Қазіргі уақытта әлем бойынша миллиардтаған адам қауіпсіз ауыз суға тұрақты қолжетімділіктің жоқтығынан зардап шегуде. БҰҰ деректеріне сәйкес, шамамен 2,2 миллиард адам ұйымдастырылған сумен жабдықтаумен қамтамасыз етілмеген, ал кейбір аймақтарда, соның ішінде Калифорния мен Таяу Шығыста, тұщы суды теңіз суынан алу үшін тұзсыздандыру қондырғылары жиі қолданылады.

Тұзсыздандырудың заманауи әдістері және олардың шектеулері

Теңіз суын тұзсыздандыру тұщы судың маңызды көзіне айналуы мүмкін, бірақ кең таралған технологиялардың айтарлықтай кемшіліктері бар. Кері осмос әдісі тұзды жою үшін арнайы мембраналарды қолданады, ал термиялық дистилляция суды қыздыру арқылы тұщы суды бөледі. Бұл екі тәсіл де көп энергияны қажет етеді, суды алдын ала және кейінгі өңдеуді талап етеді, сондай-ақ концентрлі тұзды қалдықтардың (рассол) түзілуіне әкеледі. Рассолды мұхитқа төгу жергілікті тұздылықты арттырып, оттегі деңгейін төмендетеді, бұл теңіз экожүйелеріне кері әсер етеді.

Күн энергиясымен тұзсыздандырудың жаңа тәсілі

Рочестер университетінің зерттеушілері тұзсыздандырудың баламалы күн термиялық жүйесін жасап шығарды. Бұл жүйе тұщы суды тиімді алуға мүмкіндік береді және сұйық рассолдың түзілуінсіз, химиялық қоспаларды қолданбай жұмыс істейді. Технология фемтосекундтық лазерлермен өңделген қара металдан жасалған күн панельдерін қолдануға негізделген. Мұндай өңдеу металдың бетінде микроскопиялық құрылымдар түзеді, бұл оның күн сәулесін сіңіру қабілетін айтарлықтай арттырады және судың бетке тез таралуын қамтамасыз етеді — су тамшы болып жиналмайды.

Жүйенің жұмыс принципі

Әр панельде лазермен өңделген белсенді аймақ бар, ол теңіз суының жұқа қабатын тартады. Қара металл күн сәулесін дерлік толық сіңіріп, суды қыздырады және оның булануына ықпал етеді. Булану кезінде тұздар мен басқа да еріген минералдар бетте қалады. Бұл заттар булану орнында жиналудың орнына панельдің шетіне — пассивті аймаққа бағытталады.

Бұл қозғалыс маңызды, себебі тұздың жиналуы — күн тұзсыздандыру жүйелеріндегі басты мәселелердің бірі. Егер минералдар белсенді бетте қатты қабат түзсе, бұл судың қозғалысын бөгеп, жүйенің жұмысын тоқтатуы мүмкін.

Теңіз суымен өзара әрекеттесу ерекшеліктері

Зертханалық жағдайда жасанды теңіз суымен (натрий хлориді ерітіндісі) тұз кристалдары әдетте су қозғалысын жеңілдететін кеуекті құрылым түзеді, бұл бетті тазартуды оңайлатады. Алайда, шынайы теңіз суында магний мен кальций сияқты басқа да еріген заттар көп, олар тұрмыстық құрылғылардағы әк қабатына ұқсас, бірақ әлдеқайда көлемді тығыз шөгінділер түзе алады.

Мұндай шөгінділер жиналған сайын су бетпен еркін қозғалу қабілетін жоғалтады, бұл тиімділікті төмендетіп, жүйенің бітелуіне әкеледі.

Бітелуді болдырмау шешімдері

Бұл мәселені шешу үшін зерттеушілер тобы қара металда микроскопиялық арналар жасап, тұздар мен минералдардың белсенді аймақтан ығысып, тұрақты қабық түзбеуін қамтамасыз етті. Сондай-ақ, «кофе сақинасы» деп аталатын физикалық эффект қолданылды: сұйықтық буланғанда, бөлшектер тамшының шетіне қарай жылжып, концентрлі сақина түзеді. Осы принцип арқылы тұздар панельдің пассивті аймағына бағытталады.

Тынық, Атлант және Үнді мұхиттарынан алынған шынайы теңіз суымен жүргізілген тәжірибелерде панельдің беті өздігінен тиімді тазарды, қалған тұздар пассивті аймаққа бағытталып, оларды жинауға мүмкіндік берді. Бұл кезде тұзсыздандыру тиімділігі төмендеген жоқ.

Қосымша артықшылықтар: пайдалы минералдарды алу

Дәстүрлі әдістерден айырмашылығы, жаңа жүйе еріген тұздардың барлығын дерлік қатты күйде бөліп алады, бұл оларды ресурс ретінде пайдалануға мүмкіндік береді. Алынған материалдың бір бөлігі ас тұзы ретінде қолданылуы мүмкін, сондай-ақ құнды минералдарды да алуға болады.

Әсіресе литий ерекше маңызды — бұл аккумуляторлар өндірісіне қажетті негізгі элемент, олар электромобильдерде, смартфондарда және басқа электроникада қолданылады. Қосымша зерттеулерде күн панельдерін басқа тұздардан литийді бөлуге бейімдеуге болатыны көрсетілді. Ол үшін қара металдың микроарналарына гидротитанат нанобөлшектері енгізіледі, олар тұздар мен минералдар қоспасынан литийді таңдап бөліп алады.

Үлгілермен жүргізілген тәжірибелерде (Үлкен Тұзды көлден алынған) тұзсыздандырудан кейінгі тұздардағы литийдің шамамен 50%-ын алуға мүмкіндік туды.

Технологияның даму перспективалары

Бұл технология әзірге даму сатысының басында және тек шағын тәжірибелік құрылғыларда көрсетілді. Дегенмен, негізгі құрылымы ауқымды өндіріске бейімделе алады және болашақта тұщы суға қолжетімділікті кеңейтуге, сондай-ақ құнды минералдардың тұрақты көздерін жасауға ықпал етуі мүмкін.

Егер бұл тәсіл сәтті ауқымданса, ол бір уақытта екі маңызды мәселені шешуге мүмкіндік береді: Жер халқының өсуіне байланысты тұщы су өндірісін арттыру және тұзсыздандыру қалдықтары мен минералдарды өндірумен байланысты экологиялық жүктемені азайту.