Чистая вода: какие технологии спасут нас от гуманитарной катастрофы

Совет безопасности России предупреждал о вероятности войн за пресную воду еще десять лет назад. Вода, по мнению политиков, является одним из главных резервов повышения конкурентоспособности страны (любого государства) на мировой арене и обеспечения национальных интересов. Примерно в то же время о «водных войнах» заговорили в США. Этому способствовала сильнейшая за последние 50 лет засуха, случившаяся в южных штатах. 

Исследователи давно утверждают, что доля чистой питьевой воды на планете неуклонно снижается и тенденция эта усиливается. По данным ООН, за последние полвека в пересчете на 1 человека доля питьевой воды уменьшилась более чем на 60%. В течение следующих 25 лет прогнозируется сокращение еще вдвое. Более 80 стран мира (свыше 2 млрд. человек) испытывали недостаток пресной воды уже в начале XXI века. 

Если к этому прибавить рассуждения о глобальном кризисе водных ресурсов, пик которого прогнозируется на 40-50-е годы нынешнего века, и который приведет к структурным изменениям в мировой экономике, а также тот факт, что в некоторых странах сегодня бутилированная вода стоит дороже нефти (в Новой Зеландии, например, цена одного литра воды Antipodes превысила стоимость литра бензина в 21 раз (!)), то складывается понимание того, что производство воды, будь то очистка сточных вод, либо непосредственно добыча воды, становится важнейшей задачей для всего человечества. 

Впрочем, в большинстве случаев проблема заключается как раз не в том, что воды не хватает, а в том, что она загрязнена. Обычно это связано с тем, что в развивающихся странах 80% сточных вод сбрасываются в водоемы без очистки, а строить полноценные очистительные сооружения в отдаленных местностях очень сложно. В связи с этим мы решили обратить внимание как на давно существующие, так и на недавно запатентованные технологии, которые призваны помочь человечеству справиться с глобальными вызовами будущего. 

Очистка

Совсем недавно индийская компания IIT Kanpur (IIT-K) и МТИ США совместно получили патент на устройство очистки воды. Оно называется «A Vessel and A Method for Purifying Water and Monitoring Quality of Water» и представляет собой небольшой сосуд, который, по заявлениям компании, будет весьма экономичным для проверки качества воды и ее очистки.

Очищающий сосуд содержит регенеративный сорбент, способный отделять загрязнения и консервировать их в мокром или сухом виде, таким образом, производя очищенную питьевую воду по цене всего 2 рупии (1,5 рубля) за литр. Для производства воды не требуется энергия и оно не оставляет после себя отходов, что исключает расходы на техническое обслуживание.

Новшество устройства заключается в его способности очищать и производить измерения посредством одного канала, что не позволяют делать другие подобные системы. Дополнительными сферами применения устройства, кроме питьевой воды, называют пищевую промышленность, вторичное использование сточных вод, порциональная генерация деионизированной воды и водный мониторинг в сельском хозяйстве.  

В целом, заключают изобретатели, устройство можно использовать для мониторинга и очистки других жидкостей, употребляемых человеком, как то прохладительных напитков и других продуктов ежедневного потребления.  

Еще одним эффективным средством очистки воды, завоевывающим популярность в последнее время, является фотокатализ. Как следует из названия, технология использует фотоктализатор и ультрафиолет для очищения воды от токсичных примесей. Преимущество технологии в том, что очистка воды не требует реагентов и основана на химической реакции, при которой специальное покрытие под действием ультрафиолета испаряет вредные органические соединения. 

Несколько лет назад корпорация Panasonic разработала и протестировала в Индии технологию, которая связывает фотокатализатор (диоксид титана) с абсорбентом и катализатором под названием зеолит, обеспечивая эффективное отделение и восстановление фотокатализатора воды для повторного использования. Двуокись титана может минерализировать целый спектр органических компонентов в безопасные конечные продукты. Катализатор использует ультрафиолетовое облучение либо от солнца, либо от искусственного источника, чтобы отделить субстанцию. 

Фотокаталитические системы очистки воды подходят для использования в водопроводных и канализационных очистных сооружениях и могут очищать промышленные сточные воды, загрязненные большим количеством органических веществ или металлов. Учитывая, что большая часть чистой воды сегодня употребляется для сельскохознужд, то подобная технология может стать весьма востребованной. 

Схожим путем пошли ученые Южно-Уральского государственного университета, запатентовавшие в 2020 году инновационный метод очистки сточных вод. Они разработали фотокатализатор с термостабильным микропористым покрытием на основе оксида титана-кремния. Даже при низком уровне облучения оно оказывается эффективным против опасных фенольных соединений в сточных водах. Кроме того, оксид титана-кремния, или анатаз, сохраняет свои свойства даже при температуре до 700 °C, что дает возможность применять его во многих технологических процессах на производстве.

Инновационное покрытие наносится на стеклянные пластины, которые облучаются ультрафиолетом или просто солнечным светом. Затем через проточный реактор пропускается загрязненная вода, и активные радикалы, выделившиеся в ходе облучения, разрушают опасные органические соединения в ней.

Нанотехнологии 

Отдельного упоминания среди технологий для очистки воды, стоит, пожалуй, нанотехнологии. Сегодня разрабатываются несколько подходов и процессов применения на атомном и молекулярном уровнях. Они считаются модульными, высокоэффективными и экономически выгодными по сравнению с традиционными методами. Технологии, как правило, включают использование наночастиц серебра, меди и нуль-валентного железа (ZVI) в наноструктурированных фотокатализаторах, наномембранах и наноадсорбентах.

Преимущество нанотехнологий в том, что большое отношение поверхности к объему наночастиц усиливает адсорбцию химических и биологических частиц, позволяя отделять загрязняющие вещества при очень низких концентрациях. Наноадсорбенты обладают специфическими физическими и химическими свойствами для удаления металлических загрязнителей из воды. Наиболее распространенными считаются углеродные нанотрубки, которые способны удалять из воды органические, неорганические и биологические соединения. 

Сегодня в разработке таких мембран участвуют такие компании, как Alfa Laval, Applied Membranes, Dow DuPont, GEA Group, Inopor и Koch Membrane Systems. 

В некоторых нанотехнологиях используются ископаемые материалы. Например, цеолит — это минерал природного происхождения, которым заинтересовались некоторые ученые из-за того, насколько хорошо он действует в качестве адсорбента в воде. Он способен захватывать крупные молекулы.

Совсем недавно японские ученые, вдохновленные структурой тефлона, разработали технологию опреснения морской воды — она позволяет на наноуровне избавляться от молекул соли. С помощью компьютерного моделирования они создали рабочий образец, показывающий эффективность наноструктуры на основе фтора для фильтрации соли. Глава эксперимента, Ито Йошимитсу с кафедры химии и биотехнологий Токийского университета утверждает, что фтористые наноканалы показали себя даже более энергоэффективными по сравнению с другими известными методами фильтрации. 

Просто добудь воды

Неправильно было бы упустить из виду методы не очистки, но получения воды самыми разными способами — из воздуха, тумана и даже фруктов. Эту последнюю технологию запатентовала австралийская компания Botanical Water Foundation. Она позволяет фильтровать и очищать воду из овощей, фруктов и сахарного тростника, которая обычно утилизируется в процессе концентрации. В ходе производства готовых продуктов —  томатной пасты, концентрированных фруктовых соков или сахара — во всем мире пропадают триллионы литров воды в результате испарения. 

Совместно с японской FUJITSU компания Botanical Water Foundation в 2022 году запустила платформу BWX, которая будет использовать технологию блокчейн для обеспечения прозрачности и отслеживания процессов в ходе полного цикла производства, включая очистку, продажу, покупку, доставку и использование продукта.  

Для получения воды используют, разумеется, и совершенно естественный процесс испарения. Cтартап Zero Mass Water запатентовал технологию Hydropanel. Она использует солнечную энергию и создает достаточное количества чистой питьевой воды для двух-трех человек — примерно 10 литров в день. Вентиляторы прогоняют воздух через гигроскопичный материал, а затем водяной пар, извлеченный из воздуха, конденсируется и накапливается в 30-литровом резервуаре. Далее вода фильтруется, в нее добавляются минералы для улучшения питьевых свойств воды. Систему можно подключить к водопроводному крану в доме для быстрого доступа к готовой к употреблению воде.

Схожую технологию использует компания Innovative Water Technologies, которая разработала систему фильтрации воды под названием SunSpring Hybrid. Это автономный портативный фильтр, работающий на солнечной или ветровой энергии, который обеспечивает 20 000 литров чистой воды в день в течение десяти и более лет. Фильтр также позволяет собирать дождевую воду и использовать ее в качестве питьевой.

Кстати об еще одном вполне естественном (но трудоемком) способе добыть воду. Некоммерческая организация Dar Si Hmad собирает туман на склонах горы и производит более 6000 литров воды в день. Это крупнейший в мире проект, задействовавший подобную технологию. Она, при этом, до смешного проста. Туман «ловится», когда проходит через переплетение больших вертикальных сетей и стекает в систему сбора, где фильтруется и смешивается с грунтовыми водами. Затем вода подается по трубопроводу всем нуждающимся. 

В статье были описаны лишь некоторые технологии, которые человечество разработало и продолжает разрабатывать, чтобы однажды не умереть от жажды. Судя по всему, число их будет расти и они будут становится все более востребованными, поскольку намеки на возрастающую ценность чистой воды попадаются постоянно. Так, в конце июня 2022 года генеральный директор корпорации Nestle Питер Брабек-Летмат утверждал, что вода не является правом человека и должна быть приватизирована и контролироваться транснациональными компаниями. Такие настроения не могут не настораживать.