Учёные нашли способ удешевить опреснение и снизить нагрузку на водные ресурсы

Ят Ли из Калифорнийского университета в Санта-Крусе (UCSC) и его команда разрабатывают новую технологию опреснения, призванную обеспечить устойчивое питание свежей водой при угрозе засоления и дефицита. Проблема, на которую они отвечают, — нарастает давление на пресные водоисточники, особенно в прибрежных регионах: с одной стороны, всё чаще возникают длительные засухи, с другой — поднимающийся уровень моря приводит к проникновению солёной воды в грунтовые воды, что делает их непригодными для питья.

Проект Li акцентируется на методе, называемом ёмкостной деионизацией (capacitive deionization, CDI). В отличие от распространённого способа опреснения — обратного осмоса — этот подход использует электродные системы вместо мембран. Вода с пониженной солёностью (например, подпочвенная или слегка засоленная) пропускается между электродами: ионы соли с положительным зарядом притягиваются к отрицательному электроду, ионы с отрицательным — к положительному. Ионы фиксируются на поверхности, а вода проходит дальше. Поскольку система обратимая, ионы можно сбрасывать в отдельный концентрированный раствор, повышая устойчивость процесса.

По словам ученого, «самый традиционный способ — обратный осмос — требует значительной энергии, поскольку воду нужно проталкивать сквозь полупроницаемые мембраны». В отличие от этого метод с электродами эффективнее именно для слабо засоленной воды. В лаборатории разработан углеродный материал с пористой структурой: площадь поверхности порядка 3000 м² на грамм — эквивалент площади шести-семи баскетбольных площадок на грамм материала. Также важен минимальный зазор между электродами — чем меньше расстояние, тем быстрее проходят процессы диффузии иона. Чтобы достичь этого, они применяют структуру, где положительный и отрицательный электрод «проникнут» друг в друга (interpenetrating electrode structure).

Технология уже вышла за рамки теории: команда изготовила 3D-печатный прототип из полимерного материала и сейчас работает над тем, чтобы преобразовать его из полимера в углеродный материал, сохранив высокую площадь поверхности. Последующая цель — выпуск модульной системы, которую можно будет собирать и внедрять в полевых условиях, для обработки воды, собранной непосредственно в зоне добычи. При этом разработчики подчёркивают, что наряду с производительностью важно соблюдать баланс между скоростью опреснения и стоимостью материалов: «сколько углерода нужно, чтобы достичь требуемого уровня опреснения при разумной цене».

Особую важность метод приобретает для прибрежных районов, где подземные воды уже подвергаются приходу солёной воды вследствие повышения уровня моря и «морского вторжения». Хотя технология пока не заменяет крупномасштабные установки обратного осмоса, она может дополнить водную инфраструктуру там, где источники воды умеренно солёные и требование к энергии ниже.