Редактор GeekTimes
376,1
рейтинг
13 ноября 2015 в 20:25

Учёные разработали два новых метода опреснения воды

image

Практически одновременно инженеры из Массачусетского технологического института (MIT) и Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне (UIUC) предложили новые способы опреснения солёной воды. Метод MIT основан на ударных волнах, а UIUC использовали для отделения соли от воды пористый материал нанотолщины.

Если в кране нет воды


Потребление воды в мире постоянно возрастает, и в некоторых густонаселённых регионах планеты её начинает не хватать. Проблема нехватки пресной воды уже не является прерогативой африканских пустынь. Несмотря на то, что Мировой океан покрывает 70% поверхности нашей планеты, питьевой воды на ней крайне мало.

В Калифорнии из-за трёхлетней засухи недосчитались примерно годовой нормы осадков, из-за чего властям пришлось ввести ограничения на использование воды. В Китае строят одну из крупнейших станций по опреснению воды в Бохайском заливе рядом с городом Таншань.

Обычными способами опреснения воды являются обратный осмос — проталкивание воды через мембрану, задерживающую частицы соли, перегонка — кипячение с последующим сбором и охлаждением пара, или электродиализ – изменении концентрации электролитов в растворе посредством электрического тока. Эти способы крайне энергозатратны.

Опреснение шоком


Работа инженеров MIT с необычным методом опреснения под руководством профессора Мартина Базанта [Martin Bazant] опубликована в журнале Environmental Science and Technology. «Это фундаментально новый процесс разделения, отличающийся от всех остальных,- утверждает Базант. – Он обеспечивает безмембранное разделение ионов и молекул воды».

При обычном электродиализе в сосуде для разделения делают перегородки из полупроницаемых мембран. Фильтрующие мембраны пропускают воду и задерживают более крупные частицы соли. Эти мембраны расположены поочередно и разделяют общий объем на множество полостей. Через ванну с раствором пропускают постоянный электрический ток, который приводит ионы растворенных солей в движение.

Противоположно заряженные ионы движутся в противоположные стороны, но из-за того, что ванна заполнена препятствующими движению ионов мембранами, ионы задерживаются на ближайшей мембране, соответствующей их заряду, и остаются в полости между двумя мембранами. В результате между одной парой мембран происходит повышение концентрации ионов (эту воду сливают обратно в море), а между другой – понижение, то есть получается пресная вода.

image

В новом процессе, получившем название шоковый электродиализ, вода течёт через фритту – пористый керамический материал. С обеих сторон масса материала ограничена электродами. Достаточно сильный постоянный ток, протекающий между электродами, приводит к тому, что в потоке возникает ударная волна, чётко разделяющая поток на две части – в одной из которых течёт чрезвычайно солёная, а в другой — пресная вода. Остаётся только разделить потоки простой перегородкой.

В этом процессе не используются мембраны, ничего не засоряется и не требует очистки, при этом обеспечивается постоянный поток воды через недорогой в производстве материал. Эффект, лежащий в основе процесса, был открыт несколько лет назад учёными из Стэнфордского университета.

Специалисты из MIT утверждают, что процесс можно использовать не только для опреснения, но и для очистки воды. Например, в процессе проведения работ по гидравлическому разрыву пластов образуется много солёной и загрязнённой химикатами воды, которую можно было бы очищать подобным образом. К тому же, по утверждению учёных, электрический ток, необходимый для организации процесса, достаточно сильный для того, чтобы убивать бактерии и стерилизовать воду.

Тонкий подход к опреснению


Инженеры из Иллинойса, тем не менее, предлагают свой вариант опреснения воды путём фильтрации её через мембрану. Однако их мембрана из дисульфида молибдена имеет толщину всего в несколько нанометров. Инженеры из UIUC утверждают, что их фильтр энергетически гораздо более выгоден, чем обычные фильтры для обратного осмоса, которые требуют больших энергетических затрат.

Для опреснения воды через фильтры обычно требуется создавать большое давление, а мембраны быстро засоряются и требуют очистки или замены. Но по утверждению инженеров, давление, необходимое для опреснения воды, пропорционально толщине мембраны. Многие учёные даже пытались использовать для фильтрации воды графен, но столкнулись со специфическими трудностями при взаимодействии его с водой.

Инженеры из UIUC взяли дисульфид молибдена, поскольку в нём молибден находится в окружении двух атомов серы. В результате у тонкого «листа» MoS2 снаружи находится сера, а молибден – внутри. Если в таком листе сделать отверстие, вокруг него будет кольцо из атомов молибдена.

image

«Преимущества фильтра из MoS2 в том, что молибден притягивает воду, а сера – отталкивает, что обеспечивает высокую скорость прохождения воды через отверстие,- говорит Мухаммед Хейраньян [Mohammad Heiranian], автор работы. – Это свойство химически заложено в MoS2, поэтому его не нужно специально подготавливать или каким-то образом дорабатывать, в отличие от графена, где такая подготовка является очень сложным процессом».

Как будем опреснять?


Прогресс не стоит на месте, и новые технологии появляются очень быстро. Время покажет, какая из упомянутых идей пройдёт проверку реальностью. Возможно, что для повышения эффективности различные технологии будут использоваться вместе. Главное, чтобы в результате они дали много пресной воды как для питья, так и для пищи – ведь основными потребителями пресной воды являются фермерские хозяйства.
Вячеслав Голованов @SLY_G
карма
126,2
рейтинг 376,1
Редактор GeekTimes
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (43)

  • –4
    По первому методу — интересно, какая степень очистки? Если это уровень дистиллированной или бидистиллированной воды, то опасно очищать. Соли и ионы должны быть в воде, иначе водопроводная вода будет а) крайне опасна в перспективе потребления «сырой» и кипячённой воды (кипячение тоже будет идти дольше), т.к. из костей будет всё вымываться, ибо не будет притока солей, придётся тогда употреблять соли и ионы в другой форме, б) обратно в море будет уходить более концентрированная солями и ионами вода, и через какие-то n-лет это вызовет повышение концентрации соли, которая в общем-то и так растёт за счёт понижения мирового уровня океана.

    По поводу второго — совсем недавно была новость, что вода через графен проходит куда быстрее чем ожидалось. А нанотехнологии в опреснении так-то уже давно применяются.
    • 0
      Собственно, а если смешать результат работы в каком-то соотношении с исходно подаваемой на вход фильтра водой, разве нельзя добиться приемлемой концентрации солей в воде?
      • +2
        В морской воде или грязной присутствуют микроогранизмы, какой смысл тогда брать очищенную воду и снова мешать с грязной с теми же микроорганизмами? Если в плане возврата солей и ионов, тогда уменьшается само количество воды, прошедшей через фильтр, т.е. продуктивность очистки. Концентрация соли станет уменьшаться медленнее, но всё равно будет. Конечно, никто не отменял круговорота воды, но опять же — тогда соли надо будет употреблять с чем-то другим. В идеале конечно бы сделать после очистки систему минерализации воды, тогда будет отлично, даже при частичном возврате уже минерализированной воды обратно в объём до фильтрации.
        • +1
          Можно в конце концов смешать с частью солей, которая из фильтра уходит в утиль. Оно вроде, по идее, стерильным должно быть?
          • 0
            На фильтре ничего же не остаётся, есть верить статье. Грубо говоря Вы под действием тока разбиваете на два потока один — один стерильный в плане отсутствия микроогранизмов, по степени очистки от солей и ионов — непонятно пока и один более концентрированный, который уходит снова в общую ёмкость. По идее, если делать в ёмкости большой, то достаточно просто раз за разом подливать в эту ёмкость воду с меньшим содержанием соли, откуда её взять — другой вопрос. Можно и рецикл делать, но тогда уменьшается выход отфильтрованной воды.
            В общем, думать надо как это сделать.
            • –2
              Это способ опреснения а не очистки воды — микроорганизмы не будут отфильтрованы, для этого есть другие способы. В представленном виде электродиализ делит воду на пресную с загрязнителями и сильносолёную с теми же загрязнителями. В принципе если разделят хорошо то в сильносолёной среде все микроорганизмы умрут — их разорвёт осмотическим давлением.
              • +1
                Не только опреснения — может так же использоваться для очистки (с). Но даже если очень хорошо разделять, нужна очень солёная вода изначально до фильтра. Да и микроорганизмы разные бывают.
    • +1
      а) крайне опасна в перспективе потребления «сырой» и кипячённой воды (кипячение тоже будет идти дольше), т.к. из костей будет всё вымываться, ибо не будет притока солей, придётся тогда употреблять соли и ионы в другой форме

      Сам вопрос содержит решение, вы не замитили?

      которая в общем-то и так растёт за счёт понижения мирового уровня океана.

      Это по каким данным понижается уровень мирового океана?
    • –1
      то опасно очищать. Соли и ионы должны быть в воде, иначе водопроводная вода будет а) крайне опасна в перспективе потребления «сырой» и кипячённой воды (кипячение тоже будет идти дольше), т.к. из костей будет всё вымываться, ибо не будет притока солей, придётся тогда употреблять соли и ионы в другой форме

      Мне так и не удалось найти вменяемой информации по этой теме. Зато нашёл столь же неподтверждённую информацию о том, что мол соли из воды и без того почти не усваиваются, что их там шиш с маслом, что повышенная растворяемость дистиллированной воды не имеет существенного влияния на организм. Суммарно, что можно пить дистиллят хоть всю жизнь. Главное при этом ещё что-нибудь есть. Кто прав, кто нет… Чёрт его знает. Сам пью воду обратного осмоса уже 2ой год. Никаких изменений ни в зубах, ни в костях не обнаружил. В то время как по отзывам некоторых людей, у них после такой воды зубы уже через 2 недели, как у курильщика, состояние ухудшилось до крайне нездорового и т.д.

      обратно в море будет уходить более концентрированная солями и ионами вода, и через какие-то n-лет это вызовет повышение концентрации соли, которая в общем-то и так растёт за счёт понижения мирового уровня океана.

      Не получится ли это как «капля в море»?
      • +1
        Ну как бы все правы, зависит же от количества.
        Соли начинают вымываться, если пить очень много воды.
        ~Десять литров воды в сутки — смертельная доза.
        С другой стороны, среднестатистический человек есть намного больше соли, чем наобходимо.
        Грубо говоря, одно свежее яблоко покрывает вымывание минералов дистиллированной водой за месяц, а съев две пачки солёных чипсов, можно выпить на пять литров воды больше.
        Цифр взяты из головы, поэтому неточны, на самом деле они зависят от веса, состояния здоровья, физической нагрузки, температуры воздуха и т.п.
      • 0
        Уже разбирали, в т.ч. тут на GT — это просто не слишком умная (но растиражированная) байка-страшилка. И дело даже не столько в усвояемости, сколько в том что и в «обычной» питьевой воде используемой сейчас в городах солей весьма мало. Если человек употребляет скажем 2 литра воды в сутки(а больше и не нужно), то даже при 100% усвояемости для большинства естественных(природных) источников пресной воды всего порядка 1 грамма в сутки получает через воду. При этом с пищей человек получает в несколько раз больше солей.

        В Петербурге к примеру вода которой снабжается большая часть города (т.е. которую постоянно и регулярно пьют миллионы человек) концентрация природных солей всего порядка 50 мг/л. Т.е. при 2литрах воды в сутки через воду организм получит максимум 0.1 грамма солей.
        Люди пьют ее десятилетиями и никаких описанных страшилок приписываемых дистиллированной или «осмотической» воде не наблюдается.
        • 0
          Ну вы еще учтите, что «соли в воде» — это не только кальций и натрий. А еще и, скажем, ионы фтора, которые, в определенных концентрациях, помогают от всяких кариесов и проблем с костями.
          • 0
            Не только, но в большинстве природных источников набор весьма ограниченный — натрий, калий, кальций, магний из положительных ионов. И карбонат, хлорид и сульфат ионы из отрицательных. И то даже не всегда все вышеперечисленное присутствует. Другие ионы если и есть то в микроскопических количествах не имеющих биологического значения.

            В частности фтор в «природной» воде обычно отсутствует. Его туда искусственно добавляют на водородных станциях, так что в этом плане нет разницы откуда взята исходная вода — из природного источника или опресненная/осмотически очищенная близкая к дистиллированной.
            • 0
              > В частности фтор в «природной» воде обычно отсутствует.

              Таки нет. Он есть и его содержание достаточно сильно меняется в зависимости от локации.

              Фтор в природных водах содержится в форме фторид-ионов. Его содержание может достигать 10 мг/л.

              analizvod.ru/biblioteka/himicheskiy_sostav_prirodnyh_vod.html
      • +1
        Вы попробуйте с пол-года попить дистиллят, потом сообщите нам о результатах — как оно пить «чистую воду».
        • 0
          Вы попробуйте с пол-года попить дистиллят, потом сообщите нам о результатах — как оно пить «чистую воду».
          Неужели дистиллят настолько отличается от воды очищенной обратным осмосом, чтобы была какая-то разница? Ибо вторую я пью второй год. Сообщаю о результатах ― накипи в чайнике не бывает совсем. Касательно здоровья — никаких видимых признаков улучшения или ухудшения не замечаю.
          • +2
            Да, это разные вещи. Я часто вижу в интернете, что мол можно пить дистиллят и ничего не будет. Ну поначалу не будет да. Но если пить и готовить только на дистилляте и питаться, как питается среднестатистический россиянин (это значит хреново) — то веселого ничего не будет.
            Не происходит электролиза в организме, так как тупо не хватает солей и минералов. Такая вода не проводит электричества.
            Да вроде бы были люди, которые пили дистиллят и умерли в 90 лет, но там много всяких но.

            В частности, по технологии процесса и результату очистки воды будет разница.
            При обратном осмосе остаются соли, в отличие от дистиллята.

            Остальное можно нагуглить и посмотреть в википедии.
            • 0
              При обратном осмосе остаются соли, в отличие от дистиллята.
              Ну дык и дистиллят это не бидистиллят. Вопрос в том, насколько большая разница между «солей нет вообще» и «солей практически нет». В особенности сравнив с суточной нормой. Нужны конкретные числа, а лучше вменяемые исследования. А то это больше на какую то ГМО-истерию похоже. Какие-то аргументы есть, но отвязанные от реальных чисел и фактов являются лишь почвой для холиваров.

              • 0
                Где-то я натыкался на исследования. При желании можно поискать и найти.
            • 0
              Электролиз в организме — это что-то новенькое…
              • 0
                Химия. Электролиты в организме человека. Электролитический состав крови.
                Из какого учебника не скажу, институт закончил лет 10 назад. Можно поискать.
                • +1
                  Еще до кучи, например, вот это —

                  meduniver.com/Medical/Physiology/365.html
                  meduniver.com/Medical/Physiology/364.html

                  Баланс ионов кальция/натрия/калия/магния (и прочих микроэлементов) — наш друг.
                  • 0
                    Магний наш друг сердце, это да. Но опять же все в меру надо без фанатизма.
                    Просто я это больше помню по химии.
        • 0
          Если заедать это солененьким, ни чего страшного не будет.
          А если при этом голодать — будет обезвоживание, как не парадоксально это звучит. С мочой выведется вся соль и организм не сможет удерживать воду. Спортсмены перед соревнованиями этим пользуются, что бы сбросить вес (вода составляет основную его часть) перед соревнованиями и попасть в более легкую категорию.
          • 0
            Ну так я об этом и говорил.
      • 0
        >Сам пью воду обратного осмоса уже 2ой год.
        Дистилят, бидистилят — немного отличаются от обратного осмоса.
    • +2
      >> и через какие-то n-лет это вызовет повышение концентрации соли, которая в общем-то и так растёт за счёт понижения мирового уровня океана.

      Отделённая питьевая вода так или иначе вернется в мировой океан в виде сточных вод, возваращая концентрацию на прежний уровень
    • 0
      Cейчас придет DI_HALT и скажет, что несколько лет пьет воду из фильтра обратного осмоса и все ок.
      • 0
        Если после осмоса стоит фильтр минерализации, то все ок :) а они обычно с ним и идут в продаже.
        • 0
          В том-то и дело, что без минерализатора.
          • 0
            Есть еще момент — сама по себе неминерализованая вода не проблема, при использовании в приготовлении пищи, супы, кофе, чай… это просто так ее пить не рекомендуется… НО, давно ли вы просто воду пили?
    • 0
      Достаточно в очищенную осмосов воду добавлять немного по вкусу минеральной воды, где есть все необходимые соли и минералы, например ядрёную Ессентуки-17.
  • 0
    Семьёй (два взрослых + два мелких) уже больше года пьём и готовим на воде после осмос фильтра, без всяких минерализаторов.
    Ни у кого ничего не отвалилось.
    При этом кушаем как обычно, без всяких бадов/витаминок/добавок/присадок.

    2 icCE:
    «Не происходит электролиза в организме, так как тупо не хватает солей и минералов. Такая вода не проводит электричества.» — меньше слушай продавцов всякой ерунды и не неси херни.
    Ты сам то мерил сопротивление воды из под крана и дистилята/осмоса?
    А ничего что в обычную воду нужно нахерачить соли/соды или ещё чего чтобы электрические характеристики заметно изменились?

    Касательно всякой минеральной хрени я тебе 100% могу сказать что это полюбому доп нагрузка на выделительную систему: почки, ЖКТ и пр.
    Вода организму нужна в первую очередь как растворитель и средство для вывода тех самых солей и прочей гадости с потом и мочёй.
    Собственно поэтому богатую минералами и солями морскую воду пить бессмысленно: там воды не достаточно чтобы вывести всё что в ней содержится.

    Касательно фтора и других веществ — это сильно зависит от местности. Наверняка коренные жители всяких местностей где 99% времени зима и вся вода только в виде льда и снега питьевую получают растапливая лёд/снег, а значит они уже дохера поколений пьют дистилят и не подохли нихрена.
    • 0
      >Собственно поэтому богатую минералами и солями морскую воду пить бессмысленно: там воды не достаточно чтобы вывести всё что в ней содержится.

      Я бы сказал так, без солей плохо, с избытками солей плохо. Во всем нужна мера.
      Нехватка соли в организме (которая натрий хлор) приводит к плачевным результатам как и ее переизбыток.
      Поэтому меня тут убеждать не надо. Очищенная вода и скудный рацион в еде, и вы быстро останетесь без солей и минералов.

      >Ты сам то мерил сопротивление воды из под крана и дистилята/осмоса?
      Ну, что за детский сад а? Вы еще в школе или поступила в институт? Сопромат не сдавали? Гуманитарий?
      Открываем справочник «справочник сопротивления материалов»

      удельное сопротивление дистиллированной воды 0,15 — 0,2 Мм
      бидистиллированной воды 0,6 — 0,8 МОм
      «теоретически» чистой воды 16-18МОм

      >А ничего что в обычную воду нужно нахерачить соли/соды или ещё чего чтобы электрические характеристики заметно изменились?

      Дистиллят плохо проводит электричество, можно на определенное время погрузить работающие комплектующие ПК и им ничего не будет. Тесты уже проводили люди году так в 2006. Проработал минут 5 или 7.
      Если вы это повторите с водой из под крана, то пк почти сразу закоротить.
      Так, что ничего особо хранить туда не надо. Если бы надо было туда хреначить, то много людей с утопленными телефонами не шли бы в СЦ под ультразвуковую ванну, чистить аппараты от солей вызванных от рабочей батареи. Достаточно было бы просто просушить.

      • 0
        У меня в пище этой соли полно, сколько угодно, на любой вкус.
        Собственно с тем что если я перестану жрать то здохну спорить глупо, вода тут не приделах.

        Эскимосы на полюсе подиж не минералку хлещют, а снег топят, а ещё 100 лет назад это было практически дистилят, и они не передохли за десятки поколений такой диеты, ровно как и всякие животные в подобных местностях.

        То что там в воде содержится это гомеопатические дозы для плацеботерапии, а вот мусора всякого подчас намного больше, от него и накипи и болезни.

        И чо!?
        При таких величинах разницы для организма нет.
        У меня вода во рту перестаёт быть дистилированной, сразу после контакта в местной слизистой и её обитателями и содержимым.

        2 potan:
        Я про это и говорю, только соль почти все получают не из воды а из пищи это тупо проще чем фильтровать через себя десятки литров воды ради пары кристаллов соли.
        Некоторые животные облизывают всякие камни/минералы чтобы эту соль добыть для организма, притом что пьют из лужи по соседству где вода совсем не дистилят.
        • 0
          >Эскимосы на полюсе подиж не минералку хлещют, а снег топят, а ещё 100 лет назад это было практически дистилят, и они не передохли за десятки поколений такой диеты, ровно как и всякие животные в подобных местностях.

          Вы я вижу знаток жизни крайнего севера?
          Ну так что бы вы знали, снег, который они ЗИМОЙ! (как не странно там еще и лето есть) превращают в воду, не кипятить.
          Собственно как и воду, даже на чай.

          В пище у вас этой самой соли полно, так как вы ее солите. Кстати это одна из причин переедание пищи.

          Но вам как теоретику, я просто предлагаю все опробовать самому. Выпивать дистиллята ~30 мл на килограмм веса.
          • 0
            Не кипятят и чо!?

            Выпиваю 0,5-1 литр воды из осмос фильтра, именно в виде воды, помимо чая и прочего. Уже больше года.
            • +1
              icCE утверждает, что разница между осмос-водой и дистиллятом очень существенна. Аргумент про электро-проводимость при этом мне ясен, но не совсем ясно в чём она будет сказываться. Пьют же люди дождевую воду. А вот в чём отличие между «нет солей совсем, от слова совсем» и «есть какие-то малозначительные крохи», с точки зрения солевого баланса, не ясно.
              • 0
                Да да. В нашем мире сейчас дождевая вода ну блин очень чистая, а кислотные дожди — это вымосел фантастов.

                Но в целом вы суть начели улавливать, поэтому плюс вам.

                P.S. Почитайте сопромат на досуге.
                • 0
                  Да еще добавлю, что переизбыток всего — плох. Обычно можно определить по жесткости воды.
                  Если вода очень жесткая, то могут образоваться камни в почка и это будет самое безобидное
                  Понятно, что такую воду надо пить не месяц.
                • 0
                  Да да. В нашем мире сейчас дождевая вода ну блин очень чистая, а кислотные дожди — это вымосел фантастов.

                  Полагаю, что вот как раз сейчас потребителей дождевой воды стало меньше, чем было раньше.

                  P.S. Почитайте сопромат на досуге.
                  Так изящно меня ещё никто не посылал. Спасибо :) Как только освою квантмех, обязательно возьмусь за сопромат.

                  За себя могу сказать, что питаюсь довольно разнообразно. У меня и рыбы много, и мяса, и грибы бывают, много фруктов, довольно много овощей. Не все крупы разве что употребляю. Сильно сомневаюсь, что даже если я буду пить бидистиллированную воду, что у меня возникнут проблемы с солевым балансом. Разве что от переизбытка чего-то конкретного.

                  А вот про ваш довод про электропроводимость, мне уже не кажется высосанным из пальца. Ибо разница между «нет совсем» и «чуть чуть есть» может быть уже весьма значительной, т.к. зависимость не прямолинейная. Этот довод уже интересен. Но интересны конкретные последствия сей электро-проводимости. У вас случаем таких данных нет?
                  • 0
                    >За себя могу сказать, что питаюсь довольно разнообразно.
                    Ну так тогда все ok. Можно пить дистиллят. Я собсвтенно об этом и говорил.

                    Но кстати вспомнил тут другой момент, что когда я пробовал дистиллят или сильно очищенную воду, то я ей не могу напиться.
                    Те вроде пьешь, но нет чувства насыщение. Надо будет на себе опыты поставить более детальные.

                    >Но интересны конкретные последствия сей электро-проводимости. У вас случаем таких данных нет?
                    Данных под рукой точно нет, тут лучше смотреть в Химии.
                    От себя скажу, что чем старше становишься — тем меньше пьешь.
                    По себе скажу, если я выпиваю мало воды, становлюсь очень вялым и ничего не хочется делать.
    • +1
      Вода еще используется для вывода продуктов распада белков (мочевины). А для управлением выводом воды (вместе с мочевитой и прочим) из организма используется натрий. так что совсем без соли плохо будет.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.