Новый метод визуализации мембран для опреснения воды

Исследователи из Университета Колорадо в Боулдере представили революционный метод стимулированного комбинационного рассеяния (SRS), который способен значительно повысить эффективность крупномасштабных опреснительных установок. Эта лазерная технология позволяет в режиме реального времени наблюдать за процессом засорения мембран, когда нежелательные вещества, такие как соли, минералы и микроорганизмы, накапливаются на фильтрующих поверхностях.

Проблема нехватки пресной воды актуальна для 55% населения Земли, и к концу века этот показатель может достигнуть 66%. Опреснение морской воды — ключевой процесс для обеспечения жизнедеятельности сообществ по всему миру. Современные установки обратного осмоса (RO), составляющие около 80% мировых мощностей по опреснению, требуют постоянного поддержания высокой эффективности.

«Мембраны обратного осмоса играют критическую роль в опреснении, — объясняет Джульет Гопинат, профессор электротехники, вычислительной техники, энергетики и физики. — Наша работа направлена на мониторинг и раннее предупреждение о засорении мембран».

Системы RO используют тонкие полимерные мембраны для фильтрации. Накопление отложений снижает эффективность фильтрации, увеличивая энергопотребление и эксплуатационные расходы опреснительных заводов. Раннее обнаружение засорения остается одной из главных проблем.

«Мы можем многое узнать о материалах и молекулах, направляя на них свет, — говорит постдок Жасмин Андерсен. — В зависимости от типа используемого света, мы получаем разный отраженный свет, который указывает на состав материала».

Этот принцип лежит в основе комбинационного рассеяния, где длина волны рассеянного света изменяется, раскрывая молекулярную структуру и состав материала. Команда использовала SRS для наблюдения за ростом кристаллов на мембранах RO, отслеживая колебания молекул и определяя химический состав.

Для проверки системы исследователи наблюдали за кристаллами сульфата и бикарбоната кальция — ионов, часто встречающихся в морской воде. SRS обеспечил как высокоскоростную визуализацию, так и химическую идентификацию. «Наблюдать за образованием кристаллов в реальном времени, получать объемные данные и одновременно идентифицировать химический состав — это очень увлекательно, — делится Андерсен. — Раньше мы могли получить либо объемные данные, либо химическую идентификацию, но никогда одновременно».

Андерсен отмечает, что такой уровень детализации недоступен существующим промышленным инструментам.

Поддержка устойчивых водных систем

Понимание того, что и когда образуется на мембране, поможет операторам максимизировать фильтрацию, подчеркивает почетный профессор Алан Гринберг, эксперт по характеристикам мембран. «Хорошо известно, что опреснительные установки RO могут быть более производительными и работать с меньшими затратами, если уменьшить засорение и повысить эффективность очистки», — отмечает он.

Помимо сульфата кальция, команда ожидает, что SRS поможет изучить более сложные смеси органических, неорганических и биологических материалов, способствующих засорению как в системах опреснения морской, так и солоноватой воды.

«По мере того как наши запасы пресной воды сокращаются, мы будем все больше полагаться на опреснение, — говорит Андерсен. — Если мы сможем сделать этот процесс более эффективным и устойчивым, мы поможем обеспечить людей надежным доступом к чистой воде».