Исследователи Массачусетского технологического института разработали портативное опреснительное устройство весом менее 10 килограммов, которое может удалять частицы и соли для получения питьевой воды. Устройство может работать от портативной солнечной батареи. Технология упакована в удобное для пользователя устройство, которое запускается нажатием одной кнопки.
В отличие от других портативных опреснителей, которые требуют пропускания воды через фильтры, это устройство использует “поляризацию концентрации ионов” (ICP), который был впервые применен группой Хана более 10 лет назад. Применяется электрическое поле. Мембраны отталкивают положительно или отрицательно заряженные частицы, включая молекулы соли, бактерии и вирусы, когда они проходят мимо. Заряженные частицы попадают во второй поток воды, который выводится наружу. Этот процесс удаляет как растворенные, так и взвешенные твердые частицы, позволяя чистой воде проходить через канал. Поскольку для этого требуется только насос низкого давления, ICP использует меньше энергии, чем другие методы.
Но ICP не всегда удаляет все соли, плавающие в середине канала. Поэтому исследователи включили второй процесс, известный как электродиализ, для удаления оставшихся ионов соли.
Юн и Канг использовали машинное обучение, чтобы найти идеальное сочетание модулей ICP и электродиализа. Оптимальная установка включает двухступенчатый процесс ICP, когда вода проходит через шесть модулей на первом этапе, затем через три на втором этапе, после чего следует один процесс электродиализа. Это позволило минимизировать потребление энергии и обеспечить самоочистку процесса.
“Хотя действительно некоторые заряженные частицы могут быть захвачены на ионообменной мембране, если они попадают в ловушку, мы просто меняем полярность электрического поля, и заряженные частицы легко удаляются”, – объясняет Юн.
Констркуторы уменьшили и сложили модули ИСП и электродиализа, чтобы повысить их энергоэффективность и позволить им поместиться в портативном устройстве.
“Это действительно кульминация 10-летнего пути, который проделали я и моя группа. Мы годами работали над физикой отдельных процессов опреснения, но собрать все эти достижения в единое целое, построить систему и продемонстрировать ее в океане – это был действительно значимый и полезный опыт для меня”, – говорит старший автор статьи Джонгюн Хан, профессор электротехники и информатики, биологической инженерии и член Исследовательской лаборатории электроники (RLE).
Исследователи также создали приложение для смартфона, которое может управлять устройством по беспроводной связи и в режиме реального времени сообщать данные о потреблении электроэнергии и солености воды.
После проведения лабораторных экспериментов с использованием воды с разным уровнем солености и мутности (помутнения), они испытали устройство в полевых условиях на бостонском пляже Карсон.
Юн и Квон установили коробку рядом с берегом и бросили в воду питательную трубку. Примерно через полчаса устройство наполнило пластиковый стаканчик чистой водой, пригодной для питья.
“Он оказался успешным даже при первом запуске, что было довольно интересно и удивительно. Но я думаю, что главная причина нашего успеха – это накопление всех этих маленьких достижений, которые мы сделали по пути”, – говорит Хан.
Полученная вода превысила нормативы качества Всемирной организации здравоохранения, а количество взвешенных частиц в ней было снижено по меньшей мере в 10 раз”. Их прототип генерирует питьевую воду со скоростью 0,3 литра в час и требует всего 20 ватт энергии на литр.
Вместе с Ханом в работе над статьей участвовали первый автор Чжунгхё Юн, научный сотрудник RLE, Хюкджин Дж. Квон, Сунг-Ку Канг из Северо-Восточного университета; и Эрик Брэк из Командования по разработке боевых возможностей армии США (DEVCOM). Результаты исследования были опубликованы онлайн в журнале Environmental Science and Technology.