Безопасность водоснабжения сегодня считается крайне острой глобальной проблемой. Дефицит пресной воды уже испытывают сотни миллионов людей, а к 2030 году, согласно прогнозам ООН, около половины населения мира будет проживать в местах, где не хватает этого ресурса. Кризис водоснабжения коснется не только бедных стран, но и экономически развитых государств.

Для увеличения запасов питьевой воды используются технологии опреснения. И в сложившихся условиях они приобретают все большую распространенность. По оценкам экспертов, глобальная мощность опреснительных установок к 2030 году будет вдвое больше, чем в 2016-м. Но процессы опреснения могут быть достаточно дорогими, а их побочные продукты — гиперсоленые растворы — зачастую вредят окружающей среде.

Специалисты из Школы инженерных и прикладных наук Колумбийского университета разработали нетрадиционный подход к опреснению подобных растворов, который назвали TSSE (temperature swing solvent extraction, сольвентная экстракция при температурных колебаниях). Статья об этом опубликована в журнале Environmental Science & Technology. В TSSE используется экстракция растворителем и не применяются мембраны и фазовые переходы (испарения). Благодаря этому новый подход экономически выгоден, стабилен и легко масштабируется.

Стадии TSSE: смешивание с реагентом, сброс осадка, нагревание и декантация, охлаждение / Boo, Yin Yip et al., Environmental Science & Technology, 2020.

В своей статье авторы TSSE утверждают, что смогли «выйти на последний рубеж опреснения» — добиться нулевого сброса жидкости (ZLD, zero liquid discharge). Это означает, что в процессе не производится никаких стоков, требующих дополнительной обработки или захоронения.

«Испарение и конденсация воды — стандартный современный подход для достижения ZLD, но он очень энергоемкий и непомерно дорогой. Мы смогли достичь ZLD без нагрева и кипения воды — это серьезный прогресс в опреснении рассолов сверхвысокой солености, который показывает, что наша технология TSSE может преобразовать мировую индустрию [питьевой] воды», — комментирует результаты один из авторов разработки Нгай Ин Ип.

TSSE начинается с того, что низкополярный растворитель диизопропиламин (DIPA) смешивают с соленым водным раствором. Растворитель извлекает воду из раствора при достаточно низких температурах (разработчики тестировали метод при пяти градусах Цельсия). Контролируя соотношение растворителя и рассола, можно извлечь из рассола всю воду — соли при этом формируют кристаллы и осаждаются на дно емкости с раствором.

Расслоение диизопропиламина и воды при разных соотношениях рассола (brine) к растворителю (solvent) / Boo, Yin Yip et al., Environmental Science & Technology, 2020.

После того как соляные кристаллы извлекаются из емкости, раствор нагревают до температуры 70 °C. При этом аффинность (степень химического сродства) растворителя к воде снижается, и вода «выжимается словно из губки». Полученная целевая жидкость и диизопропиламин расслаиваются из-за разницы в плотности; воду можно откачать, а сольвент — использовать повторно.

В лабораторных условиях ученым удавалось осадить 90% всей соли из исходного водного рассола — стока ирригационных дренажных вод с полей в Центральной Калифорнии. При этом экономия энергии по сравнению с термическим испарением составила около 75%. Растворитель был повторно использован в течение нескольких циклов без значимого снижения производительности.

Благодаря относительно низкому потреблению энергии для TSSE можно использовать геотермальные и солнечные электростанции. Метод отлично подойдет для получения питьевой воды из морской. Кроме того, его можно использовать для обработки продуктов выщелачивания, стоков горнообогатительных комбинатов, водных выбросов при разработке нефтяных и газовых месторождений.