Вода и деньги - из воздуха

Дефицит пресной воды в некоторых регионах нашей планеты становится угрозой для проживающего там населения. Ученые давно и успешно разрабатывают разные способы получения питьевой воды, обычно сырьем для этого используется морская. Однако, новое изящное решение позволит получать живительную влагу из того, что сейчас просто выбрасывается в атмосферу - из пара на различных производствах.

Система, разработанная исследователями массачусетского технологического института (MIT), может обеспечить недорогой источник питьевой воды для городов по всему миру, и при этом сократит эксплуатационные расходы электростанций.

Статистика говорит, что около 39 процентов всей пресной воды, изъятой из рек, озер и водохранилищ в США, предназначено для охлаждения процесса выработки электроэнергии на станциях, использующих ископаемые углеводороды или ядерное топливо. И большая часть этой воды благополучно улетает в облаках пара. Новый метод ученых MIT потенциально мог бы сэкономить значительную часть этой теряемой воды. К тому же это может стать важным источником чистой и безопасной пресной воды для прибрежных городов, где для охлаждения используется морская вода.

Принцип выглядит достаточно просто: когда воздух, содержащий пары воды, насыщается электрически заряженными частицами - ионами, то мельчайшие капли приобретают заряд и поэтому могут быть направлены к проводникам с током, подобно ситу поставленному у них на пути. Капли воды собираются на этой сетке и стекают в коллектор, откуда могут быть направлены повторно для использования на электростанции или в систему водоснабжения населенных пунктов.

Данная технология стала основой для стартапа Infinite Cooling, который в прошлом месяце выиграл конкурс MIT на финансирование суммой в 100 тысяч долларов США. Результаты работы исследователей были опубликованы в журнале “Science Advances”, соавторами стали доктор Махер Дамак (Maher Damak) и Крипа Варанаси (Kripa Varanasi). Они же стали соучредителями стартапа.

Проект Варанаси заключался в разработке высокоэффективных систем рекуперации воды путем захвата капель как из естественного тумана, так и из выбросов промышленных градирен - это такие огромные толстые трубы, служащие для охлаждения. Одновременно докторская диссертация Дамака была направлена на повышение эффективности систем сбора влаги из влажного воздуха, которые используются во многих засушливых районах с дефицитом питьевой воды. Эти системы обычно состоят из большой пластиковой или металлической сетки, которую ставят вертикально на пути влажных масс воздуха, которые регулярно поступают со стороны моря. Они крайне неэффективны и захватывают лишь от 1 до 3 процентов капель воды, проходящих сквозь них. Варанаси и Дамак задались вопросом, существует ли возможность улавливать больше воды - и нашли очень простой и эффективный способ сделать это.

Причина неэффективности существующих систем стала очевидной в лабораторных экспериментах команды: проблема заключается в аэродинамике. Поскольку поток воздуха проходит мимо препятствий в виде прутьев решетки, то он естественно отклоняется от них, подобно тому как воздух обтекает крыло самолета, разделяясь на два потока сверху и снизу плоскости. Эти отклоняющиеся воздушные потоки несут вместе с собой капли жидкости, лишь немногие из них сталкиваются с решеткой.

В результате доля захваченной влаги намного меньше, чем площадь, занятая материалом решетки. Делать проводники более толстыми или сетку более частой не имеет смысла, поскольку тогда создается препятствие общему потоку воздуха, что приводит к уменьшению сбора воды.

Но если проходящий туман ионизировать, происходит противоположный эффект. Мало того, что все капли, которые находятся на пути проводников, осаждаются на них, но и те, которые направлялись сквозь отверстия в сетке, начинают притягиваться. Таким образом, система резко повысила свою эффективность со сравнительно небольшими затратами. Оборудование улавливания простое, требуемая для ионизации мощность минимальна.

После этого команда сосредоточилась на процессе захвата воды из выбросов градирен электростанций. Там поток водяного пара гораздо более концентрированный, чем любой естественный туман, и это делает систему еще более эффективной. А так как захват испаренной воды сам по себе является процессом перегонки, то полученная жидкость является чистой и пресной, даже если исходная была соленой или загрязненной. Получается дистиллированная вода, высокое качество которой сейчас просто вылетает в атмосферу. После обработки она может быть подана в городской водопровод или может быть повторно использоваться в процессах, требующих чистой воды, например, в котлах энергетических установок. В отличие от систем охлаждения, там нужно высокое качество жидкости и отсутствие примесей.

Типичная 600-мегаваттная электростанция, говорит Варанаси, может позволить уловить 570 миллионов литров воды в год (150 миллионов галлонов), стоимость такого объема составляет миллионы долларов. И эт только 20-30 процентов влаги, которая выпускается из градирен. С дальнейшим совершенствованием технологии доля пойманной воды может быть ее больше.

Более того, поскольку электростанции уже установлены вдоль многих морских береговых линий с дефицитом пресной воды, и при этом многие из них охлаждаются морской, то это дает очень простой способ предоставления услуг по опреснению с небольшими затратами на установку автономного оборудования по улавливанию жидкости. По словам ученых, стоимость их систем составит примерно одну треть от цены обычного завода по опреснению воды, а его эксплуатационные расходы будут меньше в 50 раз! Срок окупаемости для технологии составит около двух лет, к тому же не будет никаких неблагоприятных экологических последствий от внедрения и использования.

Это может быть отличным решением для преодоления глобального кризиса с питьевой водой, подобное оборудование в состоянии компенсировать потребность в 70% новых установок для опреснения воды в течение следующих десяти лет.

В серии впечатляющих экспериментов с доказательством эффективности своего метода, исследователи построили небольшую лабораторную версию трубы, испускающей влажный поток воздуха, аналогичный тому, что имеет место в настоящих градирнях. Ионизатор и сетчатый экран, помещенные в поток, работали как и было описано. Сильный шлейф влажного тумана исчезает сразу же после включения системы.

В настоящее время команда строит полномасштабную тестовую версию своей системы, которая будет размещена на градирне электростанции MIT, которая использует природный газ для выработки электрической энергии, отопления и охлаждения во всех зданиях кампуса университета. Опытный образец начнет работу уже в этому году, исследователям предстоит подобрать оптимальную конфигурацию сетки и способ ее крепления на трубе.

Его работа предоставит необходимые доказательства эффективности системы, которые позволят операторам электростанций задуматься над установкой аналогичного оборудования. Это довольно консервативная отрасль, в которой мало кто пойдет на риск установки оборудования, которое еще нигде себя не зарекомендовало. Электростанция кампуса массачусетского университета должна стать отправной точкой для внедрения систем сбора воды из пара.