Производството на чиста вода на по-ниска цена може да се превърне в реалност, след като изследователи от Тексаския университет в Остин и Университета на щата Пенсилвания разрешиха сложен проблем, който безпокоеше учените десетилетия наред.
Обезсоляващите мембрани премахват солта и други химикали от водата – процес, който е от решаващо значение за общественото здраве – пречиствайки милиарди галони вода за земеделие, производство на енергия и пиене. Идеята изглежда проста – пускате солена вода от едната страна, а от другата излиза чиста – но въпреки това процесът съдържа сложни тънкости, които учените все още се опитват да разберат.
Изследователският екип, в сътрудничество с DuPont Water Solutions, постигна напредък в решаването на важна част от тази мистерия, засягаща и намаляването на разходите за производство на чиста вода. Изследователите установиха, че мембраните за обезсоляване са несъвместими по отношение на плътността и разпределението на масата, което може да попречи на тяхната работа. Равномерната плътност на наномащаба е ключът към изясняването на въпроса: колко чиста вода могат да създадат тези мембрани.
„Мембраните с обратна осмоза се използват широко за почистване на вода, но все още има много неща, които не знаем за тях”, отбелязва Маниш Кумар, доцент в Катедрата по гражданско, архитектурно и екологично инженерство към Тексаския университет в Остин, който е съръководител на проучването. „Не бихме могли наистина да кажем как водата се движи през тях, така че всички подобрения през последните 40 години са направени по същество на сляпо.”
Новите открития бяха публикувани в края на 2020 г. в списание „Science”. Статията документира увеличаване на ефективността на мембраните, тествани с 30%-40%, което означава, че те могат да почистят повече вода, като същевременно използват значително по-малко енергия. Това може да доведе до увеличаване на достъпа до чиста вода, както и до по-ниски сметки за вода за отделните домакинства и за големите потребители.
Мембраните на обратната осмоза работят чрез прилагане на натиск върху соления фуражен разтвор от едната страна. Минералите остават там, докато водата преминава. Въпреки че е по-ефективен от процесите на обезсоляване без мембрана, той все още отнема голямо количество енергия, отбелязват изследователите и допълват, че подобряването на ефективността на мембраните може да намали това.
„Управлението на прясната вода се превръща в решаващо предизвикателство в целия свят”, споделя Енрике Гомес, професор по химическо инженерство в Университета на щата Пенсилвания, който ръководи изследването. „Очакваме този проблем да стане още по-значителен с недостига, сушата, с нарастващите тежки метеорологични условия. Изключително важно е наличието на чиста вода, особено в райони с ниски ресурси.”
Националната фондация за наука и предприятието „Дюпон”, които произвежда множество продукти за обезсоляване, финансират изследването. Основите са положени, когато изследователите от „Дюпон” установяват, че по-дебелите мембрани всъщност се оказват по-пропускливи. Това е голяма изненада за учените, защото досега те приемаха, че дебелината редуцира количеството на водата през мембраните.
През 2015 г. екипът се свързва с Dow Water Solutions, който сега е част от „Дюпон”, по време на „срещата на върха“, организирана от доц. Маниш Кумар, и са нетърпеливи да разгадаят тази загадка. Изследователският екип, който включва и изследователи от Университета на щата Айова, разработва 3D реконструкции на наномащабната мембранна структура с помощта на най-съвременни електронни микроскопи в Лабораторията за характеризиране на материалите в Университета на щата Пенсилвания. Те моделират пътя, по който водата преминава през тези мембрани, за да предскажат колко ефективно водата може да бъде почистена въз основа на структурата. Грег Фос от Тексаския изчислителен център помогна да се визуализират тези симулации и повечето от изчисленията са извършени на суперкомпютъра Stampede2.
Изготвил: Кристиян Ковачев
