Vedenpuutteen ja mikromuovien aiheuttaman saastumisen torjumiseksi tämä innovaatio avaa oven tehokkaammalle ja edullisemmalle käsittelylle.
Sisällysluettelo
Suolanpoisto ja vedenkäsittely ovat tulleet elintärkeiksi modernille elämälle. Espanjan eri alueita uhkaava kuivuus sekä mikromuovien ja muiden hiukkasten kertyminen vaativat kiireellisiä tieteellisiä läpimurtoja. Viimeisin on espanjalaisosallistujien kanssa kehitetty uusi, edullisempi ja mukautuvampi suodatusjärjestelmä.
Kesän liiallinen kuumuus ei ole ainoa ilmastonmuutoksen seuraus, vaan myös kuivuus on yksi sen vakavista riskeistä. Tämän kevään sateet olivat suuri helpotus, mutta asiantuntijat varoittavat, että Espanjassa kuivuuden vakavuus on lisääntynyt eikä varuillaan pidä olla.
Google panostaa ydinvoimaan: se julkistaa ensimmäisen modulaarisen reaktorin, joka tulee toimittamaan energiaa sen tekoälykeskuksille Yhdysvalloissa.
Yksi mahdollisista ratkaisuista on siirrettävien suolanpoistolaitteiden käyttö vesipulan ratkaisemiseksi, mutta ne ovat vain väliaikainen ratkaisu, joka ei ratkaise perimmäistä ongelmaa: nykyisten suolanpoistojärjestelmien korkea energiankulutus sekä niiden vaikeus käsitellä pienimpiä hiukkasia. Nämä ovat kaksi suurinta haastetta, joihin tutkijat ovat halunneet vastata uudella järjestelmällä.
”Joskus meillä on juomakelpoista ja korkealaatuista vettä, mutta se ei näytä hyvältä, koska se on sameaa. Se johtuu vedessä olevasta savesta, joka voidaan erottaa”, selittää Javier Pérez-Carvajal, tutkija Madridin materiaalitieteiden instituutissa (ICMM-CSIC) ja yksi tämän kansainvälisen ja monialaisen tutkimuksen tekijöistä, joka koostuu ”teoreettisista ja kokeellisista fyysikoista sekä minusta, joka olen materiaalitieteen kemisti”.
Tuloksena on järjestelmä, joka tarjoaa tavan suolaveden suolanpoistoon pienemmillä energiakustannuksilla ja avaa myös ovia muille sovelluksille, kuten mikromuovien havaitsemiselle ja muille edistysaskeleille fysiikan alalla, joka on vielä tieteelliselle yhteisölle haasteellinen.
Miten se toimii?
Tämän työn uutuus on kyky suodattaa suolavettä ilman pumppuja tai korkeapainejärjestelmiä, jotka kuluttavat suuria määriä sähköä perinteisissä veden suolanpoistojärjestelmissä. Viro-tekniikka (jännitteellä indusoitu käänteisosmoosi) tarjoaa yksinkertaisen ja edullisen ratkaisun erittäin pienillä, miljoonasosien millimetrin kokoisilla huokosilla varustetun kalvon avulla, prosessia kutsutaan nanofiltraatioksi.
Tällä hetkellä yleisimmät menetelmät suolaisen veden muuttamiseksi juomakelpoiseksi ovat käänteisosmoosi ja lämpötislauksella tapahtuva tislaus. Käänteisosmoosissa veden kulkeminen kalvon läpi vaatii suurta painetta, mikä tarkoittaa suurta sähkönkulutusta ja kalliita laitteita. ”Se on kuin ruisku: jos kallistat sitä, mutta et paina, neste ei tule ulos”, Pérez-Carvajal selittää. Lämpötislauksessa puolestaan tarvitaan suuria määriä energiaa veden lämmittämiseen haihtumispisteeseen, jolloin suola poistuu.
Sen sijaan tässä uudessa järjestelmässä tärkein uutuus on prosessi, jota kutsutaan osmoottiseksi diodiksi ja joka mahdollistaa veden virtaamisen kalvon läpi edullisemmin vaihtovirran avulla, jota käytetään myös kotitalouksissa. Vaihtovirrassa elektronien virtaus muuttaa suuntaa säännöllisesti, toisin kuin tasavirrassa, jossa virtaus kulkee vain yhteen suuntaan.
Tämän idean saavuttamiseksi projekti alkoi teoreettisten fyysikoiden työllä. He löysivät kaavojen ja peruskonseptien avulla, että kun järjestelmässä on kaksi erilaista varausta, syntyy sähködiodin kaltainen ilmiö. Sen jälkeen tiimi keskittyi tämän teoreettisen konseptin toteuttamiseen käytännössä.
Kun suolaveteen, kuten meriveteen, kohdistetaan vakiojännite, vähemmän varautuneet tai varaamattomat molekyylit, eli vesi, pakotetaan kulkemaan ionien ohi, jotka toimivat moottorina, polttoaineena, joka työntää vettä eteenpäin membraanin pienien huokosten läpi.
Prosessin aikana tulee hetki, jolloin ionikerrokset tukkeutuvat (indusoitu polarisaatiolukitus). Tämän ongelman välttämiseksi käytetään vaihtovirtaa ja taajuuksia säätelemällä kerrokset sekoitetaan, jotta prosessi etenee pseudokontinuaalisesti. ”Annetaan niiden edetä, stabiloidaan, annetaan edetä, stabiloidaan”, CSIC:n kemisti selittää.
Tutkimuksen mukaan ”soveltuvilla materiaaleilla voidaan saavuttaa jopa 15 baarin ekvivalentti muuntokerroin volttia kohti”, toisin kuin perinteisissä järjestelmissä, joissa tarvitaan jopa 60 baarin mekaanisia paineita. Tämä energiankulutus voidaan kompensoida myös aurinkopaneeleilla tai pienimuotoisilla akuilla, jotta teknologiaa voidaan viedä syrjäisille alueille.
Mikromuovien erottelu
Tutkimus vahvistaa, että tämä suodatusmenetelmä on mielenkiintoinen strategia paitsi suolojen erottamiseen myös veden puhdistamiseen. Sen lisäksi, että järjestelmä on energiatehokkaampi, se voi suorittaa prosessin, joka tunnetaan nimellä selektiivinen nanofiltraatio.
Näin membraani voisi säilyttää terveydelle hyödyllisiä mineraaleja, kuten kalsiumia ja magnesiumia, ja samalla poistaa ei-toivotut aineet. ”Tämä on järjestelmä, jota voidaan kehittää edelleen kaikenlaisten muovien, mikromuovien, nanoplastien tai muiden vedessä olevien hiukkasten osalta”, Pérez-Carvajal sanoo.
Kyse ei ole kuitenkaan vain tämän teknologian soveltamisesta päivittäisen veden puhdistukseen. Pérez-Carvajal puolustaa, että tämä projekti on tärkeä myös sen nanotason fysiikan edistysaskeleiden vuoksi: ”Olemme alkaneet ymmärtää nanometrin mittakaavan fysiikkaa, joka ei ole sama kuin mikro- tai makrometrin fysiikka, ja voimme tutkia uusia suuntia”.
Itse asiassa tämän järjestelmän kehitys on paljastanut lisää sovelluksia, joiden tulokset ovat lupaavia, mikä on kannustanut tutkijoita perustamaan startup-yrityksen, jonka avulla tätä innovaatiota voidaan viedä vielä pidemmälle. ”Yksi ongelmista, joihin törmäsimme, oli hapen tuottaminen hajottamalla vesimolekyyli suoraan sähköllä, jolloin syntyy vetyä. Siksi harkitsimme mahdollisuutta laajentaa projektia vedyn varastointiin”, espanjalainen kemisti selittää.
Startup-yritys Ilion Water Technology on jo jättänyt patenttihakemuksen innovaatiostaan ja voittanut innovaatiokilpailuja Ranskassa, vaikka teknologia on vielä varhaisessa kehitysvaiheessa. Ranskalaisjohtoisen työryhmän, johon kuuluvat Lydéric Bocquet ja Alessandro Siria, saavuttamat tulokset on julkaistu Nature Materials -lehdessä.
