Опреснять воду можно просто и дёшево…

Американские ученые создали из целлюлозы эффективную мембрану для очистки соленой воды методом мембранной дистилляции. Природная структура волокон и гидрофобизированная поверхность позволили добиться высоких значений проницаемости пара до 1,5 килограмм на метр в секунду на кельвин на Паскаль и в то же время низких значений теплопроводности в четыре сотых Ватт на метр на кельвин.

Дальнейшее развитие технологии, оптимизация размеров пор и толщины мембраны позволят улучшить устройства для дистилляции воды. Исследование опубликовано в Science Advances.

Изменение климата и высокие темпы урбанизации уже привели к тому, что около половины населения Земли живут в регионах с дефицитом пресной воды на протяжении минимум одного месяца в год. Обессоливание морской, солоноватой воды или некоторых сточных вод могло бы частично решить эту проблему.

Одним из современных методов очистки воды является мембранная дистилляция — разделение происходит за счет разницы в температуре и давлении пара. Вода испаряется на горячей стороне ячейки, а пар проходит сквозь гидрофобную мембрану и конденсируется на холодной стороне ячейки. Так как обычно температура исходного раствора не выше 80 градусов Цельсия, а конденсата — не ниже двадцати, такое устройство не требует большого количества энергии для работы. Движение пара от горячей к холодной части осуществляется за счет конвекции.

Но у такой системы есть и очевидный минус — проходя через мембрану, пар частично передает тепло материалу и сглаживает различие температур, что негативно влияет на термическую эффективность — важный параметр мембранной дистилляции, определяемый как конвекционный поток через мембрану поделенный на суммарный поток тепла. Поэтому важно, чтобы мембрана обладала низкой теплопроводностью. Идеальная мембрана также должна быть прочной, дешевой, экологичной, достаточно тонкой и иметь крупные многочисленные поры.

В 2016 году ученые представили мембрану из аэрогеля из наноцеллюлозы с пористостью более 98 процентов и низкой теплопроводностью, менее трех сотых Ватт на метр на кельвин. Статья подтвердила возможность создания мембран для дистилляции из натуральных материалов, однако в основном они полимерные.

В новой работе Дяньсюнь Хоу (Dianxun Hou) с коллегами из Колорадского университета в Боулдере создали из древесины прочную гидрофобную мембрану для дистилляции, проверили ее физические свойства и сравнили их с коммерчески доступными синтетическими аналогами.

Как и в производстве бумаги, из древесины удалили лигнин и гемицеллюлозу, которые придают жесткость, однако, чтобы сохранить целостность волокон и природную микроструктуру целлюлозы, авторы работы воздействовали на пластинки раствором щелочи и сульфита натрия без измельчения. Затем материал отбеливали перекисью водорода и мягко сушили методом лиофилизации — замораживанием смеси и сублимацией растворителя. Для того, чтобы водяной пар, проходя через мембрану, на ней не задерживался, химики модифицировали поверхность мембраны гидрофобными фтороуглеродными группами.

drevesina1.png

Схематическое изображение мембраны и процессов, которые в ней происходят при мембранной дистилляции. / Dianxun Hou et al. / Science Advances, 2019

Новые материалы из древесины обладали высокой внутренней проницаемостью (около 1,5 килограмм в секунду на метр на кельвин на Паскаль), что обеспечило хорошую конвекцию, и низкой теплопроводностью в четыре сотых Ватт на метр на кельвин, что предотвратило потерю градиента температур.

Пористость полученных пластинок оказалась около 90 процентов, в то время как у современных коммерчески доступных аналогов это значение не превышает 85 процентов, а размеры пор новой мембраны достигали трех десятых микрометра.

Исследование краевого угла смачивания показали, что новая мембрана менее склонна образовывать межмолекулярные связи с водой, чем полимерные аналоги. Эффективность переноса тепла также оказалась весьма высокой: при температуре нагрева 60 градусов Цельсия ее значение оказалось выше семидесяти процентов, одним из самых высоких среди подобных мембран.

Более того, по словам авторов, анизотропная (направленная вдоль плоскости мембраны) структура позволяла теплу распространяться по всей мембране, поддерживая температурный градиент и ускоряя поток, однако это предположение требует дальнейших исследований.

Другим методом дистилляции является испарение воды за счет солнечной энергии. Около года назад группа американских ученых представилапористый гидрогель, способный поглощать большую часть солнечного света и испарять воду, получая таким образом до 3,2 килограмм пара с одного квадратного метра поверхности в час. А еще годом ранее американские ученые сконструировали готовый к коммерческому производству и работающий на энергии солнца опреснитель воды, действие которого основано на впитывании раствора бумагой, пропитанной сажей, выпариванием воды и ее конденсацией.

Автор: Алина Кротова

N+1

**************

В жарких прибрежных регионах огромное количество ценной воды ежедневно испаряется с поверхности океана. Это навело ученых из Сингапура на мысль создать гидрогель, который бы впитал влагу из морского воздуха, превращая ее в пресную воду.

Команда из Национального университета Сингапура разработала материал на основе цинка, поглощающая способность которого в восемь раз превышает обычные осушители, такие как силикагель или хлорид кальция. Новый гидрогель абсорбирует в четыре раза больше своего сухого веса, пишет New Atlas.

Вдобавок, в отличие от традиционного осушителя, для выведения влаги не требуется электричество. И этот гель можно использовать повторно до 1000 раз.

В полевых испытаниях на поверхность океана поместили плавающую конструкцию, заполненную этим гидрогелем. Под воздействием температуры вода постепенно испарялась, и крошечные капли влаги собирались на геле. Как только он пропитался полностью, гель поместили в закрытый стеклянный контейнер и оставили его на солнце. Нагревшись до 45 — 50 ºC, гель сам отдал собранную воду в виде конденсата.

Теперь исследователи собираются еще больше усилить поглощающую способность гидрогеля и оптимизировать процесс сбора воды. В нынешней форме материал, если использовать его целый день, может произвести 10 литров пресной воды на килограмм.

«Наше изобретение можно масштабировать до размеров плавучей станции опреснения, — сказал профессор Тан Сви Чин, руководитель проекта. — Этот метод может оказаться полезным для сельских жителей, не имеющих постоянного доступа к чистой воде. Креативное использование новых решений позволило нам внести свой вклад в борьбу с глобальным дефицитом воды».

По его оценке, станция без затрат энергии может опреснять до 1000 литров в день.

ХайТек+

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *