УФ-свет: новый подход к опреснению воды

Исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде представили перспективный метод опреснения морской воды с использованием ультрафиолетового (УФ) излучения, который потенциально может снизить энергозатраты традиционных технологий.

Команда под руководством Луата Вуонга, доцента кафедры машиностроения, впервые продемонстрировала, как высокочастотные компоненты солнечного света, а именно невидимое УФ-излучение, способны эффективно разрушать связи между солями и водой.

«Насколько нам известно, никто ранее не рассматривал этот глубокий УФ-канал для разделения соли и воды», — отметил Вуонг. «УФ-свет в диапазоне длин волн 300–400 нанометров используется для дезинфекции, но глубокий УФ-канал, около 200 нанометров, малоизвестен. Возможно, мы первые, кто задумался о том, как использовать его для опреснения».

Хотя до практического применения предстоит проделать еще много работы, это открытие открывает четкие перспективы для дальнейших исследований и инноваций.

В статье, опубликованной в ACS Applied Materials & Interfaces, Вуонг и ее коллеги подробно описывают, как они создали фитиль из нитрида алюминия — твердой белой керамики — для отделения соли от воды. Этот процесс основан на использовании специфических длин волн света, которые взаимодействуют с соленой водой, не нагревая большую часть жидкости.

В отличие от традиционных методов опреснения, основанных на солнечном тепле, которые используют темные материалы для поглощения тепла и кипячения воды, подход Вуонг потенциально может полностью обойтись без тепловых процессов.

В ходе экспериментов образцы керамического фитиля помещались в закрытую камеру. Под воздействием УФ-излучения скорость испарения соленой воды значительно увеличивалась по сравнению с контрольными образцами, находившимися в темноте или подвергавшимися воздействию красного, желтого или инфракрасного света.

«Нитрид алюминия хорошо подходит для излучения УФ-света благодаря своей кристаллической структуре», — пояснила Вуонг. Материал может активировать процесс, называемый «преобразованием фотонов вверх» (photon upconversion), при котором низкоэнергетические фотоны объединяются в один высокоэнергетический фотон. Этот объединенный фотон обладает большей энергией и потенциально способен разрывать связи между солью и водой.

Если этот процесс преобразования происходит без выделения избыточного тепла, что еще предстоит определить, данный метод может предложить нефототермальную альтернативу традиционным системам опреснения, где вода нагревается до образования пара. Такие системы также могли бы снизить высокие энергозатраты установок обратного осмоса, использующих мощные насосы и мембраны. Кроме того, новый метод может решить проблему концентрированных солевых отходов обратного осмоса, токсичных для морской жизни.

Другие потенциальные области применения фитильной технологии включают переработку отходов, добычу полезных ископаемых в экстремальных условиях или замену систем охлаждения на основе испарения соленой воды.

Вуонг подчеркнула, что для разработки широко используемых систем опреснения на основе нитрида алюминия необходимы дальнейшие исследования. «Возможно, будут разработаны и другие, столь же эффективные материалы, но нитрид алюминия практичен: он недорог, широко доступен, нетоксичен, обладает высокой гидрофильностью и долговечностью», — добавила она.

В настоящее время группа Вуонг занимается разработкой архитектур систем, процессов изготовления и спектроскопических инструментов для лучшего понимания и усиления испарения, движимого светом.