Гидрогель может стать спасением для засушливых регионов. Ученые предлагают с его помощью извлекать воду из воздуха

Что произошло

Физики из Китая и Саудовской Аравии разработали гидрогелевое покрытие для солнечных панелей, которое одновременно повышает их эффективность и позволяет добывать воду из воздуха.

• Материал можно наносить на поверхность любых солнечных батарей. За ночь он накапливает в своих порах влагу, которая испаряется в течение дня, охлаждая элементы. Установленный под панелями металлический короб собирает пар и конденсирует его в воду.

Значительная часть населения планеты до сих пор не имеет доступа к чистой питьевой воде, и многие из этих людей живут в областях с засушливым климатом. Наш прибор позволяет извлекать воду из воздуха, используя для этого бросовую тепловую энергию.

Ван Пэн, профессор Научно-технологического университета им. короля Абдаллы в Тувале

• По мнению разработчиков, подобные комбинированные источники энергии могут успешно применяться как в засушливых регионах мира, так и, например, на небольших островах, где нет источников пресной воды.

Детали

• Работу гидрогелевого покрытия проверили на экспериментальной площадке в окрестностях деревни Тувал, расположенной в одном из самых засушливых регионов Саудовской Аравии.
• Материал понизил температуру солнечных батарей на 17 градусов Цельсия, что повысило эффективность их работы почти на 10%.
• В процессе также выработалось около 3 литров чистой влаги в месяц на одну солнечную панель. Этого хватило, чтобы поддерживать рост небольшой плантации водяного шпината, одного из самых влаголюбивых растений из тропиков Восточной Азии.

Контекст

Ученые уже предлагали различные способы применения гидрогеля для получения питьевой воды. В частности, они ищут способы повышения способности материала поглощать влагу.

• Исследователи из Техасского университета предложили использовать гигроскопичные соли, которые могут поглощать большое количество влаги из воздуха. Проблема заключалась в том, что обычно гидрогель и соли несовместимы, так как большое количество соли влияет на способность гидрогеля к набуханию, чем ухудшает его свойства.
• Однако специалистам удалось найти решение: они добавили в материал соль хлорида лития, в результате чего образовался пористый губчатый гидрогель, способный быстро поглощать молекулы воды.
• Такой гидрогель собирает почти 6 литров воды на килограмм материала за 24 часа из воздуха с относительной влажностью 30%. Впитанная вода собирается в конденсаторе при его сушке.

Ранее те же ученые также рассматривали возможность использования гидрогеля для дезинфекции воды.

• Исследователи создали таблетки, содержащие активированный уголь и специальный гидрогель, который генерирует перекись водорода. Перекись вступает во взаимодействие с частицами угля, атакуя основные компоненты клеток бактерий и нарушая их метаболизм.
• Процесс дезинфекции не требует затрат энергии и не создает вредных побочных продуктов.
• Одна таблетка может продезинфицировать литр речной воды и сделать ее пригодной для питья всего за час. Эффективность очистки составила более 99%.

Почему это важно

Саудовская Аравия, как и большинство государств ближневосточного региона, испытывает нехватку пресной воды. Потребность в ней обеспечивается за счет подземных водоносных горизонтов и опреснения морской воды.

• Каждый год фермеры Саудовской Аравии используют 21 км³ воды, выкачиваемой на поверхность из-под земли, еще около 3,5 км³ приходится на домохозяйства.
• По подсчетам Министерства окружающей среды, водных ресурсов и сельского хозяйства Саудовской Аравии, запасов воды в подземных водоносных горизонтах страны хватит примерно на 60 лет, если добыча будет продолжаться нынешними темпами.
• Саудовская Аравия стала одним из лидеров по опреснению морской воды. Таким образом она получает около 50% питьевой воды.

Однако опреснение может негативно отразиться на экологии.

• На каждый литр производимой питьевой воды образуется около 1,5 литра жидкости, загрязненной хлором и медью. Этот рассол в 2 раза более соленый, чем вода в океане. Если его не разбавить или не обработать должным образом, прежде чем вернуть обратно в океан, он может образовать плотный токсичный шлейф, который разрушит прибрежные и морские экосистемы.
• Опреснение также требует затрат энергии, а значит, оставляет углеродный след. Эту проблему пытаются решить с помощью использования солнечной энергии.

Тенденция

Исследователи из разных стран предлагают различные способы опреснения воды, не требующие больших затрат энергии.

• В Корее создали трехмерную мембрану из нановолокна, которую можно использовать в качестве солевого фильтра. Разработчикам удалось добиться очистки на 99,9%.
• Ученые из Даляньского морского университета в Китае сконструировали устройство, которое плавает на поверхности моря, поглощает солнечную энергию и использует полученное тепло для испарения воды, а затем собирает уже опресненный конденсат.

Изучают также возможности очистки загрязненной воды.

• Химики из Кардиффского университета разработали катализатор для мгновенной дезинфекции воды на основе частиц палладия и золота. А специалисты из Калифорнийского университета в Беркли создали гибкие полимерные мембраны с наночастицами, которые можно настроить на поглощение определенных ионов металлов, например золота или урана. Они позволяют удалить из воды почти 100% токсичных металлов.