В наше время острой становится проблема не только нехватки воды на Земле, но и не менее остро стоит вопрос о ее чистоте и пригодности для питья. Поэтому наибольшее распространение получают методы очистки сточных вод или опреснения морской воды.
Команда MIT придумала инновационный подход к опреснению воды, не использующий кипячения и часто засоряющихся фильтров.
Вместо этого система использует созданную электричеством ударную волну в потоке текущей воды, которая выталкивает соленую воду к одной стороне потока, а пресную воду — к другой, что позволяет легко разделить два потока.
Этот новый подход был описан исследователями в журналах Environmental Science и Technology Letters. Над проектом работают профессор химической инженерии и математики Мартин Бажант, аспирант Свен Шлумпбергер, магистрант Нэнси Лу и бывший постдоктор Мэтью Суссе.
Принцип работы установки
Профессор Бажант так описывает свое исследование: «Этот подход принципиально новая и другая система разделения. И, в отличие от большинства других методов опреснения или очистки воды, этот выполняет безмембранное разделение ионов и частиц. Мембраны в традиционных системах опреснения, таких, как те, которые используют обратный осмос или электродиализ, являются селективным барьером. Они позволяют молекулам воды пройти, но блокируют крупные атомы натрия и соли хлора. И хотя новый процесс похож на электродиализ, но он, все же, отличается», — говорит ученый.
В новом процессе, который получил название шокового электродиализа, вода течет через пористый материал ― в данном случае через крошечные стеклянные частицы, называемые фритты ― с использованием мембран или электродов на каждой стороне пористого материала. При прохождении электрического тока через систему соленая вода разделяется на участки: в одном концентрация соли очень низка, во втором ― высокая. Ударная волна, как простой физический барьер, находится в центре потока.
И, хотя система все же может использовать мембраны с каждой стороны пористого материала, вода не течет через них. В данном случае мембраны не столь уязвимы к обрастанию отфильтрованным материалом или к деградации из-за давления воды, как это происходит с обычной мембраной в системе опреснения.
«Соль не должна проходить сквозь что-то», ― говорит Бажант. «Заряженные частицы соли или ионы просто двигаются в одну сторону», ― поясняет он.
Возникновение идеи
Способность ударной волны влиять на концентрацию соли была обнаружена несколько лет назад группой Хуана Сантьяго из Стэнфордского университета. Но это открытие не использовалось для удаления соли из воды.
А система, созданная Бажантом, напротив, представляет собой непрерывный процесс: вода протекает через дешевые пористые средства, которые можно относительно легко применять для опреснения или очистки воды.
Одним из возможных применений этой идеи является очистка больших объемов сточных вод с помощью сгенерированного гидравлического разрыва. Загрязненная вода, как правило, соленая, и содержит некоторое количество токсичных ионов. Поэтому важно найти практической и недорогой способ ее очистки. Система шокового диализа не только удаляет соль, но и широкий спектр других загрязнителей. Оказалось, что электрический ток, проходящий через воду, может стерилизовать поток. «Электрические поля довольно высоки, поэтому они в состоянии, убить бактерии», ― говорит Шлумпбергер.
Установка шокового диализа может конкурировать в эффективности и дешевизне очистки соленых вод с системами обратного осмоса. Также ее дезинфицирующие свойства могут открыть дорогу системе в очистку сточных и загрязненных вод.
Этот метод может применяться как для масштабной очистки воды в прибрежных районах или загрязненных территориях, так и для портативных систем, используемых в отдаленных районах или в экстренных случаях и при чрезвычайных ситуациях, так как данная установка не требует большой инфраструктуры.