Инженеры Калифорнийского университета в Риверсайде разработали новый способ извлечения почти 100 процентов воды из высококонцентрированных солевых растворов. Система уменьшит нехватку воды в засушливых регионах и уменьшит проблемы, связанные с утилизацией соляных растворов с высоким содержанием солей, таких как отходы гидроразрыва пласта.
Исследование, которое включает в себя разработку нагревательного элемента на основе углеродных нанотрубок, который значительно улучшит восстановление пресной воды в процессах мембранной дистилляции, было опубликовано в журнале Nature Nanotechnology. Дэвид Джассби, доцент кафедры химической и экологической инженерии Инженерного колледжа UCR Борнса, руководил проектом.
Хотя обратный осмос является наиболее распространенным методом удаления солей из морской, сточной и солоноватой воды, он не подходит для обработки высококонцентрированных растворов солей. Такие растворы, называемые рассолами, образуются в огромных количествах во время обратного осмоса (в виде отходов) и гидравлического разрыва пласта (в виде попутной воды), и их необходимо утилизировать надлежащим образом, чтобы избежать нанесения ущерба окружающей среде. В случае гидроразрыва пластовая вода часто сбрасывается под землю в нагнетательных скважинах, но некоторые исследования показывают, что такая практика может привести к увеличению числа местных землетрясений.
Одним из способов очистки рассола является мембранная дистилляция, технология термического опреснения, при которой тепло пропускает водяной пар через мембрану, обеспечивая дальнейшее восстановление воды, в то время как соль остается. Однако горячие рассолы обладают высокой коррозионной активностью, что делает теплообменники и другие элементы систем в традиционных системах мембранной дистилляции дорогими. Кроме того, поскольку процесс зависит от теплоемкости воды, коэффициент извлечения за один проход довольно низок (менее 10 процентов), что приводит к сложным требованиям к управлению теплом.
«В идеальном сценарии термическое опреснение позволило бы восстановить всю воду из рассола, оставив небольшое количество твердой кристаллической соли, которую можно было бы использовать или утилизировать», - сказал Джассби. «К сожалению, современные процессы мембранной дистилляции основаны на постоянной подаче горячего рассола через мембрану, что ограничивает извлечение воды через мембрану примерно до 6 процентов».
Чтобы улучшить это, исследователи разработали самонагревающуюся мембрану на основе углеродных нанотрубок, которая нагревает рассол только на поверхности мембраны. Новая система позволила сократить количество тепла, необходимого для процесса, и увеличить выход восстановленной воды почти до 100 процентов.
В дополнение к значительному улучшению характеристик опреснения команда также исследовала, как приложение переменного тока к мембранному нагревательному элементу может предотвратить разрушение углеродных нанотрубок в солевой среде. В частности, была определена пороговая частота, при которой предотвращалось электрохимическое окисление нанотрубок, что позволяло эксплуатировать пленки нанотрубок в течение значительного времени без снижения производительности. Выводы, полученные в этой работе, позволят использовать нагревательные элементы на основе углеродных нанотрубок в других приложениях, где важна электрохимическая стабильность нанотрубок.