Исследование, которое включает в себя разработку нагревательного элемента на основе углеродных нанотрубок, который значительно улучшит восстановление пресной воды во время процессов мембранной дистилляции, было опубликовано в журнале Nature Nanotechnology. Дэвид Джассби, доцент кафедры химической и экологической инженерии инженерного колледжа Борнса UCR, руководил проектом.
Хотя обратный осмос является наиболее распространенным методом удаления соли из морской воды, сточных вод и солоноватой воды, он не подходит для обработки высококонцентрированных солевых растворов. Такие растворы, называемые рассолами, образуются в огромных количествах во время обратного осмоса (как отходы) и гидроразрыва пласта (как пластовая вода), и их необходимо утилизировать надлежащим образом, чтобы избежать ущерба окружающей среде.
В случае гидроразрыва пласта пластовая вода часто сбрасывается под землю в нагнетательные скважины, но некоторые исследования показывают, что такая практика может привести к увеличению числа местных землетрясений.Одним из способов обработки рассола является мембранная перегонка, технология термического опреснения, при которой тепло перемещает водяной пар через мембрану, обеспечивая дальнейшее восстановление воды, в то время как соль остается. Однако горячие рассолы очень агрессивны, что делает теплообменники и другие элементы системы дорогими в традиционных системах мембранной дистилляции. Кроме того, поскольку процесс зависит от теплоемкости воды, возврат за один проход довольно низок (менее 10 процентов), что приводит к усложнению требований к управлению теплом.
«В идеальном сценарии термическое опреснение позволило бы восстановить всю воду из рассола, оставив после себя небольшое количество твердой кристаллической соли, которую можно было бы использовать или утилизировать», — сказал Джассби. «К сожалению, современные процессы мембранной дистилляции основаны на постоянной подаче горячего рассола через мембрану, что ограничивает восстановление воды через мембрану примерно до 6 процентов».Чтобы улучшить это, исследователи разработали самонагревающуюся мембрану на основе углеродных нанотрубок, которая нагревает солевой раствор только на поверхности мембраны. Новая система снизила количество тепла, необходимое для технологического процесса, и увеличила выход рекуперированной воды почти до 100 процентов.
В дополнение к значительно улучшенным характеристикам опреснения, команда также исследовала, как применение переменных токов к мембранному нагревательному элементу может предотвратить деградацию углеродных нанотрубок в солевой среде. В частности, была определена пороговая частота, при которой предотвращалось электрохимическое окисление нанотрубок, что позволяло пленкам из нанотрубок работать в течение значительных периодов времени без снижения производительности.
Понимание, представленное в этой работе, позволит использовать нагревательные элементы на основе углеродных нанотрубок в других приложениях, где электрохимическая стабильность нанотрубок является проблемой.