Technika i gadżety

Słodka woda z walizki

• Technika i gadżety
• 2022 / 08 / 29

W Kalifornii trwa kolejny rok suszy, którą naukowcy określają jako najgorszą od 1200 lat. Zresztą wiele stanów na zachodzie USA przeżywa niedostatki wody. Problem jest oczywiście znacznie szerszy i dotyka całego globu. Choć dwie trzecie jego powierzchni pokrywają oceany, co dziewiąty mieszkaniec Ziemi nie ma dostępu do czystej wody.

Z wody w oceanach nie możemy bezpośrednio korzystać, bo jest zasolona. Proces jej odsalania jest kosztowny i dość skomplikowany. Naukowcy pracują nad nowymi rozwiązaniami, które pozwolą wykorzystać morską wodę na skalę przemysłową. Albo na małą skalę, ale tak, aby technologia była prosta do zastosowania i to w każdych warunkach.

W tym drugim przypadku sukcesem pochwalili się naukowcy z Massachusetts Institute of Technology. Zbudowali oni walizkowe urządzenie - dosłownie walizkowe, bo mieszczące się właśnie w walizce - do odsalania wody i niewymagające żadnych umiejętności. Proces rozpoczyna się po prostu po przyciśnięciu guzika. Walizka waży mniej niż 10 kilogramów i zużywa mniej energii niż ładowarka do telefonu.

Jak stwierdził jeden z twórców urządzenia, Junghyo Yoon, "nawet przedszkolak może przenieść i użyć odsalającą walizkę". Podkreślił, że łatwość korzystania z urządzenia była jednym z głównych założeń w jego konstruowaniu. Zasilanie może być realizowane przy użyciu paneli fotowoltaicznych, a więc odsalanie wody odbywać się może np. w rejonach katastrof naturalnych, gdzie zniszczona została infrastruktura.

Komercyjne urządzenia do odsalania wody wykorzystują zwykle proces odwróconej osmozy. Podczas zwykłej osmozy kontakt roztworów o różnym stężeniu rozpuszczonej w niej substancji (np. soli) powoduje wyrównywanie stężenia - rozpuszczalnik przechodzi z roztworu o niższym stężeniu do roztworu o wyższym stężeniu. Jeżeli woda pompowana jest pod dużym ciśnieniem przez specjalną membranę półprzepuszczalną, dochodzi osmozy odwróconej, a więc procesu odwrotnego. Roztwory po obydwu stronach membrany zwiększają różnicę stężenia rozpuszczonej w nich substancji. W przypadku soli, po jednej stronie pozostaje woda słona, a po drugiej pozbawiona soli.

Proces jest bardzo skuteczny, ale konieczność wytworzenia dużego ciśnienia wymaga dużo energii. Urządzenia do odsalania są więc zwykle duże, instalowane na stałe i wymagające infrastruktury zasilającej.

Naukowcy z MIT również wykorzystują w ich nowatorskim urządzeniu prąd do odsalania. Ale służy on tam do wytworzenia odpowiedniego pola elektrycznego, które przyciąga cząsteczki soli, a także inne zanieczyszczenia. Proces nazywany jest polaryzacją koncentracji jonów (ion concentration polarization - ICP). Przyciągnięte cząsteczki pozostają w wodzie, która jest kierowana do oddzielnego zbiornika. Ta zanieczyszczona woda jest potem po prostu wylewana, niepotrzebne są więc żadne filtry, które co pewien czas trzeba byłoby wymieniać.

Walizka i rozkładany panel fotowoltaiczny wystarczą, aby z morskiej wody produkować wodę pitną.

---

Oczyszczona woda jest zdatna do picia, a jej parametry przekraczają normy wyznaczone przez Światową Organizację Zdrowia. Proces odsalania w walizkowym urządzeniu wydaje się prosty. Ale opracowanie skutecznej technologii nie było wcale łatwe. Prowadzący badania profesor Jongyoon Han powiedział, że pracował nad tym ze swoim zespołem ponad 10 lat.

Ich praca jednak nie zakończyła się. Wspomniany Junghyo Yoon ma zająć się stworzeniem przedsiębiorstwa, mającego skomercjalizować wynalazek. Natomiast profesor Jongyoon Han chce spróbować wykorzystać technologię ICP do kolejnych celów. Ma to być oczyszczanie wody z szeregu niechcianych elementów. Profesor zapewnia, że technologia nadaje się zarówno do usuwania z wody cząsteczek niezwykle szkodliwych metali ciężkich, jak również bakterii i wirusów.

Tymczasem naukowcom z MIT rośnie konkurencja. Na razie jest jeszcze młoda, bo chodzi wciąż do high school. Ale młodzi ludzie też zajęli się problemem odsalania wody. Cztery uczennice wzięły udział w programie uczelni Virginia Tech, mającym na celu zainteresować dziewczęta inżynierią, a więc branżą zdominowaną przez mężczyzn.

Cztery uczennice, pod kierunkiem jednego z profesorów uczelni, opracowały koncepcję butelki, mającej funkcję odsalania. Jest to na razie tylko projekt, ale jeżeli powstanie prototyp, który się sprawdzi, pomysł może być zrealizowany na większą skalę.

Konstrukcja ma wykorzystywać proces destylacji wodę przez membranę, która jednak jest wymuszana nie energią elektryczną, ale temperaturą. Pomysł jest podpatrzony w naturze, bo wodę w ten sposób pozyskują namorzyny - krzewy, a nawet drzewa, rosnące na brzegach zbiorników ze słoną wodą (spotykane są w strefie międzyzwrotnikowej, ale także w południowej Florydzie). W roślinach słona woda przenika przez rodzaj membrany, co zapewnia im życiodajną, odsoloną wodę.

To oczywiście nie dziewczęta z high school odkryły proces destylacji w namorzynach. I nie tylko one próbują wykorzystać go do odsalania wody. Pracują nad tym także naukowcy z Uniwersytetu Yale, którzy nazywają proces pozyskiwania wody destylacją membranową. W przeciwieństwie do procesu odwróconej osmozy, to nie ciśnienie powoduje przepływ wody przez membranę, ale ciepło. Dlatego membranę pokryto od strony zbiornika ze słoną wodą czarnymi, węglowymi cząsteczkami pochłaniającymi ciepło.

Naukowcy z Yale należą do konsorcjum naukowców, przemysłu i instytucji rządowych o nazwie Nanotechnology Enabled Water Treatment (NEWT) Systems. Konsorcjum chce stworzyć technologię, umożliwiającą odsalanie wody na przemysłową skalę, dzięki niższym kosztom. Pozyskiwanie ciepła jest bowiem tańsze od produkcji energii elektrycznej. Możliwe jest nie tylko ze słońca, ale także z procesów przemysłowych, gdzie wydzielane ciepło jest efektem ubocznym.

Departament Energii już w ubiegłym roku wyasygnował grant w wysokości 1,7 mln dolarów dla NEWT na budowę prototypowego urządzenia. We wcześniejszych próbach, uzyskiwano wydajność 6 litrów czystej wody na godzinę z 1 metra kwadratowego membrany. Do jej podgrzewania wykorzystywano soczewki skupiające światło słoneczne, którego moc obliczano na 17,5 kW.

W budowanym prototypie oczekuje się uzyskania wydajności 10 litrów na godzinę, na metr kwadratowy. To oznacza, że pracująca na okrągło przez całą dobę membrana jest w stanie dostarczyć 240 litrów czystej wody. Przeciętny Amerykanin używa jej od 300 do 360 litrów na dobę, a więc dla zaspokojenia jego potrzeb wystarczy membrana o powierzchni około półtora metra kwadratowego.

Korzystanie z odsolonej wody morskiej na masową skalę wydaje się dziś dość odległą perespektywą. Nawet po zastosowaniu wyżej opisanych technologii koszt takiej wody będzie nieporównywalnie wyższy do pozyskiwanej obecnie wody słodkiej. Zmiany klimatyczne i zmniejszanie się zasobów słodkiej wody może jednak zacząć zmieniać proporcje.

Zresztą już dziś są miejsca na Ziemi, gdzie woda jest cennym surowcem. Zwiększenie jej dostępności pozwoliłoby na rozwój tych obszarów, szczególnie w dziedzinie rolnictwa i zmniejszenie przez to głodu. Rozwijanie technologii odsalania jest więc na pewno warte wysiłku.