Исследователи Массачусетского технологического института создали портативную установку для опреснения воды, которая может автоматически удалять частицы соли для получения питьевой воды.
Удобный в использовании блок весит менее 10 кг и не требует использования фильтров, и может питаться от небольшой портативной солнечной панели.
Установка включает в себя двухступенчатый процесс ионно-концентрационной поляризации (ICP), при котором вода проходит через шесть модулей на первой стадии, затем через три на второй стадии, после чего следует один процесс электродиализа.
Портативное устройство не требует сменных фильтров, что значительно снижает потребность в долгосрочном обслуживании. Устройство размером с чемодан, для работы которого требуется меньше энергии, чем зарядное устройство для сотового телефона, также может приводиться в действие небольшой портативной солнечной панелью.
В отличие от других портативных опреснителей, которые требуют прохождения воды через фильтры, это устройство использует электроэнергию для удаления частиц из питьевой воды. Отсутствие необходимости в сменных фильтрах значительно снижает потребность в долгосрочном техническом обслуживании.
«Это действительно кульминация 10-летней работы, которую проделала я и моя группа. Мы годами работали над физикой, стоящей за отдельными процессами опреснения, но сложить все эти достижения, построить систему и продемонстрировать ее - это был для меня действительно значимый и полезный опыт», - говорит автор Джон Юн Хан, профессор электротехники, информатики и биологической инженерии.
Безфильтровая технология
Коммерчески доступные портативные опреснители обычно требуют насосов высокого давления для подачи воды через фильтры, которые очень трудно миниатюризировать без ущерба для энергоэффективности устройства, объясняет Юн.
Вместо этого их подразделение использует технику, называемую ионно-концентрационной поляризацией (ICP), впервые применённую группой Хана более 10 лет назад. Вместо фильтрации воды в процессе ICP электрическое поле применяется к мембранам, расположенным над и под каналом для воды. Мембраны отталкивают положительно или отрицательно заряженные частицы, включая молекулы соли, бактерии и вирусы, когда они проходят мимо. Заряженные частицы направляются во второй поток воды, который в конечном итоге сбрасывается.
В процессе удаляются как растворенные, так и взвешенные твердые частицы, позволяя чистой воде проходить через канал. Поскольку для этого требуется только насос низкого давления, ICP потребляет меньше энергии, чем другие методы.
Но ICP не всегда удаляет все соли, плавающие в середине канала. Поэтому исследователи внедрили второй процесс, известный как электродиализ, для удаления оставшихся ионов соли.
Разработчики использовали машинное обучение, чтобы найти идеальное сочетание модулей ИКП и электродиализа. Оптимальная установка включает двухстадийный процесс ИСП, при котором вода проходит через шесть модулей на первой стадии, затем через три на второй стадии, после чего следует один процесс электродиализа. Это свело к минимуму потребление энергии, гарантируя, что процесс остается самоочищающимся.
«Несмотря на то, что некоторые заряженные частицы действительно могут быть захвачены ионообменной мембраной, если они застревают, мы просто меняем полярность электрического поля, и заряженные частицы можно легко удалить», - объясняет Юн.
Они уменьшили и уложили модули ИСП и электродиализа, чтобы повысить их энергоэффективность и позволить им поместиться внутри портативного устройства.
Исследователи разработали устройство для неспециалистов, имея всего одну кнопку для запуска процесса автоматического опреснения и очистки. Как только уровень солености и количество частиц снизятся до определенных пороговых значений, устройство уведомит пользователя о том, что вода пригодна для питья.
Исследователи также создали приложение для смартфона, которое может управлять устройством по беспроводной сети и сообщать данные в режиме реального времени о потреблении энергии и солености воды.
