Co z wydajnym odsalaniem wody morskiej? Dużo wody tanim kosztem
Nowa nadzieja na opracowanie kosztowo atrakcyjnej metody pozyskiwania wody słodkiej za pomocą usuwania soli morskiej pojawiła się w ubiegłym roku, gdy badacze poinformowali o wynikach badań z zastosowaniem materiału typu szkielet metaloorganiczny (MOF) do filtrowania wody morskiej. Opracowana przez zespół z australijskiego Uniwersytetu Monash nowa technika wymaga, jak zapewniają badacze, znacznie mniej energii niż inne metody.
Metaloorganiczne szkielety MOF to silnie porowate materiały o dużej powierzchni. Zwinięte w niewielkich objętościach wielkie powierzchnie robocze świetnie nadają się do filtrowania, czyli wychwytywania drobin i cząsteczek w cieczy (1). Opracowany na Monash nowy typ MOF o nazwie PSP-MIL-53 został wykorzystany do zatrzymywania soli i zanieczyszczeń w wodzie morskiej. Po umieszczeniu materiału w wodzie selektywnie zatrzymuje jony i zanieczyszczenia na swojej powierzchni. W ciągu 30 minut MOF potrafił zredukować całkowitą zawartość rozpuszczonych substancji stałych (TDS) w wodzie z 2,233 części na milion (ppm) do poziomu poniżej 500 ppm. Jest to wyraźnie poniżej progu 600 ppm, który Światowa Organizacja Zdrowia zaleca dla bezpiecznej wody pitnej.
Stosując tę technikę, badacze zdołali wyprodukować aż 139,5 litra świeżej wody na kilogram materiału MOF dziennie. Gdy sieć MOF jest już "pełna" cząsteczek, można ją szybko i łatwo oczyścić w celu ponownego użycia. W tym celu umieszcza się ją w świetle słonecznym, co powoduje uwolnienie wychwyconych soli w ciągu zaledwie czterech minut.
"Termiczne procesy odsalania przez odparowanie są energochłonne, a inne technologie, takie jak odwrócona osmoza (2), mają wiele wad, w tym wysokie zużycie energii i chemikaliów do czyszczenia membran i odchlorowania", wyjaśnia Huanting Wang, szef zespołu badawczego na stronie Monash. "Światło słoneczne jest najbardziej obfitym i odnawialnym źródłem energii na Ziemi. Nasz nowy proces odsalania, oparty na adsorbencie i wykorzystaniu światła słonecznego do regeneracji, zapewnia energooszczędne i zrównoważone środowiskowo rozwiązanie do odsalania".
Od grafenu po sprytną chemię
W ostatnich latach pojawiło się sporo nowych pomysłów na efektywne energetycznie odsalania wody morskiej. "Młody Technik" pilnie śledzi postępy tych technik.
Pisaliśmy m.in. o pomyśle Amerykanów z uniwersytetu w Austin i Niemców z uczelni w Marburgu, polegającym na wykorzystaniu niewielkiego chipu z tworzywa, przez który przepływa prąd elektryczny o znikomym napięciu (0,3 wolta). W słonej wodzie przepływającej wewnątrz kanalika, z którego składa się urządzenie, następuje częściowa neutralizacja jonów chloru i wytworzenie pola elektrycznego, podobnie jak w ogniwach chemicznych. Efekt jest taki, że sól podąża w jednym kierunku, zaś słodka woda - w drugim. Następuje wyodrębnienie wody słodkiej.
Sporo zdawał się obiecywać w tej dziedzinie także grafen. Brytyjscy naukowcy z uniwersytetu w Manchesterze pod kierownictwem Rahula Nairiego stworzyli w 2017 r. oparte na grafenie sito, które efektywnie miało usuwać sól z wody morskiej.
W opublikowanej w "Nature Nanotechnology" pracy naukowcy twierdzili, że do budowy membran odsalających można wykorzystać tlenek grafenu, zamiast trudnego do uzyskania i drogiego grafenu w czystej postaci. Jednowarstwowy grafen potrzebuje wiercenia małych otworów, aby stał się przepuszczalny. Jeżeli wielkość otworu przekracza 1 nm, sole swobodnie przechodzą przez ten otwór, więc wiercone otwory muszą być mniejsze. Jednocześnie badania wykazały, że membrany tlenku grafenu zwiększają grubość i porowatość po zanurzeniu w wodzie. Zespół dr. Nairiego wykazał, że pokrycie membrany z tlenkiem grafenu dodatkową warstwą żywicy epoksydowej zwiększa efektywność bariery. Cząsteczki wody mogą przejść przez membranę, ale chlorek sodu już nie.
Zespół badaczy z Arabii Saudyjskiej opracował urządzenie, które, według nich, miało efektywnie przekształcić elektrownię z "konsumenta" wody w "producenta wody słodkiej". Naukowcy opublikowali kilka lat temu w "Nature" artykuł opisujący tę nową technologię solarną, która może jednocześnie odsalać wodę i produkować energię elektryczną.
W skonstruowanym prototypie naukowcy zainstalowali odsalacz wody w tylnej części ogniwa słonecznego. W świetle słonecznym ogniwo wytwarza energię elektryczną i uwalnia ciepło. Zamiast tracić to ciepło w atmosferze, urządzenie kieruje tę energię do instalacji, która wykorzystuje ciepło jako źródło energii do zasilania procesu odsalania.
Badacze wprowadzali do destylatora wodę słoną i zawierającą domieszki metali ciężkich, takich jak ołów, miedź i magnez. Urządzenie zamieniło wodę w parę wodną, która następnie przechodziła przez plastikową membranę, która odfiltrowała sól i zanieczyszczenia. Wynikiem tego procesu była czysta woda pitna, spełniająca standardy bezpieczeństwa Światowej Organizacji Zdrowia. Naukowcy twierdzili, że prototyp o szerokości około metra może produkować 1,7 litra czystej wody na godzinę. Idealna lokalizacja dla takiego urządzenia to miejsce o suchym lub półsuchym klimacie, w pobliżu źródła wody.
Guihua Yu, naukowiec zajmujący się materiałoznawstwem na Uniwersytecie Stanowym w Austin w Teksasie, oraz jego koledzy z zespołu, zaproponowali w 2019 r. do skutecznego filtrowania wody morskiej hydrożele, mieszanki polimerowe, które tworzą porowatą, chłonącą wodę strukturę. Yu i jego koledzy stworzyli żelową gąbkę z dwóch polimerów - jednego wiążącego wodę, zwanego alkoholem poliwinylowym (PVA), a drugiego z lekkiego absorbera, zwanego polipyrrolem (PPy). Wymieszały się one w trzecim polimerze, zwanym chitozanem, który również silnie przyciąga wodę. Naukowcy podali w "Science Advances", że udało im się osiągnąć wynik produkcji czystej wody na poziomie 3,6 litra na godzinę z metra kwadratowego powierzchni ogniwa i był to najwyższy wskaźnik, jaki kiedykolwiek zgłoszono i około dwunastu razy lepszy od ilości wytwarzanej przez dzisiejsze komercyjnie dostępne wersje.
Pomimo entuzjazmu uczonych, nie słychać jednak, aby nowe super wydajne i ekonomiczne techniki odsalania z zastosowaniem nowych materiałów znalazły szersze komercyjne zastosowanie. Dopóki to się nie stanie, należy zachować ostrożność.
Mirosław Usidus
