Новости

Jun 29, 2023

Наше понимание обратного осмоса оказалось ошибочным

Роберт Андерсон/Unsplash Подписываясь, вы соглашаетесь с нашими Условиями использования и политикой. Вы можете отказаться от подписки в любое время. Вода – ценный ресурс, необходимый всем живым существам для поддержания жизнедеятельности.

Роберт Андерсон/Unsplash

Подписываясь, вы соглашаетесь с нашими Условиями использования и политикой. Вы можете отказаться от подписки в любое время.

Вода – ценный ресурс, который необходим всем живым существам для выживания. Однако, по данным Всемирной организации здравоохранения, по состоянию на 2019 год почти 2,2 миллиарда человек (или каждый третий) не имели доступа к безопасно организованным услугам питьевой воды.

Доступ к чистой питьевой воде является важнейшей глобальной проблемой, решение которой в некоторых регионах зависит от опреснения морской воды. Чаще всего это делается с помощью процесса, известного как обратный осмос (RO).

Явление осмоса наблюдалось еще в 1748 году, но технология обратного осмоса стала коммерчески жизнеспособной лишь почти два столетия спустя. Опреснение морской воды методом обратного осмоса (SWRO) было практически продемонстрировано в конце 1950-х годов Шринивасой Сурираджаном, Сидни Лебом и группой исследователей из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA).

Почти каждая система обратного осмоса в мире использует мембраны для производства питьевой воды из морской воды. Теперь, спустя более 270 лет с момента первоначального наблюдения, ученые считают, что основы нашего понимания переноса воды при обратном осмосе неверны.

ТерриДжей

Ученые из Йельского университета обнаружили, что механизм диффузии раствора, который считается основополагающим принципом транспорта воды в RO, неверен, обнаружив вместо этого, что транспорт воды в RO регулируется потоком пор и изменениями давления внутри мембраны.

Компания Interest Engineering (IE) поговорила с ведущим исследователем исследования, профессором Менахемом Элимелехом, профессором химической и экологической инженерии Йельского университета, чтобы получить больше информации об их работе.

«Я всегда думал, что механизм диффузии раствора для водного транспорта не является интуитивным и, честно говоря, довольно странным со многими своими предположениями», — сказал Элимелех, говоря о своей мотивации исследования такого хорошо известного явления.

В этом исследовании Элимелех сотрудничал с профессором Ин Ли из Университета Висконсина в Мэдисоне и профессором Лианфой Сонг из Техасского технологического университета. В команду также входили постдокторанты Ли Ван, Мохаммад Хейранян, Ханьцин Фан из Йельского университета и Цзиньлун Хэ из Университета Висконсина, Мэдисон.

Пол Дуда Фотография / Менахем Элимелех

Прежде чем мы углубимся в реальные исследования, возможно, нам будет полезно сначала понять современное объяснение RO, механизма диффузии раствора.

RO использует проницаемую мембрану для отделения примесей и загрязнений от воды.

Согласно теории диффузии раствора, транспорт воды обусловлен процессами растворения и диффузии, которые, в свою очередь, определяются градиентами концентрации воды и характеристиками материала мембраны. Молекулы воды диффундируют через мембрану в зависимости от градиента концентрации, перемещаясь из областей с высокой концентрацией в области с более низкой концентрацией.

Морская вода – это раствор солей, растворенных в воде. В этой модели молекулы воды диффундируют через мембрану под действием градиента концентрации, оставляя после себя более крупные ионы соли, в результате чего получается чистая вода.

«Я преподавал основы механизма диффузии раствора в своем классе, следуя материалам учебника», — объясняет Элимелех, — «но меня не устраивали основные предположения модели, особенно то, что гидростатическое давление постоянно на мембране, а затем падает до ноль на выходах мембраны. Я думал, что это предположение нефизично».

тцз

«Кроме того, из-за этого предположения модель предсказывает градиент концентрации воды через мембрану, что не имеет смысла. Я всегда задавался вопросом, как концентрация воды, которая несжимаема, может меняться в зависимости от давления.

В конце концов я решил разгадать механизм водного транспорта. Примерно в то же время профессор Сонг из Техасского технологического университета опубликовал статью о потоке воды посредством осмоса, утверждая, что им нельзя управлять с помощью механизма диффузии раствора. Это побудило меня к дальнейшему изучению природы переноса воды при обратном осмосе на молекулярном уровне.