Благодаря данной методике удается избежать потерь жидкости, исключая при этом испарение и конденсацию воды, что приводит к существенной экономии энергии.
Сегодня обеспечение безопасности водоснабжения является одной из важнейших глобальных проблем. Дефицит пресной воды уже затрагивает сотни миллионов человек, и, по прогнозам ООН, к 2030 году примерно половина населения земного шара будет жить в регионах с недостатком этого ресурса. Кризис водоснабжения затронет не только развивающиеся страны, но и государства с развитой экономикой.
Для расширения объемов доступной питьевой воды применяются технологии опреснения. В настоящее время они становятся все более востребованными. По прогнозам специалистов, к 2030 году общая мощность опреснительных установок увеличится в два раза по сравнению с показателями 2016 года. Однако опреснение может быть затратным процессом, а образующиеся в результате побочные продукты – гиперсоленые растворы – часто оказывают негативное воздействие на окружающую среду.
Ученые из Школы инженерных и прикладных наук Колумбийского университета предложили новый метод опреснения растворов, получивший название TSSE (сольвентная экстракция при температурных колебаниях). Описание этой разработки представлено в статье опубликована в журнале Environmental Science & Technology. В TSSE применяется экстракция растворителем, при этом исключается использование мембран и фазовых переходов, таких как испарения. Это позволяет новому методу быть экономически эффективным, стабильным и легко адаптируемым для увеличения объемов производства.
Авторы TSSE заявляют, что им удалось достичь «последнего рубежа» опреснения – нулевого сброса жидкости (ZLD). Это подразумевает отсутствие сточных вод, нуждающихся в дальнейшей обработке или утилизации. «Испарение и конденсация воды – общепринятый современный метод достижения ZLD, однако он характеризуется высокой энергозатратностью и значительными расходами. Нам удалось добиться ZLD без нагрева и кипячения воды – это существенный шаг вперед в опреснении рассолов сверхвысокой солености, демонстрирующий потенциал нашей технологии TSSE для трансформации мировой индустрии водоснабжения», – отмечает один из разработчиков, Нгай Ин Ип.
В процессе TSSE сначала смешивают низкополярный растворитель диизопропиламин (DIPA) с соленым водным раствором. При достаточно низких температурах растворитель извлекает воду из раствора (разработчики проводили испытания метода при пяти градусах Цельсия). Регулируя соотношение растворителя и рассола, удается извлечь из рассола всю воду, в результате чего соли кристаллизуются и выпадают в осадок на дне емкости с раствором.
После извлечения соляных кристаллов раствор нагревают до 70 °C. Это приводит к снижению сродства растворителя к воде, что проявляется в ее отделении. Образовавшаяся целевая жидкость и диизопропиламин разделяются благодаря различию в плотности, позволяя отделить воду и повторно использовать растворитель.
В ходе лабораторных исследований ученым удалось извлечь 90% соли из исходного водного рассола – сточных вод, образующихся при орошении полей в Центральной Калифорнии. Это позволило сэкономить около 75% энергии по сравнению с методом термического испарения. Растворитель многократно применялся в процессе, не приводя к заметному снижению эффективности.
Низкое энергопотребление технологии TSSE позволяет использовать ее совместно с геотермальными и солнечными электростанциями. Метод эффективен для получения питьевой воды из морской среды. Также он пригоден для обработки растворов выщелачивания, сточных вод горнообогатительных предприятий, а также водных выбросов, образующихся при добыче нефти и газа.
Ранее исследователи из Калифорнийского университета сообщила, что количество ледяной воды на поверхности Луны может значительно превышать прежние оценки. Их коллеги из Саудовской Аравии разработали технологию получения дистилированной воды и электроэнергии при помощи солнечного света.