Китайские инженеры создали опреснительную установку с покрытием из оксинитрида титана, который эффективно поглощает солнечную энергию и преобразует ее в тепловую для испарения морской воды. В работе, опубликованной в журнале AIP Advances, исследователи с помощью нового устройства превратили соленую воду в пригодную для питья. Опреснительная система, предложенная учеными, интегрированная в промышленный солнечный аппарат, сможет плавать в море и предоставлять питьевую воду.

Несмотря на обилие воды на Земле, пресная вода составляет лишь 2,53 процента от общего объема водных запасов. Увеличение численности людей и загрязнение планеты ведет к острой нехватке пресной воды. Сейчас разрабатываются новые технологии для превращения морской воды в питьевую. О различных способах очистки воды мы рассказывали в материале «Фильтруй с умом».

Ученые из Даляньского морского университета во главе с Чао Чангом (Chao Chang) разработали устройство, которое преобразует солнечную энергию в тепло для испарения морской воды, превращая ее в пресную. Основной блок устройства состоит из трех слоев. Первый слой — это вспененный полиэтилен, который позволяет опреснителю плавать, а также действует как теплоизолятор. Слой обернут пористой бумагой, подобно той, которая используется в подгузниках. Капиллярный эффект бумаги доставляет морскую воду к поверхности устройства, где она испаряется, очищаясь от солей, а затем конденсируется. Вода испаряется благодаря слою из оксинитрида титана (TiNO), который обычно применяется в солнечных системах горячего водоснабжения и фотоэлектрических установках.

Инженеры нанесли слой TiNO на пористую бумагу, используя технологию магнетронного распыления. С помощью спектрофотометра в диапазоне длин волн от 200 до 2500 нанометров ученые измерили солнечное поглощение бумаги до нанесения оксинитрида титана и после. Нанесение на бумагу TiNO увеличило поглощение света с 32 до 92 процентов.

(а) Оптическое изображение слоя TiNO диаметром 3,5 сантиметра. Снимки, сделанные с помощью сканирующего электронного микроскопа, слоя TiNO при (b) небольшом увеличении и (c) большом увеличении (d) Трехмерное оптическое микроскопическое изображение слоя TiNO. (e) Спектры поглощения TiNO и пористой бумаги (f) Профили изменения температуры TiNO и бумаги под действием солнечного излучения.
(а) Оптическое изображение слоя TiNO диаметром 3,5 сантиметра. Снимки, сделанные с помощью сканирующего электронного микроскопа, слоя TiNO при (b) небольшом увеличении и (c) большом увеличении (d) Трехмерное оптическое микроскопическое изображение слоя TiNO. (e) Спектры поглощения TiNO и пористой бумаги (f) Профили изменения температуры TiNO и бумаги под действием солнечного излучения.

Чтобы продемонстрировать работу опреснительной системы, ее поместили в кварцевый контейнер, наполненный раствором хлорида натрия, который имитировал морскую воду. Оксинитрид титана поглощал солнечную энергию и преобразовывал ее в тепловую энергию, которая шла на испарение воды. Образовавшийся пар конденсировался на поверхности кварцевой крышки и уже пресная вода стекала в резервуар.

Экспериментальная установка и испарительные характеристики солнечного опреснителя на основе TiNO. (а) установка для опреснения воды (б) измерение концентрации солей
Экспериментальная установка и испарительные характеристики солнечного опреснителя на основе TiNO. (а) установка для опреснения воды (б) измерение концентрации солей

Инженеры с помощью масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой установили, что концентрация солей собранной воды после опреснительной установки снизилась с 75400 до 1,97 миллиграмма на литр. Испытания показали, что осаждение солей на поверхности устройства не влияло на эффективность опреснения, так как пористая структура и гидрофильность бумаги способствовали возвращению солей, скапливающихся на поверхности, обратно в резервуар в соленую воду.

Китайские инженеры предлагают использовать установку во время долгого пребывания в открытом море или на острове.