Кипящая вода может оставить темные минеральные отложения на внутренней поверхности вашего когда-то блестящего алюминиевого чайника — нет ничего, что можно было бы удалить небольшим количеством уксуса и пищевой соды.
Но в других случаях эти неприглядные минеральные пятна не просто неприятны — они серьезно мешают нам сделать миллиарды галлонов воды доступными для миллиардов людей.
Опреснение воды , технология извлечения чистой воды из соленых, грязных источников, таких как морская вода, внутренняя солоноватая вода или сточные воды, становится все более популярной во всем мире, и по всему миру работает более 18 000 установок. В нем используется физический принцип, называемый обратным осмосом , при котором грязная вода под очень высоким давлением проталкивается через мембрану с порами, которые слишком малы, чтобы их можно было увидеть, — во много раз меньше ширины волоса. Чистая вода отделяется от соленого побочного продукта, и процесс начинается заново.
Те же самые минеральные отложения, которые образуются на вашем чайнике, также в больших количествах образуются на этих специализированных мембранах, забивая поры мембран и значительно снижая эффективность всего процесса. Мембраны необходимо часто заменять или очищать, что увеличивает затраты и снижает способность технологий опреснения играть ведущую роль в борьбе с нехваткой воды во всем мире.
Минеральные отложения на поверхностях мембран при опреснении — это высокотехнологичная проблема, над решением которой Тиженг Тонг, доцент факультета гражданского и экологического строительства Университета штата Колорадо, пытался решить последние несколько лет.
Он и его ученики, трудясь в лаборатории внутри здания биоинженерии Скотта, проводят эксперименты и раскрывают фундаментальные идеи о том, почему такое образование накипи происходит во время опреснения, и какие механизмы управляют образованием накипи в различных типах минералов. И поскольку инженеры сосредоточены на решениях, они также заняты разработкой новых способов решения проблемы, будь то изобретение новых мембран или тестирование новых добавок, которые сделают мембраны более устойчивыми к образованию накипи без ущерба для качества воды.
Повышение устойчивости к воде
«Мы хотим, чтобы наша водная инфраструктура была устойчива к изменению климата», — сказал Тонг, который присоединился к факультету CSU в 2017 году после того, как защитил докторскую диссертацию в Йельском университете под руководством Менахема Элимелеха, выдающегося ученого в области инженерии окружающей среды . «Если у нас закончатся поверхностные воды, нам понадобится резервная копия, чтобы обеспечить общество водой в достаточном количестве… если мы хотим добиться этого, мы столкнемся с множеством проблем, в том числе с проблемой образования накипи. Это своего рода наша ниша, где мы находимся. работая над этими чрезвычайно солеными процессами очистки рассола. Это, вероятно, одна из самых сложных частей извлечения воды из нетрадиционных источников».
Тонг передает опыт своей лаборатории в области опреснения и мембранной науки Национальному альянсу водных инноваций (NAWI), инициативе Министерства энергетики стоимостью 110 миллионов долларов, объединяющей сотни ученых для решения различных проблем, связанных с современными технологиями опреснения. Их цель — сделать технологии опреснения сопоставимыми или даже более дешевыми, чем извлечение пресной воды из пострадавших от засухи традиционных источников, таких как озера, реки и водоносные горизонты.
Благодаря партнерству с NAWI, в котором исследователи из CSU сыграли ведущую роль, лаборатория Тонга недавно получила финансирование вместе с исследователями из Университета Вандербильта для поддержки разработки основанного на электродиализе метода обработки растворов для опреснения с высоким содержанием солей.
Проблемы, связанные с тем, чтобы сделать опреснение жизнеспособным выбором для муниципалитетов и стран, являются многоуровневыми: экономическими, с точки зрения строительства и обслуживания крупномасштабных опреснительных установок обратного осмоса, и экологическими, поскольку рассолы с высоким содержанием солей, оставшиеся после процессов очистки воды, вносят значительный вклад. и вредное загрязнение водных экосистем.
Тонг считает, что решение очень специфической проблемы образования накипи может иметь положительный эффект, который снизит общую стоимость опреснения, позволит ввести в эксплуатацию больше заводов и даст новую энергию для решения сопутствующих проблем, таких как воздействие на окружающую среду опасных побочных продуктов рассола.
Проблема минеральных отложений является инженерной, но она также связана с чистой химией, с необходимостью точного понимания того, какие неорганические молекулы образуются на поверхности и почему. Таким образом, объект обращается к многогранной лаборатории Тонга.
«С масштабированием мембран необходимо разобраться во многих фундаментальных вопросах, — сказал Тонг. «Есть химические реакции, кинетика и термодинамика. В университетских условиях мы пытаемся раздвинуть границы науки, что является частью волнения, связанного с работой в этом контексте. Нам нужно решить много вопросов, прежде чем мы сможем найти ответы. к реальным проблемам, с которыми сталкиваются технологии опреснения».
Три стратегии
Тонг руководит лабораторией, которая фокусируется на трех стратегиях улучшения мембранного опреснения воды . Во-первых, инженеры пытаются модифицировать поверхности промышленных мембран, чтобы активировать различные химические процессы и сделать их более устойчивыми к минеральным отложениям.
Во-вторых, они рассматривают возможность использования специальных химических агентов, называемых антискалантами, которые можно добавлять в необработанную воду в небольших количествах и препятствовать образованию накипи.
Третье — технологические инновации, или идея переосмысления или улучшения целых промышленных систем, ответственных за ультрасовременное мембранное опреснение.
В последнее время лаборатория Tong уделяет повышенное внимание тяге 2 или идее усовершенствования антискалантов для защиты мембран, производящих чистую воду. В одном из последних исследований, опубликованном в журнале « Environmental Science and Technology », описано различное поведение двух основных скалянтов, гипса и кремнезема, на молекулярном уровне. Гипс образуется в процессе кристаллизации, тогда как кремнезем образуется в результате полимеризации. Для этих различных механизмов потребуются два типа антискалантов с разными химическими функциональными группами, как отрицательно, так и положительно заряженными.
Кандидат наук четвертого курса. Студент Yiming Yin, который руководил исследованиями против накипи, сказал, что выяснение различий между тем, как эти минералы образуются на поверхности мембран, указывает на сложность получения решения для обработки различной соленой или солоноватой воды.
«На данный момент мы достигли фундаментального понимания того, как ведут себя гипс и кремнезем», — сказал Инь. «Теперь мы хотим пойти дальше и сказать, какие стратегии мы можем использовать для их смягчения?»
Студенты Тонга также извлекли выгоду из своих новых знаний, в частности, о химическом поведении гипса. Используя гипс в качестве репрезентативного отложения, они экспериментировали с комбинацией методов обратного осмоса и мембранной дистилляции, еще одного типа технологии опреснения, в которой применяется тепло для получения чистой воды даже при наличии высоких концентраций гипса.
Хотя обратный осмос является стандартной отраслевой практикой и является наиболее хорошо зарекомендовавшей себя технологией опреснения, он имеет жесткие ограничения с точки зрения солености воды, которую он может очищать. Другими словами, немного грязная и соленая вода не представляет проблемы, но как только эти соленые, солоноватые концентраты достигают 70 000 миллиграммов соли на литр, проталкивать эту воду через мембраны становится слишком сложно, и система выходит из строя. . Вот когда мембранадистилляция может завершить работу, и поэтому команда Тонга считает, что очистная линия, сочетающая обе технологии, может стать ключом к вводу в эксплуатацию большего количества заводов и снижению затрат. Применяя средства против образования накипи, команда Тонга недавно добилась исключительного извлечения воды из гипссодержащих соленых вод, результаты которых были опубликованы в Journal of Membrane Science .
Ронни Минхарез, студент третьего курса, работающий в лаборатории и соавтор двух публикаций по проблеме удаления накипи, сказал, что он воодушевлен возможностью работать над технологиями, имеющими столь важное значение для будущего планеты.
«Опреснение будет иметь большое значение в будущем, поскольку источники воды становятся все более и более напряженными», — сказал Минхарес. «Таким образом, эти технологии станут еще более важными».
Теги: вода
