4 способи створення чистої питної води

Колись Венера була схожа на Землю, але кліматичні зміни зробили її непридатною для життя

Чому Італія так сильно постраждала під час пандемії?

COVID-19: 3 важливі запитання щодо вакцин, на які відповів експерт

Зміна клімату, ймовірно, змінить багато аспектів життя на Землі, в тому числі зробить доступ до чистої води великою проблемою. Від посухи до підняття рівня моря, кліматичні зміни загрожують залишити всіх нас спраглими.

Постраждалим від посухи жителям округу Сан-Дієго, штат Каліфорнія, полегшення може незабаром бути помітним: триває будівництво нового заводу з опріснення морської води - заводу, що виводить сіль з морської води, - що вироблятиме 50 мільйонів галонів питної води щороку день. За даними MIT Technology Review, це найбільша така установка в Західній півкулі.

Завод, який будується в місті Карлсбад, є найновішим зусиллям для задоволення нагальних потреб регіону у воді. Щойно Каліфорнія вступила в четвертий рік посухи, і 40% штату зазначено як "виняткова посуха", найсуворіша класифікація американського монітора посухи.

Очікується, що посуха стане ще більш жорстким викликом у майбутньому, оскільки кліматичні зміни спричиняють підвищення температури - не тільки в Каліфорнії, а й у всьому світі. Зміна клімату може серйозно вплинути на водні ресурси деяких регіонів, і посуха - це лише один із способів, який може статися.

Підвищення рівня моря також загрожує прибережним запасам води, які часто забирають прісну воду з підземних водоносних горизонтів. Океан поповзає все далі вглиб суші, він може вторгатися в ці водоносні горизонти та забруднювати підземні води.

З огляду на ці загрози джерелам прісної води, пошук нових та кращих способів виробництва питної води стає дедалі більшим занепокоєнням. Океан є найбільшим джерелом води на планеті, але не піддається питтю через високий вміст солі. На щастя, вчені придумали кілька способів вивести сіль з води та зробити її безпечною для пиття, і вони працюють над розробкою більш.

На жаль, опріснення будь-яким способом є дорогим і, на даний момент, не практичним для кожної дефіцитної води. Наприклад, будівництво заводу в Карлсбаді коштує 1 мільярд доларів, повідомляє MIT Technology Review. Але вчені працюють над вдосконаленням існуючих методів, щоб зробити їх більш ефективними та менш затратними.

Ось деякі техніки знесолення, які вони придумали до цього часу:

Дистиляція

Дистиляційна вода - найдавніший і найпоширеніший метод, що застосовується для виведення солі. Простіше кажучи, дистиляція передбачає випаровування води, а потім конденсацію її назад у рідину. Сіль залишатиметься позаду, коли вода закипить у повітрі, а чисту воду тоді можна буде збирати в окрему ємність.

Ви можете насправді провести спрощений варіант цього процесу у власному домі, побудувавши “сонячну камеру”. Ви розтягуєте лист прозорого пластику над чашею або отвором, що містить забруднену воду.

Сонце буде просвічувати крізь пластик, зігріваючи воду внизу і змушуючи її повільно випаровуватися, залишаючи за собою сіль та інші забруднення. Випарена вода конденсуватиметься на нижній стороні пластикового листа, де потім ви зможете зібрати її в окрему ємність.

Це виглядає приблизно так:

Суспільне надбання/Wikimedia Commons

Дистиляційні установки виконують цей основний науковий процес у значно більших масштабах, але вони працюють на електроенергії, щоб пришвидшити процес.

Крім того, існують електричні побутові дистилятори, які можна придбати за ціною від 100 до тисяч доларів залежно від розміру та ефективності пристрою. Однак більшість із них можуть одночасно виробляти лише кілька галонів чистої води, і загалом процес дистиляції вимагає багато енергії.

Зворотний осмос

Це один із найпоширеніших методів, що застосовуються сьогодні на установках для опріснення, і це метод, який буде застосовуватися на заводі в Карлсбаді в окрузі Сан-Дієго.

Ця техніка використовує насоси високого тиску, щоб проштовхувати забруднену воду через спеціальну мембрану, яка відсіває шкідливі речовини і пропускає чисту воду.

Нещодавно вчені досліджували новий тип мембрани, який полегшить проштовхування води. Експериментальний метод використовує графен, і дослідникам з Массачусетського технологічного інституту вдалося створити надзвичайно тонку графенову мембрану товщиною один атом, що, за їхніми словами, зробить зворотний осмос простішим, менш енергоємним та дешевшим.

Незважаючи на те, що зворотний осмос рекламується як більш дешева альтернатива широкомасштабній дистиляції з меншим енергоспоживанням, проект будівництва в Карлсбаді вартістю 1 мільярд доларів є нагадуванням про те, що такі установки все ще можуть бути непрактичними для кожної дефіцитної води.

А щорічні операційні та управлінські витрати можуть бути важкими, а також дуже різними залежно від розміру заводу та систем, що використовуються для прийому води та розподілу її серед споживачів. Наприклад, у звіті Тихоокеанського інституту встановлено, що установка для опріснення води Kwinana в місті Перт, Австралія, працює близько 17 мільйонів доларів на рік, а для опріснення золотистого узбережжя в Тугуні, Австралія, потрібно 30 мільйонів доларів на рік.

Вперед осмос

Ілюстрація з анатомії та фізіології, веб-сайт Connexions./Wikimedia Commons

Цей метод спирається на природний процес осмосу, тобто тенденцію води до течії з районів з високою концентрацією розчиненої речовини (як сіль) до областей з меншою концентрацією.

Скажімо, у вас є два контейнери, розділені мембраною, яка пропускає воду (але вимикає інші речовини, як сіль).

Ви заливаєте одну сторону чистою водою, а іншу сторону - морською. Чиста вода почне надходити через мембрану на бік солоної води, намагаючись відновити баланс.

Передній осмос спирається на подібну систему, і для неї не потрібні насоси високого тиску, які використовує зворотний осмос. Він розділяє два контейнери мембраною - на одній стороні знаходиться забруднена вода, а на іншій - вода з дуже високою концентрацією якоїсь розчиненої речовини, як правило, солі. Вода із забрудненої сторони почне текти через мембрану, розбавляючи розчин солі з іншого боку.

Але є деякі відбою. Хоча чиста вода, що протікає через мембрану, розбавляє концентровану солону воду, це не усуває сіль. Отже, прямий осмос - це хороший спосіб позбутися широкого спектру забруднень, які можуть бути у воді, оскільки мембрана їх відсіє - але ви все одно отримуєте солону воду з іншого боку, тобто ви повинні пройти через додатковий етап опреснення в кінці для повного очищення води.

Порівняно із зворотним осмосом, це нова технологія. Компанія "Водні технології" Modern Water відкрила перший комерційний план передового осмосу в Ель-Халуфі, Оман, у 2010 році, а другий завод в Аль-Наджді у 2012 році.

Прихильники заявляють, що процес краще відсіває забруднення (крім солі), ніж зворотний осмос. Деякі також вітають цей процес, оскільки, здається, він витрачає менше енергії. Сучасна вода повідомляє, що її завод в Ель-Халуфі продемонстрував зменшення споживання енергії на 47% порівняно із зворотним осмосом. Але незрозуміло, чи ця технологія в цілому насправді є більш ефективною. Дослідження MIT показало, що прямий осмос насправді менш енергоефективний, ніж зворотний.

Електродіаліз

Електродіаліз є свого роду протилежністю осмосу. Замість того, щоб рухати воду через мембрану, електродіаліз переміщує частинки у воді через мембрану, витягуючи їх за допомогою електричного заряду. Наприклад, сіль складається з заряджених іонів, які розійдуться і переміщаться, коли до них подається електричний заряд.

Хоча це добре діє на сіль, це насправді не допомагає відсіяти інші забруднення, які можуть бути в морській воді, такі як бруд або мікроскопічні організми. Але оскільки електродіаліз, як правило, працює швидше і може знесолити більшу кількість води, ніж інші методи, дослідники працюють над способами, щоб покращити процес усунення інших забруднень.

Можуть бути розроблені нові розробки, але електродіаліз як технологія очищення води існує десятки років. Фактично є електродіалізні заводи по всьому світу, згідно з Desalination: Trends and Technologies, книзі 2011 року, під редакцією Майкла Шорра, про опріснення. Сюди входять США, Канада, Іран та частина Європи.

Погляд вперед

Знесолення може бути дорогим та енергоємним, незалежно від того, яку технологію ви дивитесь. Але в міру зростання дефіциту води у всьому світі, це може стати необхідним варіантом для більшої кількості громад.

Деякі країни вже інвестують значні кошти в технології. Тихоокеанський інститут повідомляє, що Австралія інвестувала в шість нових установок для опріснення води в період з 2006 по 2012 рік. Але Інститут попереджає, що технологія має пройти довгий шлях, перш ніж вона стане справді життєздатним рішенням для майбутнього.

Між високими витратами, великим споживанням енергії і навіть можливістю руйнування навколишнього середовища - очисні споруди з морською водою можуть випадково приймати і вбивати дрібних морських тварин - необхідні постійні дослідження, щоб зробити технологію безпечнішою та ефективнішою. З часом, можливо, це може стати одним із наших найважливіших варіантів уникнення пересохлого та спраглого майбутнього.

Ця стаття опублікована у співпраці з Business Insider UK. Публікація не означає схвалення поглядів Світовим економічним форумом.

Автор: Челсі Харві - науковий репортер Business Insider.

Зображення: Люди збирають воду в таборі. REUTERS/Каміль Лепаж.