به گزارش اطلاعات آنلاین، دانشمندان یک سیستم نمکزدایی با انرژی خورشیدی توسعه دادهاند که آب دریا را به آب شیرین تبدیل میکند و در عین حال تقریباً تمامی نمک باقی مانده را به عنوان یک جامد حذف میکند و به جای تولید آب نمک مضر، آن را به آب شیرین تبدیل میکند. این فناوری خودپاککننده همچنین میتواند مواد معدنی ارزشمندی مانند لیتیوم را بازیابی کند و به طور بالقوه زبالههای نمکزدایی را به یک منبع مفید تبدیل کند.
در سراسر جهان، میلیاردها نفر هنوز به آب آشامیدنی سالم دسترسی قابل اعتمادی ندارند. سازمان ملل متحد تخمین میزند که ۲.۲ میلیارد نفر آب آشامیدنی مدیریت شده و ایمن ندارند؛ در حالی که مناطقی از کالیفرنیا تا خاورمیانه به طور فزایندهای به کارخانههای نمکزدایی برای تبدیل آب اقیانوس به آب شیرین متکی هستند.
نمکزدایی میتواند منبع حیاتی آب را فراهم کند اما رایجترین روشهای امروزی دارای معایب قابل توجهی هستند. اسمز معکوس، آب را از طریق غشاهای تخصصی برای حذف نمک عبور میدهد؛ در حالی که تقطیر حرارتی از گرما برای جدا کردن آب شیرین از آب دریا استفاده میکند. هر دو رویکرد میتوانند مقادیر زیادی انرژی مصرف کنند، اغلب قبل و بعد از فرآیند نیاز به تصفیه آب دارند و یک پسماند نمکی بسیار غلیظ به نام آب نمک تولید میکنند.
هنگامی که این آب نمک دوباره به اقیانوس تخلیه میشود، میتواند شوری محلی را افزایش داده و سطح اکسیژن را کاهش دهد و شرایط مضری را برای موجودات دریایی ایجاد کند.
یک جایگزین خورشیدی برای نمکزدایی مرسوم
محققان دانشگاه راچستر نیویورک رویکرد متفاوتی را توسعه دادهاند که میتواند به حل همزمان چندین مورد از این مشکلات کمک کند. آنها یک سیستم نمکزدایی حرارتی خورشیدی ایجاد کردهاند که برای تولید آب شیرین به طور موثر بدون تولید آب نمک مایع یا نیاز به افزودنیهای شیمیایی برای پیشتصفیه آب ورودی طراحی شده است.
در قلب این فناوری، پنلهای خورشیدی ساخته شده از فلز سیاه قرار دارند که با لیزرهای فمتوثانیه پردازش شدهاند. فمتوثانیه یک واحد زمان فوقالعاده کوتاه است که برابر با یک کوادریلیونیم ثانیه است. پالسهای این لیزرهای فوق سریع میتوانند سطح یک ماده را به طور دقیق تغییر دهند و ساختارهای میکروسکوپی ایجاد کنند که نحوه تعامل آن با نور و آب را به طور چشمگیری تغییر میدهند.
پردازش لیزری، فلز را در جذب نور خورشید بسیار مؤثر میکند و همچنین به آن خواص فوقجذب میدهد؛ به این معنی که آب به جای اینکه به صورت دانههای ریز درآید، به سرعت در سراسر سطح پخش میشود.
نحوه عملکرد سطح خود تمیز شونده
هر پنل شامل یک ناحیه فعال تحت درمان با لیزر است که لایه بسیار نازکی از آب دریا را در سراسر سطح خود میکشد. فلز تیره تقریباً تمام تابش خورشیدی ورودی را جذب میکند، آب را گرم میکند و باعث تبخیر آن میشود.
این تبخیر، نمکها و سایر مواد معدنی محلول را باقی میگذارد. پنل به جای اینکه اجازه دهد این مواد در جایی جمع شوند که تبخیر انجام میشود، آنها را به سمت نواحی تصفیه نشده در امتداد کنارههای خود که به عنوان ناحیه غیرفعال شناخته میشوند، هدایت میکند.
این حرکت مهم است زیرا تجمع نمک یکی از بزرگترین چالشهای پیش روی سیستمهای نمکزدایی خورشیدی است. اگر مواد معدنی یک لایه سخت در سراسر سطح فعال تشکیل دهند، میتوانند حرکت آب را مسدود کرده و در نهایت سیستم را از کار بیندازند.
چرا نمکزدایی آب دریای واقعی بسیار دشوارتر است
سیستمهای نمکزدایی حرارتی خورشیدی قبلی اغلب در آزمایشهای آزمایشگاهی با استفاده از آب دریای مصنوعی ساده شده ساخته شده از آب و کلرید سدیم عملکرد خوبی داشتهاند.
وقتی کلرید سدیم با تبخیر آب متبلور میشود، تمایل به تشکیل یک ساختار نسبتاً دانهای و متخلخل دارد. آب میتواند به حرکت خود از طریق این کریستالها ادامه دهد و به حل نمک انباشته شده کمک کند و تمیز کردن سطح را آسانتر کند.
علاوه بر کلرید سدیم، حاوی منیزیم، کلسیم و بسیاری از مواد محلول دیگر است. برخی از این ترکیبات میتوانند به صورت رسوبات سخت و متراکمی که تخلخل بسیار کمتری دارند، متبلور شوند.
این شبیه به رسوب معدنی است که به تدریج درون سردوش یا قوری چای ایجاد میشود. با این حال، در یک سیستم نمکزدایی، چالش بسیار بزرگتر است زیرا آب دریا حاوی صدها برابر نمک محلول بیشتر از آب معمولی شیر است.
با تجمع این رسوبات، آب دیگر نمیتواند آزادانه در سطح جریان یابد و باعث کاهش راندمان و در نهایت گرفتگی سیستم میشود.
برای غلبه بر این مشکل، محققان با دقت شیارهای میکروسکوپی را در فلز سیاه طراحی کردند تا نمکها و مواد معدنی به جای تشکیل پوستهای سرسخت، از ناحیه فعال دور شوند.
محققان همچنین از یک پدیده فیزیکی آشنا به نام اثر حلقه قهوه استفاده کردند.
هر کسی که قهوه ریخته و خشک شدن آن را تماشا کرده باشد، احتمالاً آن را دیده است. با تبخیر آب، ذرات معلق به سمت لبه قطره حرکت میکنند و یک حلقه تیره به جا میگذارند.
اگر قهوه را روی سطحی بریزید، در نهایت آب تبخیر میشود و حلقهای در لبه بیرونی باقی میماند که ذرات قهوه غلیظ است. محققان از همین اصل برای پیشروی نمکها به ناحیه غیرفعال استفاده کردند.
به جای اینکه اجازه داده شود مواد معدنی در جایی جمع شوند که نور خورشید باعث تبخیر میشود، سیستم آنها را به سمت لبههای پنل هدایت میکند.
محققان این تکنیک را با استفاده از آب دریای واقعی جمعآوری شده از اقیانوسهای آرام، اطلس و هند آزمایش کردند. در این آزمایشها، سطح به طور مؤثر خود را تمیز کرد و در عین حال آب شیرین تولید کرد و نمکهای باقیمانده را به ناحیه غیرفعال هدایت کرد؛ جایی که بعداً میتوانستند جمعآوری شوند. نکته مهم این است که تجمع مواد معدنی، راندمان نمکزدایی پنل را کاهش نداد.
تبدیل زبالههای نمکزدایی به مواد مفید
یکی دیگر از مزایای اصلی، اتفاقی است که پس از حذف آب برای نمک میافتد. این سیستم به جای تولید آب نمک غلیظ مایع که باید تصفیه یا تخلیه شود، تقریباً ۱۰۰ درصد نمکهای محلول را به شکل جامد استخراج میکند.
این ماده میتواند به طور بالقوه به جای یک محصول زائد، به یک منبع تبدیل شود. مقداری از آن میتواند به عنوان نمک خوراکی استفاده شود، در حالی که مواد معدنی با ارزشتر نیز میتوانند بازیابی شوند.
یکی از اهداف مهم، لیتیوم است؛ مادهای کلیدی که در باتریهای لیتیوم-یونی استفاده میشود و به وسایل نقلیه الکتریکی، تلفنهای هوشمند، لپتاپها و بسیاری از دستگاههای الکترونیکی دیگر نیرو میدهند.
در یک مطالعه مرتبط که در مجله شیمی مواد A منتشر شد، محققان نشان دادند که میتوان همان پنلهای خورشیدی فوق جاذب را برای جدا کردن لیتیوم از سایر نمکهای تولید شده در طول نمکزدایی اصلاح کرد
محققان نانوذرات ساخته شده از تیتانات هیدروژن را در شیارهای میکروسکوپی فلز سیاه جاسازی کردند. این ذرات به طور انتخابی لیتیوم را از مخلوط نمکها و مواد معدنی جدا میکنند.
استخراج لیتیوم از زمین از نظر انرژی و محیط زیست بسیار پرهزینه است، بنابراین استخراج مستقیم لیتیوم از آب شور میتواند مسیر بسیار مهمی در آینده باشد.
بازیابی لیتیوم از آب شور
این تیم با استفاده از نمونههایی از دریاچه نمک بزرگ، توانست حدود ۵۰ درصد از لیتیوم موجود در نمکهای باقی مانده پس از نمکزدایی را بازیابی کند.
این نتیجه به آیندهای احتمالی اشاره دارد که در آن تأسیسات نمکزدایی میتوانند کاری بیش از تولید آب آشامیدنی انجام دهند. آنها همچنین ممکن است مواد با ارزش تجاری را بازیابی کنند که در غیر این صورت در جریانهای زباله به دام میافتند.
این فناوری هنوز در مراحل اولیه است. تاکنون، محققان رویکرد نمکزدایی فوقجذب را در آزمایشهای اثبات مفهوم با استفاده از دستگاههای نسبتاً کوچک نشان دادهاند.
طرح اولیه ذاتاً مقیاسپذیر است و در نهایت میتواند هم به گسترش دسترسی به آب شیرین و هم به ایجاد منابع پایدارتر مواد معدنی ارزشمند کمک کند.
اگر این رویکرد با موفقیت در مقیاس بزرگ اجرا شود، میتواند همزمان دو چالش عمده را برطرف کند: تولید آب شیرین بیشتر برای جمعیت رو به رشد جهان و در عین حال کاهش بار زیستمحیطی مرتبط با ضایعات نمکزدایی و استخراج مواد معدنی.
جزییات این روش در مقالهای در مجله Light: Science & Applications منتشر شده است.