По данным ООН, около 2,2 миллиарда человек в мире не имеют регулярного доступа к безопасной питьевой воде. Для решения этой проблемы во многих регионах, от Калифорнии до Ближнего Востока, используются промышленные опреснительные установки. Однако традиционные методы, такие как обратный осмос и термическая дистилляция, требуют значительных энергозатрат и химической предобработки. Главным их недостатком остается образование больших объемов концентрированного солевого раствора, который при сбросе в океан нарушает баланс морских экосистем, снижая уровень кислорода и повышая соленость воды.
Группа исследователей из Рочестерского университета под руководством профессора оптики и физики Чунлэя Го предложила альтернативный метод, лишенный этих недостатков. Разработанная ими технология работает исключительно за счет солнечной энергии, не требует химикатов и предотвращает появление жидких отходов. Результаты работы опубликованы в научном журнале Light: Science & Applications.
В основе системы лежат специальные панели из черного металла, обработанные фемтосекундным лазером. Такая обработка меняет структуру поверхности, придавая ей два ключевых свойства: максимальное поглощение солнечного света и супергидрофильность, то есть способность интенсивно притягивать воду. Под воздействием лазерного микрорельефа тонкий слой морской воды распределяется по панели. Солнечный свет испаряет влагу, которая затем конденсируется в пресную воду, а растворенные соли и минералы выводятся из активной зоны испарения и оседают в пассивных, необработанных лазером частях панели.
Одной из главных проблем существующих солнечных опреснителей при работе с реальной морской водой является быстрое загрязнение поверхностей. Если чистый раствор хлорида натрия при испарении образует пористую структуру, через которую вода продолжает сочиться, то соли кальция и магния, содержащиеся в океанской воде, создают плотную твердую корку. Она быстро забивает каналы и останавливает процесс опреснения.
Для обхода этого препятствия ученые создали на металлической поверхности микроскопические бороздки. Они перенаправляют кристаллизующиеся соли, используя так называемый «эффект кофейного кольца» – физическое явление, при котором частицы жидкости при испарении стягиваются к внешним границам капли. Тестирование устройства на образцах воды из Тихого, Атлантического и Индийского океанов подтвердило эффективность самоочищения: пресная вода отделялась непрерывно, а сухая соль перемещалась на периферию для последующего сбора.
В отличие от традиционных заводов, новая технология исключает сброс токсичного рассола. Оседающие на панели сухие соли представляют собой ценный ресурс. Помимо получения поваренной соли, метод позволяет извлекать редкие металлы, включая литий, необходимый для производства аккумуляторов. В сопутствующем исследовании, опубликованном в Journal of Materials Chemistry A, авторы показали, что интеграция наночастиц титаната водорода в микроструктуру панелей позволяет избирательно изолировать литий. В ходе экспериментов с водой из Большого Соленого озера в штате Юта исследователям удалось извлечь около половины содержащегося в ней лития.
На данном этапе технология продемонстрирована на экспериментальных установках, однако авторы заявляют о высокой масштабируемости метода. В перспективе это позволит не только снизить дефицит пресной воды в засушливых регионах, но и создать экологически чистый источник критически важного промышленного сырья, минуя энергоемкие методы традиционной добычи лития.