Одним нажатием кнопки можно превратить морскую воду в питьевую

Исследователи Массачусетского технологического института разработали портативное опреснительное устройство весом менее 10 килограммов, которое может удалять частицы и соли для получения питьевой воды.

Устройство размером с чемодан, для работы которого требуется меньше энергии, чем для зарядного устройства сотового телефона, может работать от небольшой портативной солнечной батареи, которую можно приобрести в Интернете по цене около 50 долларов. Оно автоматически генерирует питьевую воду, качество которой превышает стандарты Всемирной организации здравоохранения. Технология упакована в удобное для пользователя устройство, которое запускается нажатием одной кнопки.

В отличие от других портативных опреснителей, которые требуют пропускания воды через фильтры, это устройство использует электрическую энергию для удаления частиц из питьевой воды. Отсутствие необходимости в сменных фильтрах значительно снижает требования к долгосрочному обслуживанию.

Это может позволить использовать устройство в отдаленных районах с ограниченными ресурсами, например, в населенных пунктах на небольших островах или на борту морских грузовых судов. Его также можно использовать для оказания помощи беженцам, спасающимся от стихийных бедствий, или солдатам, проводящим длительные военные операции.

"Это действительно кульминация 10-летнего пути, который проделали я и моя группа. Мы годами работали над физикой отдельных процессов опреснения, но собрать все эти достижения в единое целое, построить систему и продемонстрировать ее в океане - это был действительно значимый и полезный опыт для меня", - говорит старший автор статьи Джонгюн Хан, профессор электротехники и информатики, биологической инженерии и член Исследовательской лаборатории электроники (RLE).

Вместе с Ханом в работе над статьей участвуют первый автор Чжунгхё Юн, научный сотрудник RLE; Хюкджин Дж. Квон, бывший постдок; Сунг-Ку Канг, постдок Северо-Восточного университета; и Эрик Брэк из Командования по разработке боевых возможностей армии США (DEVCOM). Результаты исследования были опубликованы онлайн в журнале Environmental Science and Technology.

Бесфильтровая технология

Имеющиеся в продаже портативные опреснители обычно требуют насосов высокого давления для проталкивания воды через фильтры, которые очень трудно миниатюризировать без ущерба для энергоэффективности устройства, объясняет Юн.

Вместо этого их устройство использует метод под названием "поляризация концентрации ионов" (ICP), который был впервые применен группой Хана более 10 лет назад. Вместо того чтобы фильтровать воду, в процессе ICP к мембранам, расположенным над и под каналом с водой, применяется электрическое поле. Мембраны отталкивают положительно или отрицательно заряженные частицы, включая молекулы соли, бактерии и вирусы, когда они проходят мимо. Заряженные частицы попадают во второй поток воды, который в конечном счете выводится наружу.

Этот процесс удаляет как растворенные, так и взвешенные твердые частицы, позволяя чистой воде проходить через канал. Поскольку для этого требуется только насос низкого давления, ICP использует меньше энергии, чем другие методы.

Но ICP не всегда удаляет все соли, плавающие в середине канала. Поэтому исследователи включили второй процесс, известный как электродиализ, для удаления оставшихся ионов соли.

Юн и Канг использовали машинное обучение, чтобы найти идеальное сочетание модулей ICP и электродиализа. Оптимальная установка включает двухступенчатый процесс ICP, когда вода проходит через шесть модулей на первом этапе, затем через три на втором этапе, после чего следует один процесс электродиализа. Это позволило минимизировать потребление энергии и обеспечить самоочистку процесса.

"Хотя действительно некоторые заряженные частицы могут быть захвачены на ионообменной мембране, если они попадают в ловушку, мы просто меняем полярность электрического поля, и заряженные частицы легко удаляются", - объясняет Юн.

Они уменьшили и сложили модули ИСП и электродиализа, чтобы повысить их энергоэффективность и позволить им поместиться в портативном устройстве. Исследователи разработали устройство для неспециалистов: всего одна кнопка запускает автоматический процесс опреснения и очистки. Как только уровень солености и количество частиц снижаются до определенных пороговых значений, устройство уведомляет пользователя о том, что вода пригодна для питья.

Исследователи также создали приложение для смартфона, которое может управлять устройством по беспроводной связи и в режиме реального времени сообщать данные о потреблении электроэнергии и солености воды.

После проведения лабораторных экспериментов с использованием воды с разным уровнем солености и мутности (помутнения), они испытали устройство в полевых условиях на бостонском пляже Карсон.

Юн и Квон установили коробку рядом с берегом и бросили в воду питательную трубку. Примерно через полчаса устройство наполнило пластиковый стаканчик чистой водой, пригодной для питья.

"Он оказался успешным даже при первом запуске, что было довольно интересно и удивительно. Но я думаю, что главная причина нашего успеха - это накопление всех этих маленьких достижений, которые мы сделали по пути", - говорит Хан.

Полученная вода превысила нормативы качества Всемирной организации здравоохранения, а количество взвешенных частиц в ней было снижено по меньшей мере в 10 раз". Их прототип генерирует питьевую воду со скоростью 0,3 литра в час и требует всего 20 ватт энергии на литр.

"Сейчас мы ведем исследования, чтобы увеличить скорость производства", - говорит Юн.

По словам Хана, одной из самых сложных задач при разработке портативной системы было создание интуитивно понятного устройства, которым мог бы пользоваться каждый.

Юн надеется сделать устройство более удобным для пользователя и повысить его энергоэффективность и скорость производства через стартап, который он планирует запустить для коммерциализации технологии.

В лаборатории Хан хочет применить уроки, полученные за последнее десятилетие, для решения проблем качества воды, которые выходят за рамки опреснения, например, быстрого обнаружения загрязняющих веществ в питьевой воде.

"Это, безусловно, интересный проект, и я горжусь прогрессом, которого мы достигли на сегодняшний день, но впереди еще много работы", - говорит он.

Например, хотя "разработка портативных систем с использованием электромембранных процессов является оригинальным и захватывающим направлением в области автономного, маломасштабного опреснения", последствия загрязнения, особенно если вода имеет высокую мутность, могут значительно увеличить требования к обслуживанию и затраты на электроэнергию, отмечает Нидал Хилал, профессор инженерии и директор исследовательского центра New York University Abu Dhabi Water, который не принимал участия в данном исследовании.

"Еще одним ограничением является использование дорогих материалов", - добавляет он. "Было бы интересно увидеть аналогичные системы с использованием недорогих материалов".

Исследование частично финансировалось Солдатским центром DEVCOM, Лабораторией водных и продовольственных систем имени Абдула Латифа Джамиля (J-WAFS), программой Experimental AI Postdoc Fellowship Program Северо-Восточного университета и Институтом искусственного интеллекта Ру.