Виключення кислотної та лужної обробки з традиційних установок опріснення води могло б заощадити мільярди доларів у всьому світі, зробивши морську воду більш доступним джерелом питної води. Установки з опріснення води незабаром зможуть відмовитися від використання дорогих хімікатів завдяки новим електродам із вуглецевої тканини, які видаляють бор із морської води — ключовий етап для того, щоб зробити її безпечною для споживання. Про цю технологію йдеться у дослідженні, опублікованому в журналі Nature Water, яке провели інженери з Мічиганського університету та Університету Райса.
Бор — це природний елемент, що міститься в морській воді, але після проходження через стандартні фільтри для видалення солі він може перетворитися на токсичний забруднювач питної води. Його концентрація в морській воді приблизно вдвічі перевищує найбільш м’який граничний показник безпеки ВООЗ і у 5–12 разів вища, ніж те, що можуть витримати багато сільськогосподарських культур.
Чому сучасні фільтри не справляються
«Більшість мембран зворотного осмосу майже не видаляють бор, тому на опріснювальних станціях зазвичай доводиться проводити додаткову обробку води, що є дорогим процесом», — пояснює Йован Камцев, доцент хімічної інженерії та науки про макромолекули в Мічиганському університеті та співавтор дослідження. «Ми розробили нову технологію, яку легко масштабувати, і яка дозволяє ефективно видаляти бор з меншими енергозатратами, ніж традиційні методи».
У морській воді бор існує у вигляді електронейтральної борної кислоти, тому він проходить через мембрани зворотного осмосу, які зазвичай видаляють лише заряджені іони. Щоб розв’язати цю проблему, опріснювальні установки зазвичай додають у воду луг, щоб зробити борну кислоту негативно зарядженою, після чого застосовується ще одна стадія зворотного осмосу, а потім воду нейтралізують, додаючи кислоту. Усі ці етапи суттєво підвищують витрати.
Нові електроди знижують витрати
«Наш пристрій зменшує потребу в хімікатах і енергії під час опріснення, підвищує екологічну стійкість і дозволяє зекономити до 15% витрат, або близько 20 центів на кожен кубічний метр очищеної води», — розповідає Вейї Пан, постдокторант з Університету Райса та один з перших авторів дослідження.
Глобальна економія і доступ до води
Станом на 2019 рік, загальна потужність опріснення у світі становила 95 мільйонів кубічних метрів на день. Тому нова технологія потенційно може економити близько 6,9 мільярда доларів щороку. Великі станції опріснення, як-от Claude “Bud” Lewis Carlsbad у Сан-Дієго, можуть заощадити мільйони на рік.
Такі заощадження можуть зробити морську воду більш доступною як джерело питної води, що важливо в умовах глобальної водної кризи. За даними звіту Глобальної комісії з економіки води за 2023 рік, до 2030 року лише 60% попиту на прісну воду буде покрито.
Нові електроди захоплюють бор, утримуючи його в порах, вкритих структурами, що містять кисень. Ці структури вибірково зв’язуються саме з бором, пропускаючи інші іони морської води, що забезпечує максимальне видалення бору.
Як це працює
Однак для захоплення бору він має бути негативно зарядженим. Замість того щоб додавати луг, заряд створюється шляхом розщеплення молекул води між двома електродами, що утворює позитивні іони водню і негативні іони гідроксиду. Гідроксид зв’язується з бором, надаючи йому негативного заряду, після чого він «прилипає» до внутрішніх стінок позитивного електрода. Це дозволяє уникнути додаткового етапу зворотного осмосу та зайвих витрат енергії. Згодом іони водню та гідроксиду знову об’єднуються, утворюючи нейтральну, очищену від бору воду.
«Наша робота пропонує універсальну платформу, що використовує зміни pH для перетворення інших забруднювачів, як-от миш’як, у форми, які легко видалити», — каже Менахем Елімелех, професор кафедри екологічної та хімічної інженерії Університету Райса і співавтор дослідження. «Крім того, функціональні групи на електроді можна адаптувати для специфічного зв’язування з різними забруднювачами, що відкриває шлях до енергоефективного очищення води», — додає Елімелех.