По мере роста населения и продолжающихся хронических засух прибрежные города, такие как Карлсбад в Южной Калифорнии, все чаще обращаются к опреснению океана, чтобы пополнить истощающиеся запасы пресной воды. Теперь ученые из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) при Министерстве энергетики США, изучающие, как сделать опреснение менее дорогим, нашли многообещающие правила проектирования для создания так называемых «термочувствительных» ионных жидкостей для отделения воды от соли.
Ионные жидкости представляют собой жидкие соли, которые связываются с водой, что делает их полезными в прямом осмосе для отделения загрязняющих веществ от воды. Еще лучше термически чувствительные ионные жидкости, поскольку они используют тепловую энергию, а не электричество, которое требуется для традиционного опреснения обратным осмосом (RO) для разделения. В новом исследовании лаборатории Беркли, недавно опубликованном в журнале Nature Communications Chemistry, изучались химические структуры нескольких типов ионной жидкости/воды, чтобы определить, какой «рецепт» будет работать лучше всего.
«Нынешнее современное опреснение обратного осмоса работает очень хорошо, но стоимость опреснения обратного осмоса с использованием электричества непомерно высока», - сказал Роберт Костецкий, соавтор исследования. «Наше исследование показывает, что использование дешевого «бесплатного» тепла, такого как геотермальное или солнечное тепло или промышленное отработанное тепло, вырабатываемое машинами, в сочетании с термочувствительными ионными жидкостями может компенсировать большую часть затрат, которые идут на современные технологии обратного опреснения. которые полагаются исключительно на электричество."
Костецки, заместитель директора отдела хранения и распределенных ресурсов энергии (ESDR) в области энергетических технологий лаборатории Беркли, в партнерстве с соавтором-корреспондентом Джеффом Урбаном, штатным научным сотрудником молекулярной литейной лаборатории Беркли, исследовал поведение ионные жидкости в воде на молекулярном уровне.
Используя спектроскопию ядерного магнитного резонанса и динамическое рассеяние света, предоставленные исследователями из отдела ESDR, а также методы моделирования молекулярной динамики в Molecular Foundry, команда сделала неожиданный вывод.
Долгое время считалось, что эффективное разделение ионной жидкости зависит от общего соотношения органических компонентов (частей ионной жидкости, которые не имеют ни положительного, ни отрицательного заряда) к ее положительно заряженным ионам, объяснил Урбан. Но команда лаборатории Беркли выяснила, что количество молекул воды, которые ионная жидкость может отделить от морской воды, зависит от близости ее органических компонентов к положительно заряженным ионам.
«Этот результат был совершенно неожиданным», - сказал Урбан. «Благодаря этому у нас теперь есть правила проектирования, согласно которым атомы в ионных жидкостях выполняют тяжелую работу по опреснению».
Мембранная технология обратного осмоса, которой уже несколько десятков лет, первоначально разработанная в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе в 1950-х годах, переживает второе рождение: в настоящее время в Калифорнии действует 11 опреснительных установок, и в будущем планируется увеличить их количество. Ученые лаборатории Беркли совместно с Исследовательским институтом водо-энергетической устойчивости изучают ряд технологий для повышения надежности системы водоснабжения США, включая передовые технологии очистки воды, такие как опреснение..
Поскольку в прямом осмосе вместо электричества используется тепло, тепловая энергия может быть получена из возобновляемых источников, таких как геотермальная и солнечная энергия или низкопотенциальное промышленное тепло.
«Наше исследование - важный шаг к снижению стоимости опреснения воды», - добавил Костецкий. «Это также отличный пример того, что возможно в национальной системе лабораторий, где междисциплинарное сотрудничество между фундаментальными и прикладными науками может привести к творческим решениям сложных проблем, которые принесут пользу грядущим поколениям».
Кроме того, в исследовании приняли участие исследователи из Калифорнийского университета в Беркли и Национальной лаборатории Айдахо. Molecular Foundry - это пользовательское учреждение Управления науки Министерства энергетики США, специализирующееся на науке о наноразмерах. Эта работа была поддержана Управлением по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии Министерства энергетики США.