Σύμφωνα με τα Ηνωμένα Έθνη, 2,2 δισεκατομμύρια άνθρωποι εξακολουθούν να μην έχουν πρόσβαση σε ασφαλώς διαχειριζόμενο πόσιμο νερό. Για να βοηθήσουν στην κάλυψη της αυξανόμενης ζήτησης, πολλές περιοχές, από την Καλιφόρνια μέχρι μέρη της Μέσης Ανατολής, βασίζονται σε μονάδες αφαλάτωσης που μετατρέπουν το θαλασσινό νερό σε γλυκό νερό.
Οι παραδοσιακές μέθοδοι αφαλάτωσης όπως η αντίστροφη όσμωση και η θερμική απόσταξη μπορεί να είναι δαπανηρές και ενεργοβόρες. Συχνά απαιτούν χημική επεξεργασία πριν και μετά την επεξεργασία του νερού και παράγουν μεγάλες ποσότητες συμπυκνωμένου θαλασσινού νερού που είναι γνωστό ως άλμη. Εάν απελευθερωθεί ξανά στον ωκεανό, μπορεί να βλάψει τα θαλάσσια οικοσυστήματα αυξάνοντας την αλατότητα και μειώνοντας τα επίπεδα οξυγόνου.
Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Ρότσεστερ έχουν αναπτύξει μια νέα προσέγγιση που μπορεί να αντιμετωπίσει ορισμένες από αυτές τις προκλήσεις. Το ηλιακό τους σύστημα αφαλάτωσης παράγει αποτελεσματικά γλυκό νερό, λειτουργεί χωρίς χημική προεπεξεργασία και αποφεύγει τη δημιουργία αποβλήτων άλμης. Επικεφαλής της έρευνας ήταν ο Chunlei Guo, καθηγητής οπτικής και φυσικής και ανώτερος επιστήμονας στο Εργαστήριο Laser Energetics του πανεπιστημίου. Η ομάδα περιέγραψε την τεχνολογία στο περιοδικό Φωτισμός: Επιστήμη και Εφαρμογές.
Οι ηλιακοί συλλέκτες που έχουν υποστεί επεξεργασία με λέιζερ οδηγούν τη διαδικασία
Το σύστημα βασίζεται σε ειδικά σχεδιασμένα ηλιακά πάνελ κατασκευασμένα από μαύρο μέταλλο που έχει υφή με λέιζερ femtosecond. Αυτή η επεξεργασία δίνει στην επιφάνεια δύο σημαντικές ιδιότητες. Απορροφά σχεδόν όλο το εισερχόμενο ηλιακό φως και προσελκύει έντονα το νερό, μια ιδιότητα που είναι γνωστή ως υπερασθενής.
Ένα λέιζερ αντλεί ένα λεπτό στρώμα θαλασσινού νερού κατά μήκος του πλαισίου της ενεργής περιοχής με σχέδια. Καθώς το ηλιακό φως απορροφάται, το νερό εξατμίζεται και αποστάζεται σε γλυκό νερό. Ταυτόχρονα, τα διαλυμένα άλατα και τα ανόργανα άλατα διοχετεύονται μακριά από την ενεργό περιοχή και συσσωρεύονται στα μη επεξεργασμένα μέρη του πίνακα που ονομάζεται παθητική περιοχή.
Μετακινώντας το αλάτι μακριά από τη ζώνη εξάτμισης, ο σχεδιασμός αποτρέπει τη συσσώρευση που διαφορετικά θα παρεμπόδιζε τη συνεχή λειτουργία.
Χρησιμοποιεί το εφέ δακτυλίου καφέ για να αποτρέψει το φράξιμο
Ο Guo σημειώνει ότι αρκετές τεχνολογίες ηλιακής θερμικής αφαλάτωσης έχουν δείξει πολλά υποσχόμενα αποτελέσματα σε εργαστηριακές μελέτες που χρησιμοποιούν απλοποιημένο θαλασσινό νερό που αποτελείται μόνο από νερό και χλωριούχο νάτριο.
Σε αυτά τα πειράματα, οι κρύσταλλοι χλωριούχου νατρίου σχηματίζονται σε μια χαλαρή, πορώδη δομή καθώς το νερό εξατμίζεται. Το νερό μπορεί να ρέει μέσα από αυτούς τους κρυστάλλους, διαλύοντάς τους και καθιστώντας τα συστήματα σχετικά εύκολα στον καθαρισμό.
Το πραγματικό θαλασσινό νερό είναι πολύ πιο περίπλοκο.
Εκτός από το χλωριούχο νάτριο, υπάρχουν πολλά άλλα διαλυμένα ορυκτά στον ωκεανό. Υλικά που περιέχουν μαγνήσιο και ασβέστιο σχηματίζουν συχνά σκληρές, πυκνές κρούστες όταν κρυσταλλώνονται. Αυτές οι αποθέσεις μπορούν να εμποδίσουν τη ροή του νερού και τελικά να σταματήσουν τη διαδικασία αφαλάτωσης.
Το πρόβλημα είναι σαν να συσσωρεύεται ορυκτό άλας στο εσωτερικό ενός βραστήρα ή μια κεφαλή ντους που φράζει με την πάροδο του χρόνου, η συγκέντρωση των διαλυμένων αλάτων στο θαλασσινό νερό είναι πολύ υψηλή.
Για να ξεπεράσει αυτή την πρόκληση, η ομάδα του Ρότσεστερ σχεδίασε προσεκτικά μικροσκοπικές αυλακώσεις στη μαύρη μεταλλική επιφάνεια. Το σχέδιο ενθαρρύνει τα άλατα και τα μέταλλα να απομακρυνθούν από την ενεργή ζώνη πριν παγώσουν.
Οι ερευνητές εκμεταλλεύτηκαν επίσης ένα γνωστό φυσικό φαινόμενο γνωστό ως το φαινόμενο του δακτυλίου του καφέ.
«Αν ρίξετε καφέ σε μια επιφάνεια, τελικά το νερό εξατμίζεται και υπάρχει ένας δακτύλιος στην εξωτερική άκρη που είναι συμπυκνωμένα σωματίδια καφέ», λέει ο Guo. «Χρησιμοποιούμε την ίδια αρχή για να προωθήσουμε το αλάτι σε παθητικές περιοχές».
Όταν η ομάδα δοκίμασε την τεχνολογία χρησιμοποιώντας δείγματα νερού που συλλέχθηκαν από τον Ειρηνικό, τον Ατλαντικό και τον Ινδικό ωκεανό, η επιφάνεια καθαρίστηκε αποτελεσματικά. Το γλυκό νερό αποστραγγιζόταν συνεχώς ενώ τα άλατα κατευθύνονταν στην παθητική ζώνη, όπου μπορούσαν αργότερα να συλλεχθούν χωρίς μείωση της απόδοσης.
Ανάκτηση πολύτιμων ορυκτών αντί της δημιουργίας αποβλήτων
Ένα από τα πιο σημαντικά πλεονεκτήματα του συστήματος είναι αυτό που συμβαίνει με το υπολειμματικό αλάτι.
Η συμβατική αφαλάτωση παράγει υγρή άλμη που πρέπει να υποβληθεί σε επεξεργασία, απόρριψη ή απόρριψη στο περιβάλλον. Αντίθετα, η νέα διαδικασία ανακτά σχεδόν όλα τα διαλυμένα άλατα σε στερεή μορφή.
Τα διασωθέντα υλικά μπορούν να γίνουν πολύτιμα περιουσιακά στοιχεία. Εκτός από την παραγωγή επιτραπέζιου αλατιού, η διαδικασία μπορεί να βοηθήσει στην εξαγωγή σημαντικών ορυκτών όπως το λίθιο, βασικό συστατικό των μπαταριών ιόντων λιθίου που χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρικά οχήματα και σε πολλά ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης.
Σε σχετική μελέτη που δημοσιεύτηκε Στο Journal of Physical ChemistryΟ Guo και οι συνεργάτες του έδειξαν ότι το ίδιο εξαιρετικά αδύναμο ηλιακό πάνελ μπορεί να διαχωρίσει το λίθιο από άλλα άλατα.
Για να το πετύχουν αυτό, οι ερευνητές ενσωμάτωσαν νανοσωματίδια τιτανικού υδρογόνου σε μικροσκοπικές αυλακώσεις στη μαύρη μεταλλική επιφάνεια. Αυτά τα σωματίδια απομονώνουν επιλεκτικά το λίθιο από άλλα διαλυμένα ορυκτά.
“Η εξόρυξη λιθίου από τη γη έχει αποδειχθεί πολύ επιβαρυντική από ενεργειακή και περιβαλλοντική άποψη, επομένως η εξόρυξη λιθίου απευθείας από το αλμυρό νερό θα μπορούσε να είναι μια πολύ σημαντική μελλοντική πορεία”, δήλωσε ο Guo.
Χρησιμοποιώντας νερό από το Great Salt Lake της Γιούτα, η ομάδα ανέκτησε με επιτυχία περίπου το 50 τοις εκατό του λιθίου που είχε απομείνει στο αλάτι μετά την αφαλάτωση.
Δυνατότητα παραγωγής γλυκού νερού μεγάλης κλίμακας
Αν και η τεχνολογία μέχρι στιγμής έχει αποδειχθεί μόνο σε συσκευές proof-of-concept, ο Guo πιστεύει ότι η μέθοδος μπορεί να κλιμακωθεί σημαντικά.
Εάν επεκταθεί επιτυχώς, το σύστημα θα μπορούσε να συμβάλει στην αύξηση της πρόσβασης σε καθαρό πόσιμο νερό καθώς και στη δημιουργία μιας πιο βιώσιμης πηγής κρίσιμων ορυκτών.
Η έρευνα υποστηρίχθηκε από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών, το Ίδρυμα Bill & Melinda Gates και το Worldwide Universities Network. Επιπλέον συνεισφέροντες από το Ινστιτούτο Οπτικής περιλαμβάνουν τον ανώτερο επιστήμονα Σούμπας Σινγκ, τον απόφοιτο Ραν Γουέι ’24 (PhD), τους διδακτορικούς φοιτητές Luheng Tang και Tainshu Xu και τον Mingjiang Ma.
