Naukowcy zamieniają wodę morską w pitną i odzyskują z niej cenne minerały

Naukowcy z University of Rochester opracowali metodę, która może zmienić sposób myślenia o odsalaniu wody morskiej. Ich system wykorzystuje światło słoneczne, specjalnie przygotowany czarny metal i sprytne zjawisko znane każdemu, kto zostawił kroplę kawy na stole. Efekt? Woda morska może zostać zamieniona w wodę pitną, a pozostałe sole nie trafiają z powrotem do oceanu jako problematyczna solanka, lecz są zbierane w stałej formie.

Dostęp do bezpiecznej wody pitnej pozostaje jednym z największych wyzwań współczesnego świata. Według danych WHO i UNICEF 2,1 miliarda ludzi nadal nie ma dostępu do bezpiecznie zarządzanej wody pitnej. W wielu regionach coraz częściej spogląda się więc w stronę oceanów, które pokrywają większość powierzchni Ziemi, ale ich woda jest zbyt słona, by można było ją pić bez wcześniejszego oczyszczenia.

Odsalanie nie jest nowym pomysłem. Działa już w wielu krajach, szczególnie tam, gdzie naturalne zasoby słodkiej wody są ograniczone. Problem w tym, że tradycyjne technologie, takie jak odwrócona osmoza czy destylacja termiczna, mogą być energochłonne, wymagają dodatkowego uzdatniania, a po całym procesie zostaje skoncentrowana solanka. Jeśli jest odprowadzana do morza w niewłaściwy sposób, może zwiększać lokalne zasolenie i szkodzić morskim organizmom.

Czarny metal, który pije wodę i zbiera sól

Zespół kierowany przez prof. Chunleia Guo z Institute of Optics na University of Rochester zaproponował inne rozwiązanie. Badacze wykorzystali specjalnie przygotowane panele z czarnego metalu. Ich powierzchnię wytrawiono za pomocą laserów femtosekundowych, dzięki czemu stała się jednocześnie bardzo dobrze pochłaniająca światło i silnie przyciągająca wodę.

W praktyce oznacza to, że panel potrafi wciągać po swojej powierzchni cienką warstwę wody morskiej, pochłaniać energię słoneczną i doprowadzać do jej odparowania. Para wodna może zostać następnie skroplona jako słodka woda. Najciekawsze dzieje się jednak z solami i minerałami, które zostają po odparowaniu.

W wielu podobnych systemach sól osadza się na powierzchni i z czasem ją zatyka. To trochę jak kamień w czajniku albo osad w słuchawce prysznicowej, tylko w znacznie większej skali. Zespół z Rochester zaprojektował strukturę metalu tak, by krystalizujące sole przesuwały się z aktywnej części panelu do bocznych, pasywnych obszarów. Dzięki temu powierzchnia robocza pozostaje czystsza i może pracować dłużej.

Pomógł efekt pierścienia po kawie

Jednym z najbardziej obrazowych elementów tej metody jest wykorzystanie tzw. efektu pierścienia po kawie. Każdy zna go z życia: kiedy kropla kawy wysycha na blacie, ciemny osad często zostaje przy jej krawędzi, tworząc charakterystyczny okrąg. Naukowcy wykorzystali podobną zasadę, aby kierować sole tam, gdzie można je później zebrać.

Prof. Chunlei Guo wyjaśnił to w bardzo prosty sposób: – Jeśli upuścisz kawę na powierzchnię, woda w końcu odparuje, a przy zewnętrznej krawędzi zostanie pierścień ze skoncentrowanych cząstek kawy. My wykorzystujemy tę samą zasadę, aby przesuwać sole do obszaru pasywnego – powiedział.

To dobry przykład nauki, która nie zawsze zaczyna się od abstrakcyjnych równań. Czasem przełomowy pomysł wyrasta z uważnej obserwacji zwykłego zjawiska. W tym przypadku codzienny ślad po kawie podpowiedział sposób na jeden z praktycznych problemów odsalania: jak nie dopuścić do tego, by sól zatykała urządzenie.

Testy na wodzie z trzech oceanów

Badacze nie poprzestali na laboratoryjnej, uproszczonej mieszance wody i chlorku sodu. To ważne, bo prawdziwa woda morska jest znacznie bardziej złożona. Zawiera wiele różnych soli i minerałów, w tym związki wapnia i magnezu, które potrafią tworzyć twarde, zwarte osady.

Nową metodę sprawdzono na próbkach wody z Oceanu Spokojnego, Atlantyckiego i Indyjskiego. Według publikacji w czasopiśmie „Light: Science & Applications” system pracował przez tydzień w warunkach jednego słońca, a powierzchnia zachowywała efekt samooczyszczania. Oznacza to, że urządzenie nie tylko odparowywało wodę, ale też kierowało pozostałe sole do miejsc, w których mogły zostać zebrane.

W badaniu opisano średnie tempo odparowania 1,76 kg wody na metr kwadratowy na godzinę oraz odzysk niemal wszystkich soli w postaci stałej. To nadal etap badań i demonstracji technologii, a nie gotowa infrastruktura dla miast. Jednak sama idea jest wyjątkowo obiecująca: słodka woda i użyteczne minerały zamiast kolejnego strumienia odpadu.

Z odpadu może powstać zasób

Największa zmiana w myśleniu dotyczy właśnie pozostałości po odsalaniu. W klasycznym modelu solanka jest problemem, którym trzeba zarządzać. W nowym podejściu sole i minerały mogą stać się zasobem. Zespół z Rochester wskazuje, że oprócz zwykłej soli kuchennej z takiego procesu można odzyskiwać także cenniejsze pierwiastki, w tym lit.

Lit jest ważny dla baterii litowo-jonowych, wykorzystywanych między innymi w elektronice i samochodach elektrycznych. Jego tradycyjne pozyskiwanie bywa kosztowne środowiskowo i energetycznie. Dlatego naukowcy szukają metod, które pozwoliłyby odzyskiwać lit z solanek, słonych jezior albo wody morskiej w sposób bardziej zrównoważony.

W powiązanej pracy opublikowanej w „Journal of Materials Chemistry A” badacze opisali, że za pomocą podobnych paneli udało się odzyskać około 50 procent litu z soli pozostałych po procesie odsalania próbek z Wielkiego Jeziora Słonego. Prof. Guo podkreślił znaczenie takiego kierunku: – Wydobywanie litu z ziemi okazało się bardzo obciążające pod względem energetycznym i środowiskowym, więc pozyskiwanie litu bezpośrednio ze słonej wody mogłoby być w przyszłości bardzo ważną drogą – powiedział.

Nadzieja, ale jeszcze nie gotowa rewolucja

W tej historii warto zachować właściwe proporcje. Nowa technologia nie oznacza, że problem braku wody na świecie został rozwiązany. Droga od małoskalowego urządzenia badawczego do wielkich instalacji działających niezawodnie przez lata jest długa. Trzeba będzie sprawdzić koszty, trwałość paneli, wydajność w różnych warunkach klimatycznych, sposób zbierania i przetwarzania soli oraz możliwość skalowania całego systemu.

Mimo to jest to bardzo dobra wiadomość. Pokazuje, że odsalanie może iść w stronę rozwiązań bardziej przyjaznych środowisku: zasilanych słońcem, bez chemicznych dodatków do wstępnego uzdatniania i bez wyrzucania skoncentrowanej solanki z powrotem do oceanu. Co więcej, odpady mogą zostać potraktowane jako źródło materiałów potrzebnych nowoczesnej gospodarce.

To właśnie taki rodzaj innowacji jest dziś szczególnie potrzebny. Świat nie potrzebuje jednego cudownego rozwiązania, które naprawi wszystko naraz. Potrzebuje wielu mądrych technologii, które krok po kroku zmniejszą presję na zasoby, pomogą regionom dotkniętym suszą i ograniczą szkody uboczne tam, gdzie już korzystamy z odsalania.

Badacze z Rochester pokazali, że nawet słona woda może nie być wyłącznie problemem. Może stać się początkiem obiegu, w którym otrzymujemy świeżą wodę, odzyskujemy minerały i zostawiamy mniej odpadów. Jeśli dalsze prace potwierdzą potencjał tej metody, zwykły promień słońca padający na czarny metal może kiedyś pomóc tam, gdzie czysta woda jest najcenniejszym dobrem.

Źródło: rochester.edu