https://news.mit.edu/2022/portable-desalina...king-water-0428От морской воды до питьевой воды одним нажатием кнопки
Исследователи построили портативную опреснительную установку, которая производит чистую питьевую воду без фильтров или насосов высокого давления.
Смотреть видео
Адам Зеве | Офис новостей Массачусетского технологического института
Дата публикации :
28 апреля 2022 г.
Запросы прессы
Чон Юн Хан и Чонхё Юн
Подпись :
Исследователи Массачусетского технологического института создали портативную установку для опреснения воды, которая может одновременно автоматически удалять частицы и соли для получения питьевой воды. «Это действительно кульминация 10-летнего путешествия, которое прошли я и моя группа», — говорит старший автор Чонъюн Хан (справа) на фото с сидящим Чонхё Юн.
Кредиты :
Фото: М. Скотт Брауэр
небольшое подразделение исследователей
Подпись :
Удобный в использовании блок, который весит менее 10 кг и не требует использования фильтров, может питаться от небольшой портативной солнечной панели.
Кредиты :
Фото: М. Скотт Брауэр
Часть процесса электродиализа
Подпись :
Установка включает двухстадийный процесс ионно-концентрационной поляризации (ICP), при котором вода проходит через шесть модулей на первом этапе, затем через три на втором этапе, после чего следует один процесс электродиализа.
Кредиты :
Фото: М. Скотт Брауэр
Портативное устройство
Подпись :
Портативное устройство не требует сменных фильтров, что значительно снижает потребность в долгосрочном обслуживании.
Кредиты :
Фото: М. Скотт Брауэр
Исследователи Массачусетского технологического института разработали портативную опреснительную установку весом менее 10 кг, которая может удалять частицы и соли для получения питьевой воды.
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, которую можно приобрести в Интернете примерно за 50 долларов. Он автоматически производит питьевую воду, качество которой превышает стандарты Всемирной организации здравоохранения. Технология упакована в удобное для пользователя устройство, которое запускается нажатием одной кнопки.
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 может позволить развертывание подразделения в отдаленных районах с крайне ограниченными ресурсами, таких как общины на небольших островах или на борту морских грузовых судов. Его также можно использовать для помощи беженцам, спасающимся от стихийных бедствий, или солдатам, проводящим длительные военные операции.
«Это действительно кульминация 10-летнего путешествия, которое прошли я и моя группа. Мы годами работали над физикой, стоящей за отдельными процессами опреснения, но сложить все эти достижения в коробку, построить систему и продемонстрировать ее в океане — это был для меня действительно значимый и полезный опыт», — говорит старший автор Джон Юн Хан. профессор электротехники, информатики и биологической инженерии, член Исследовательской лаборатории электроники (НИЛ).
К Хану в статье присоединились первый автор Чонхё Юн, научный сотрудник RLE; Хюкджин Дж. Квон, бывший постдоктор; Сунгку Канг, постдокторант Северо-восточного университета; и Эрик Брэк из Командования развития боевых возможностей армии США (DEVCOM). Исследование было опубликовано в Интернете в журнале Environmental Science and Technology.
Миниатюра видео
Проиграть видео
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 опирается на технику, называемую поляризацией концентрации ионов (ICP), которая была впервые применена группой Хана более 10 лет назад. Вместо фильтрации воды в процессе ICP электрическое поле воздействует на мембраны, расположенные 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.
Юн и Канг 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.
Пляжные тесты
После проведения лабораторных экспериментов с использованием воды с разным уровнем солености и мутности (облачности) они провели полевые испытания устройства на пляже Карсон в Бостоне.
Юн и Квон поставили коробку у берега и бросили кормушку в воду. Примерно через полчаса устройство наполнило пластиковый стакан чистой питьевой водой.
«Он был успешным даже в первом запуске, который был довольно захватывающим и неожиданным. Но я думаю, что главная причина нашего успеха — это накопление всех этих небольших достижений, которые мы добились на этом пути», — говорит Хан.
Полученная вода превышала стандарты качества Всемирной организации здравоохранения, а установка уменьшила количество взвешенных веществ как минимум в 10 раз. Их прототип производит питьевую воду со скоростью 0,3 литра в час и потребляет всего 20 ватт-часов на литр. .
«Сейчас мы продвигаем наши исследования, чтобы увеличить производительность», — говорит Юн.
По словам Хана, одной из самых больших проблем при разработке портативной системы было создание интуитивно понятного устройства, которым мог бы пользоваться каждый.
Юн надеется сделать устройство более удобным для пользователя и повысить его энергоэффективность и производительность с помощью стартапа, который он планирует запустить для коммерциализации технологии.
В лаборатории Хан хочет применить уроки, которые он усвоил за последнее десятилетие, к проблемам качества воды, выходящим за рамки опреснения, например, к быстрому обнаружению загрязнителей в питьевой воде.
«Это, безусловно, захватывающий проект, и я горжусь прогрессом, которого мы достигли на данный момент, но впереди еще много работы», — говорит он.
Например, в то время как «разработка портативных систем с использованием электромембранных процессов является оригинальным и захватывающим направлением автономного мелкомасштабного опреснения», последствия загрязнения, особенно если вода имеет высокую мутность, могут значительно увеличить требования к техническому обслуживанию и стоимость энергии, отмечает Нидал Хилал, профессор инженерии и директор исследовательского центра водных ресурсов Абу-Даби при Нью-Йоркском университете, который не участвовал в этом исследовании.
«Еще одно ограничение — использование дорогих материалов», — добавляет он. «Было бы интересно увидеть аналогичные системы с недорогими материалами».
Исследование частично финансировалось Солдатским центром DEVCOM, Лабораторией водных и пищевых систем Абдула Латифа Джамиля (J-WAFS), Программой стипендий для постдоков по экспериментальному искусственному интеллекту Северо-восточного университета и Институтом искусственного интеллекта Ру.