Опреснение с использованием углеродных нанотрубок помогает решить глобальные проблемы с питьевой водой
Наука Технологии- English
- 日本語
- 简体字
- 繁體字
- Français
- Español
- العربية
- Русский
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.
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.
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.
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.
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.
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)