Новая технология очистки воды помогает превратить морскую воду в питьевую без тонны химикатов

Установки опреснения воды могут заменить дорогостоящие химикаты новыми электродами из углеродной ткани, которые удаляют бор из морской воды, что является важным шагом на пути превращения морской воды в безопасную питьевую воду.

Исследование, описывающее новую технологию, было опубликовано в журнале Nature Water инженерами Мичиганского университета и Университета Райса.

Бор — это естественный компонент морской воды , который становится токсичным загрязнителем в питьевой воде, когда он проникает через обычные фильтры для удаления солей. Уровень бора в морской воде примерно в два раза превышает самые мягкие ограничения Всемирной организации здравоохранения для безопасной питьевой воды и в пять-двенадцать раз превышает переносимость многих сельскохозяйственных растений .

«Большинство мембран обратного осмоса не удаляют много бора, поэтому опреснительным установкам обычно приходится проводить некоторую постобработку, чтобы избавиться от бора, что может быть дорогостоящим», — сказал Йован Камчев, доцент кафедры химической инженерии и макромолекулярной науки и инженерии UM и соавтор исследования. «Мы разработали новую технологию, которая достаточно масштабируема и может удалять бор энергоэффективным способом по сравнению с некоторыми традиционными технологиями».

В морской воде бор существует в виде электрически нейтральной борной кислоты, поэтому он проходит через мембраны обратного осмоса, которые обычно удаляют соль, отталкивая электрически заряженные атомы и молекулы, называемые ионами. Чтобы обойти эту проблему, опреснительные установки обычно добавляют основание в очищенную воду, что заставляет борную кислоту становиться отрицательно заряженной. Другая стадия обратного осмоса удаляет вновь заряженный бор, а основание нейтрализуется после добавления кислоты. Эти дополнительные этапы очистки могут быть дорогостоящими.

«Наше устройство снижает потребность в химических веществах и энергии для опреснения морской воды, значительно повышая экологическую устойчивость и сокращая расходы до 15 процентов, или около 20 центов за кубический метр очищенной воды», — сказал Вэйи Пан, научный сотрудник из Университета Райса и один из первых авторов исследования.

Учитывая, что в 2019 году глобальная мощность опреснения составила 95 миллионов кубометров в день , новые мембраны могли бы сэкономить около 6,9 миллиардов долларов в год. Крупные опреснительные установки — такие как опреснительная установка Claude «Bud» Lewis Carlsbad в Сан-Диего — могли бы сэкономить миллионы долларов в год.

Такого рода экономия может помочь сделать морскую воду более доступным источником питьевой воды и смягчить растущий водный кризис. Ожидается, что запасы пресной воды удовлетворят 40% спроса к 2030 году, согласно отчету Глобальной комиссии по экономике водных ресурсов за 2023 год.

Новые электроды удаляют бор, удерживая его внутри пор, усеянных кислородсодержащими структурами. Эти структуры специфически связываются с бором, пропуская другие ионы в морской воде, максимизируя количество бора, которое они могут захватить.

Но для структур, улавливающих бор, все ещё необходимо, чтобы бор имел отрицательный заряд. Вместо добавления основания заряд создается путём расщепления воды между двумя электродами, создавая положительные ионы водорода и отрицательные ионы гидроксида . Гидроксид присоединяется к бору, давая ему отрицательный заряд, который заставляет его прилипать к местам захвата внутри пор в положительном электроде.

Захват бора электродами также позволяет очистным сооружениям избегать дополнительных затрат энергии на ещё одну стадию обратного осмоса. После этого ионы водорода и гидроксида рекомбинируют, образуя нейтральную воду без бора.

«Наше исследование представляет собой универсальную платформу, которая использует изменения pH, способные преобразовывать другие загрязнители, такие как мышьяк, в легко удаляемые формы», — сказал Менахем Элимелех, профессор кафедры гражданского и экологического строительства, химической и биомолекулярной инженерии им. Нэнси и Клинта Карлсон в Университете Райса, а также один из авторов исследования.

«Кроме того, функциональные группы на электроде можно настроить на специфическое связывание с различными загрязняющими веществами, что обеспечивает энергоэффективную очистку воды», — сказал Элимелех.

Бессменный главный редактор, в незапамятные времена работал в издании РБК