Опреснение с использованием углеродных нанотрубок помогает решить глобальные проблемы с питьевой водой

Опреснение – глобальная проблема человечества

Детский фонд Организации Объединенных Наций сообщает, что более 700 миллионов человек во всем мире не имеют доступа к безопасной питьевой воде, а зараженная вода является причиной смерти 300 000 младенцев ежегодно. Обеспечение постоянного доступа населения планеты к чистой воде является шестой по счету из 17 целей устойчивого развития ООН. Однако, существуют аспекты проблемы с водой, выходящие за рамки здравоохранения. Так в докладе, представленном на международной конференции по опреснению, утверждается, что доступ к воде тесно связан с проблемой гендерного равенства и отсутствием равных возможностей получения образования, поскольку многие женщины и дети вынуждены тратить свое время на тяжелую работу по сбору воды, а многие дети не могут получить надлежащее образование из-за возложенных на них обязанностей по транспортировке воды. Лишь несколько десятков стран во всем мире обеспечивают своему населению надежный прямой доступ к питьевой воде из-под крана, но поддержание бытового водоснабжения также представляет собой насущную проблему из-за старения инфраструктуры и истощающихся источников воды.

В то же время международное сообщество уделяет всё больше внимания углеродной нейтральности. Одним из результатов совместных усилий является план по увеличению площади зеленых насаждений и защите морской флоры и фауны в Саудовской Аравии и других странах Ближнего Востока, где значение устойчивых технологий опреснения как для нынешнего времени, так и для будущего, невозможно переоценить. Опустынивание, спровоцированное глобальным потеплением, а также быстро растущие потребности в воде, вызванные увеличением населения и ростом экономики, ведут к увеличению нагрузки на источники воды. Человечеству необходим стабильный доступ к водным ресурсам, который достигается за счет использования более совершенных технологий опреснения морской воды.

Опреснительная установка на западном побережье Саудовской Аравии (Предоставлено Корпорацией по переработке соленой воды Королевства Саудовская Аравия)

Снижение затрат за счет использования мембран обратного осмоса

В настоящее время основной технологией опреснения является метод обратноосмотических мембран. Благодаря применению принципов обратного осмоса с использованием мембраны с бесчисленными микроскопическими порами, которые пропускают только воду, удаляя соль и другие вещества из морской воды, появляется возможность воссоздавать пресную воду. В настоящее время во всем мире с помощью этого метода добывается около 65 миллионов тонн пресной воды в день. Это в 14 раз больше, чем необходимо столичной метрополии Токио с населением около 14 миллионов человек. Эта вода предназначается в основном для систем городского водоснабжения, где используется около 60% полученной пресной воды, и промышленности (30% воды). Очевидно, что технология обратного осмоса вносит значительный вклад в развитие человечества.

Трубчатые модули опреснительной установки, расположенной на западном побережье Саудовской Аравии. Они представляют собой мембраны обратного осмоса, которые удаляют соль из морской воды (Предоставлено Корпорацией по переработке соленой воды Королевства Саудовская Аравия)

Широко используемые в настоящее время обратноосмотические мембраны изготавливаются из полимера, называемого сшитым ароматическим полиамидом. По сути, это высокомолекулярный нейлон толщиной в несколько сотен нанометров. Мембраны обратного осмоса появились в 1970-х годах. Современные мембраны представляют собой их значительно усовершенствованную версию. Сегодня метод обратного осмоса обеспечивает безопасное и стабильное получение пресной воды из морской воды, и вносит огромный вклад в жизнь планеты, однако в эпоху, когда актуальность приобретают устойчивые глобальные меры по охране окружающей среды, эта область также требует дальнейших технических инноваций на основе накопленного технологического опыта.

Первая область, в которой возможны улучшения, – это стоимость. В настоящее время удаление 99,8% соли из морской воды для создания пресной питьевой воды требует подачи воды под очень высоким давлением, порядка пяти-семи мегапаскалей. Для создания необходимого напора используется огромное количество электроэнергии, и в результате стоимость опресненной воды достигает 1 доллара за тонну. Международные ассоциации, занимающиеся опреснением, пытаются вдвое сократить эти расходы с помощью озеленения и других концепций устойчивого развития.

Необходимо продолжать думать над тем, как избежать ухудшения качества воды в океане. В результате опреснения на каждый 1 литр производимой пресной питьевой воды получается 1,5 литра высококонцентрированного рассола. Этот рассол содержит вдвое больше соли на единицу объема, чем океанская вода, и наблюдатели отмечают, что вопрос воздействия утилизируемого рассола на морские экосистемы, особенно закрытые, требует самого пристального внимания. Одним из возможных и многообещающих решений этой проблемы является использование отработанного рассола в качестве источника полезных ископаемых. Исследователи работают над способами восстановления из рассола минеральных ресурсов, таких как соль, литий и магний.

Устойчивость сохраняет морскую среду

Тем не менее, одним из ключей к дальнейшему сокращению затрат и мерам по защите окружающей среды является повышение устойчивости мембран. Повышение износостойкости мембран обратного осмоса в первую очередь требует снижения уровня загрязняющих веществ, прилипающих к поверхности мембран. В морской воде содержится множество примесей, таких как планктон, которые могут забивать мембраны во время фильтрации. Особую трудность для удаления представляют собой природные органические вещества, а именно: альгиновая кислота, являющаяся продуктом разложения морских водорослей, и гуминовая кислота, образующаяся из растительных остатков. Эти загрязнители закупоривают диффузионные пути мембран на молекулярном уровне, что снижает их водопроницаемость и скорость опреснения. При этом восстановить функционал мембран невозможно даже при увеличении давления воды. Для очистки опреснительной установки ее необходимо остановить и тщательно промыть чистой водой, что влечет за собой значительные финансовые затраты.

В настоящее время морская вода, предназначенная для опреснения, проходит предварительную химическую обработку с целью удаления примесей и снижения вероятности засорения. Хотя перед возвращением в океан используемые химические вещества проходят процедуру обезвреживания, их общий объем должен оставаться минимальным, чтобы не нанести вред экологии моря. С этой точки зрения отличным решением выглядят более отказоустойчивые мембраны обратного осмоса. Благодаря их повышенной долговечности снизится и потребность в химической обработке. Это позволит нам, опираясь на упорный труд ученых прежних лет, добиться дальнейших значительных улучшений в вопросах получения качественной питьевой воды.

Разработка инновационных мембран

В 2013 году Университет Синсю основал Глобальный центр водных инноваций - исследовательскую организацию, объединившую представителей промышленности, правительства и академических кругов для решения проблем питьевой воды. Одним из направлений исследований была разработка обратноосмотических мембран с использованием ключевого компонента современных нанотехнологий - углеродных нанотрубок.

Углеродные нанотрубки представляют собой сверхтонкие полые наноразмерные волокна из атомов углерода цилиндрической формы. Они формируются из углеводородов, таких как метан, при температуре около 1000 ℃ посредством катализа металлическими частицами с использованием таких металлов, как железо. Их толщина не превышает 1/50 000 толщины человеческого волоса, они легки и во много раз прочнее стали. Поскольку УНТ химически стабильны и эффективно проводят тепло и электричество, их используют в качестве электродных добавок в литий-ионных аккумуляторах для повышения их производительности. Углеродные нанотрубки также широко применяются в качестве добавок в углепластиках, используемых, например, при изготовлении теннисных ракеток и шафтов клюшек для гольфа. Поскольку углеродные нанотрубки можно производить из биометана, они также являются экологически чистым нанотехнологичным материалом, основным побочным продуктом производства которого является водород.

В 2018 году Университету Синсю удалось разработать инновационную мембрану обратного осмоса путем сочетания углеродных нанотрубок с обычным сшитым ароматическим полиамидом. Использование оптимального количества наноматериалов обеспечивает положительный заряд и уменьшает неровности поверхности мембраны. В результате уменьшается вероятность налипания примесей, называемых загрязнителями.

На кадрах выше показана обычная мембрана обратного осмоса. Ниже представлена нанокомпозитная мембрана, разработанная в Университете Синсю. Слева – через 48 часов, справа – через 52 часа. Зеленые белки намертво прилипают к обычной мембране, в то время как небольшие комочки белков, прилипшие к нанокомпозитной мембране, отслаиваются и практически полностью исчезают через 52 часа (© Университет Синсю)

Белки активно прилипают к обычной мембране слева (волокнистый материал синего цвета внизу), однако практически не скапливаются на мембране, разработанной Университетом Синсю, находящейся справа: их легко удалить потоком воды (© Университет Синсю)

Практическое применение устойчивых к засорению нанокомпозитных мембран, содержащих углеродные нанотрубки, позволит создать экологически безопасную технологию «зеленого опреснения», обеспечивающую экономию электроэнергии и минимизирующую использование химикатов – идеальное решение для нашей эпохи, озабоченной защитой окружающей среды.

Модуль опреснения морской воды с использованием нанокомпозитных мембран. Через него отфильтровывается соль, содержащаяся в морской воде. Черные области на поперечном сечении показывают присутствие углеродных нанотрубок (© Университет Синсю)

Линия по производству углеродных нанотрубок в Международном центре науки и инноваций Университета Синсю (AICS) (© Университет Синсю)

С 2020 года университет использует нанокомпозитные мембраны для опреснения морской воды на водоканале в Китакюсю. Мембраны также обладают доказанной эффективностью фильтрации загрязняющих веществ. Испытания, проводившиеся для проверки концепции, показали, что нанокомпозитные мембраны могут помочь снизить потребность в химической обработке воды, а также более износоустойчивы по сравнению с обычными мембранами. В результате нанокомпозитные мембраны могут обеспечить более длительный цикл работы опреснительных установок, потенциально снизив эксплуатационные расходы на 10–15%. Благодаря использованию таких мембран можно усовершенствовать установки предварительной обработки неочищенной морской воды, сложная конструкция которых является еще одним источником высоких эксплуатационных расходов.

Пилотная опреснительная установка водоканала в Китакюсю. В контейнере находится оборудование для ценных ежедневных экспериментов по оценке долговечности нанокомпозитных мембран, проводимых в течение нескольких месяцев с использованием настоящей морской воды (© Университет Синсю)

В настоящее время центр работает с компаниями, занимающимися опреснением, и исследовательскими институтами по всему миру, чтобы добиться внедрения нанокомпозитных мембран в опреснительные установки. Мембраны Университета Синсю также могут применяться для очистки сточных вод и повторного использования промышленных сточных вод, чего еще предстоит достичь, и имеют огромные перспективы использования в системах рециркуляции воды, которые могут принести пользу как окружающей среде, так и обществу. Я считаю, что нанокомпозитные мембраны, разработанные Университетом Синсю – передовым центром исследований в области технологий углеродных нанотрубок, – могут внести неоценимый вклад в решение проблемы питьевой воды, с которой мир столкнулся в нынешнем столетии.

Фотография к заголовку: Схема углеродной нанотрубки (© Университет Синсю)