Новый метод опреснения без электричества

Шуки Сюй (слева) и профессор Хуан Фелипе Торрес с первым прототипом термодифузионного опреснения.Кредит: Колледж Инженеры, Колледж, Компьютер и Кибернетика АНУ

Пресноводная вода становится критической проблемой во многих местах по всему миру, а некоторые уже полагаются на опреснение - извлечение пресной воды из океанской воды.

Около трети всех сбросов пресной воды в настоящее время используются людьми, которые, по прогнозам, будут отправляться в половину к середине века, особенно в таких регионах, как Израиль, Мехико, Индия, Южная Калифорния и многие другие.Возможно, доступность воды будет наиболее серьезным кризисом, с которым человечество сталкивается в этом столетии, что усугубляется, поскольку изменение климата растает снежный покров, увеличивает испарение из поверхностных вод, изменяет схемы осадков и количества и увеличивает количество воды, удерживаемой в атмосфере.

Отчет Всемирного банка за 2018 год показал, что около 300 миллионов человек в более чем 150 странах мира полагаются на опреснение по энергетической стоимости в 3 киловатт-часа на кубический метр (кВтч/м3), снизившись в 10 с 1970 года.Тем не менее, опреснение составляет четверть энергии, используемой при обеспечении воды, требуя около 100 миллиардов киловатт-часов энергии в 2018 году.

Методы опреснения на сегодняшний день-это либо материальные методы, такие как обратный осмос, который использует высокое давление для разделения молекулярных видов в воде, либо тепловые методы, такие как испарение на солнечной энергии или оспаривание замораживания.

Но эти системы могут взять и убивать меньшую океанскую жизнь за счет тепла, стресса или химикатов, или привязывать более крупную морскую жизнь против впускных экранов.И они оставляют позади рассол - воду с очень высоким содержанием соли более 30% (в океанской воде содержится около 30-35 граммов соли на килограмм воды, в основном NaCl), который выгружается обратно в океан, где он опускается на днои вредить экосистемам.

Эти традиционные опреснительные помещения требуют дорогостоящих материалов, которые необходимо очистить и поддерживать, поскольку они подвержены мембранному загрязнению, коррозии и деградации, а также требованиям к энергии от 3 до 7 кВтч/м3 для обратного осмоса и до 100 кВтч/м3 для другихметодыОни подходят для городской и промышленной среды, но слишком большие и дорогостоящие для развивающихся стран или в сельских и отдаленных регионах.

Новый метод, опубликованный в Nature Communications, зависит не от электричества, но может использовать низкое тепло от солнечного света или тепло, которое является побочным продуктом промышленного процесса.Он использует термодиффузию, явление, в котором соль переносится на более холодную сторону плавного изменения температуры (градиент температуры) от горячего до холода.Вода остается в жидкой фазе повсюду.

Во главе с доктором философииКандидат Шуки Сюй, исследовательская группа протолкнула морскую воду по узкому каналу под верхней пластиной, которая была нагрета до более чем 60 ° C, и через нижнюю пластину охлаждена до 20 ° C.Оба значения температуры для пластин могут быть извлечены из окружающей среды, как обсуждалось выше.Вода с низкой соленостью появилась из воды в верхней области канала, а вода с высокой соленостью из нижней части канала.

В экспериментальной установке группы канал длился полметра, высотой один миллиметр с расходами от 1 до 16 миллилитров в минуту.

После одного прохода через канал был удален более холодильник, более соленую воду, и через канал был направлено меньше соленой воды.Каждый пас видел соленость уменьшается на 3%.После повторных циклов соленость морской воды может быть уменьшена с 30 000 частей на миллион (ppm) до менее 500 ppm.

«Наша мечта заключается в том, чтобы обеспечить сдвиг парадигмы в технологии опреснения, основанные на методах, которые могут быть обусловлены низкотемпературной жарой в нашей окружающей среде»,-сказал Хуан Фелипе Торрес, профессор Австралийского национального университета и ведущий главный следователь по этому исследованию.

«Насколько нам известно, термодифузивное опреснение является первым методом термического опреснения, который не требует фазового изменения. Он работает полностью в жидкой фазе, и что более важно, так это то, что он не требует мембран или других типов ионно-адсорбированияматериалы для очистки воды “.

Термодиффузируемое опреснение не имеет загрязнения, «что может изменить ситуацию в том, как мы проводим широкомасштабное опреснение»,-продолжил Торрес.Сельское хозяйство, которое использует около 69% пресной воды в мире, нуждается в воде, которая опресняется примерно до 95% от ее базовой стоимости.

С момента их проверки концепции группа в настоящее время строит более широкое многоканальное устройство для опреснения морской воды для использования на юго-западном острове Тихоокеанского острова Тонга, которое находится в разгар сильной засухи.Там аппарат будет питаться солнечной панелью размером с человеческого лица.

Торрес видит термодифузируемое опреснение как жизненно важное для развивающихся стран, многие из которых испытывают худшее изменение климата, путем децентрализации процесса опреснения и привлечения водной безопасности в эти районы.

Больше информации: Shuqi Xu et al.Doi: 10.1038/s41467-024-47313-5