре и на краях, непрерывно выталкивают кристаллизующиеся минеральные частицы из активной зоны в пассивную.

Вся масса соли оттесняется на холодные края пластины. Там остаточная влага окончательно испаряется, а минералы оседают в виде абсолютно сухого порошка. Центр пластины при этом непрерывно очищается сам по себе и остается свободным для приема новых порций морской воды.

Авторы протестировали установку на образцах реальной морской воды, взятых из Тихого, Атлантического и Индийского океанов. Опыты подтвердили расчеты инженеров: пластина сохраняла постоянную производительность испарения, а на рабочей поверхности не появилось плотного минерального налета. Все соли переместились в боковые зоны, откуда их можно удалять механическим путем без остановки процесса опреснения.

Полное отсутствие жидких отходов и добыча лития

Главное отличие новой технологии от обратного осмоса заключается в том, что система полностью исключает образование жидкого рассола. Она работает по принципу нулевого жидкого сброса (Zero Liquid Discharge): на выходе получается чистая дистиллированная вода и сухая смесь морской соли.

Сухой осадок не требует сброса в океан. Он перестает быть экологически опасным отходом и становится источником сырья. Обычный хлорид натрия может использоваться в дорожном хозяйстве, химической промышленности или после очистки идти в пищу. Но наибольшую практическую ценность представляют редкие элементы, растворенные в морской воде, среди которых ключевую роль играет литий.

Литий необходим для производства литий-ионных аккумуляторов, применяемых в смартфонах, ноутбуках, системах накопления энергии и электротранспорте. Традиционная добыча этого металла сопряжена с тяжелыми экологическими последствиями. При добыче лития из горных пород требуется дробить руду и обрабатывать ее концентрированными кислотами при высоких температурах. Добыча лития из соляных озер в Южной Америке основана на медленном испарении подземных вод в гигантских открытых бассейнах: этот процесс занимает до полутора лет и приводит к истощению местных грунтовых вод в засушливых регионах.

Морская вода содержит триллионы тонн растворенного лития, но его концентрация крайне мала по сравнению с натрием, калием и магнием. Выделять его традиционными химическими методами экономически нецелесообразно.

В отдельной работе, опубликованной в журнале Journal of Materials Chemistry A, группа Чунлэя Го показала, что их солнечную панель можно адаптировать для попутного извлечения лития. Для этого микроканавки на поверхности черного металла дополнительно заполнили наночастицами титаната водорода.

Кристаллическая решетка титаната водорода устроена таким образом, что способна удерживать внутри себя ионы лития, пропуская мимо ионы натрия, магния и кальция. Наночастицы выполняют функцию селективного фильтра. В процессе опреснения вода движется по микроканавкам, титанат водорода захватывает литий, а остальные минералы, как и прежде, вытесняются гидродинамическими течениями в пассивную зону пластины.

После завершения рабочего цикла накопленный литий вымывают из наночастиц слабым раствором кислоты для повторного использования сорбента. В ходе экспериментов с природной водой из Большого Соленого озера в штате Юта исследователи смогли извлечь около пятидесяти процентов всего лития, содержавшегося в исходном объеме воды, непосредственно во время процесса ее опреснения.

Технические сложности и задачи масштабирования

В настоящее время технология находится на этапе лабораторных испытаний. Опытные образцы представляют собой одиночные пластины площадью в несколько десятков квадратных сантиметров. Чтобы создать на базе этой технологии промышленную установку, инженерам предстоит решить несколько сложных прикладных задач:

1. Создание эффективных конденсаторов. Испарение воды — лишь первая половина задачи опреснения. Образовавшийся водяной пар необходимо быстро охладить, сконденсировать и собрать в накопительные резервуары. При этом система охлаждения не должна расходовать много энергии, иначе опреснитель потеряет свою автономность.
2. Устойчивость микрорельефа к износу. Наноструктуры, сформированные лазером на поверхности металла, должны сохранять свои свойства на протяжении многих месяцев непрерывной работы. В реальных условиях на открытом воздухе металл подвергается воздействию пыли, перепадов температур и абразивных частиц песка, переносимых ветром.
3. Защита от биологического обрастания. Морская вода содержит микроскопические водоросли, споры грибов и бактерии. В теплой и влажной среде они быстро образуют на твердых поверхностях биологические пленки. Если бактерии покроют лазерные микроканавки, это нарушит капиллярный подсос воды и снизит поглощение солнечного света. Потребуется найти способы пассивной защиты поверхности от органики без применения токсичных химикатов.
4. Стоимость лазерной обработки. Текстурирование металлических пластин мощным фемтосекундным лазером требует точного оборудования и значительного времени на обработку каждого квадратного метра. Для снижения себестоимости промышленных панелей потребуется разработать методы высокоскоростной лазерной гравировки больших площадей листового металла.

Значение разработки

Разработка ученых из Рочестерского университета предлагает принципиально иной подход к переработке морской воды. Вместо того чтобы тратить мегаватты электроэнергии на продавливание воды через фильтры и сбрасывать в море миллионы тонн опасных отходов, система использует естественные законы физики поверхности, гидродинамику испарения и прямой солнечный нагрев.

Технология решает сразу три независимые инженерные задачи:

• Производство пресной воды без применения электрических сетей и химических реагентов.
• Полный отказ от сброса токсичного жидкого рассола в прибрежные морские зоны.
• Получение сухого минерального сырья и извлечение дефицитного лития непосредственно в точке опреснения.

Если проблему масштабирования удастся решить, подобные установки смогут обеспечить пресной водой отдаленные прибрежные поселения, острова и засушливые регионы, одновременно снижая зависимость мировой промышленности от традиционных методов добычи сырья для аккумуляторных батарей.

Источник: Light: Science & Applications