Odsolanie solarno-termiczne bez dodatków i bez odprowadzania soli w cieczy z jednoczesnym całkowitym pozyskiwaniem minerałów z wody morskiej

Przekształcanie światła słonecznego i wody morskiej w wodę pitną

Wiele społeczności przybrzeżnych stoi przed paradoksem: otaczają je wody morskie, a mimo to brakuje bezpiecznej wody do picia. W tym badaniu opisano nowy sposób przekształcania wody oceanicznej w wodę słodką, wykorzystujący wyłącznie światło słoneczne, przy jednoczesnym wychwytywaniu użytecznych minerałów z morza. Podejście to unika brudnego, zasolonego odrzutu wytwarzanego przez wiele obecnych instalacji odsalających, dążąc do czystszej i bardziej wydajnej drogi zapewnienia wody i cennych zasobów.

Dlaczego obecne metody odsalania zawodzą

Konwencjonalne zakłady odsalania, takie jak te oparte na odwróconej osmozie, zużywają dużo energii i odprowadzają duże ilości skoncentrowanego zasolonego roztworu z domieszkami chemikaliów z powrotem do środowiska. Ten zasolony roztwór może szkodzić życiu morskiemu, ekosystemom przybrzeżnym, a nawet wodom gruntowym. Jednocześnie woda morska zawiera ogromne ilości rozpuszczonych minerałów, w tym takich, które na lądzie są rzadkie i wartościowe. Idealnie jeden system dostarczałby wodę pitną, zamieniał rozpuszczone sole w formę stałą i robił to bez odprowadzania ciekłych odpadów.

Panel metalowy napędzany słońcem, który "pije" z morza

Aby sprostać temu wyzwaniu, badacze zbudowali specjalny panel metalowy, który jednocześnie chłonie wodę morską i pochłania światło słoneczne. Zastosowali szybki proces obróbki laserowej, aby wyrzeźbić powierzchnię cienkiego aluminium w lasy drobnych rowków pokrytych jeszcze mniejszymi strukturami. Ten zabieg czyni metal głęboko czarnym i wysoce absorbującym, dzięki czemu niemal całe padające światło słoneczne zamienia się w ciepło. Powierzchnia staje się też superwciągająca (superwicking), co oznacza, że cienka warstwa wody może wspinać się pod górę przez rowki, pociągana siłami kapilarnymi. Gdy słońce świeci na panel, cienka warstwa nagrzewa się, a woda szybko paruje, zamieniając się w parę i pozostawiając rozpuszczone sole na powierzchni.

Oddalanie soli od strefy roboczej

Nagromadzenie soli zwykle paraliżuje solary parujące, blokując przepływ wody i odbijając światło. Kluczowym postępem w tej pracy jest to, że panel uformowany laserowo automatycznie wypycha nowo powstające kryształy soli z centralnego obszaru roboczego do bocznych stref, gdzie można je zebrać. Autorzy pokazują, że głębsze i szersze powierzchniowe rowki dostarczają silny przepływ relatywnie świeżej wody morskiej, która dociera do frontu powstającej soli. Mikroskopowe obserwacje ujawniają, że parowanie najpierw koncentruje sól przy zewnętrznej granicy warstwy wody, podobnie jak tworzy się pierścień kawy, gdy kropla wysycha. Następnie zaczyna działać proces zwany pełzaniem soli: cienkie filmy słonej wody poruszają się po porowatej skorupie soli, miejscowo ją rozpuszczają i ponownie krystalizują dalej na zewnątrz. Ten powtarzający się cykl powoduje, że krawędź soli przesuwa się z dala od aktywnej strefy, która pozostaje czysta i wydajna.

Woda słodka i minerały stałe bez zasolonego odrzutu

W kontrolowanych testach laboratoryjnych przy standardowym nasłonecznieniu zoptymalizowany projekt panelu osiąga szybkość parowania około 1,76 kilograma wody na metr kwadratowy na godzinę, przy czym około trzy czwarte padającej energii słonecznej przeznaczane jest na parowanie wody. Jednocześnie niemal cała sól obecna w odparowanej wodzie morskiej pojawia się w postaci stałych kryształów w pasywnych rejonach panelu, więc prawie żadna nie wraca do wody poniżej. Podczas ciągłej, tygodniowej pracy zarówno produkcja wody, jak i zbiór soli pozostają stabilne, a zasolenie pozostałej wody morskiej utrzymuje się w przybliżeniu na stałym poziomie, co pokazuje, że nie tworzy się ciekły zasolony odrzut. Testy z wodą morską z Atlantyku, Pacyfiku i Oceanu Indyjskiego dają podobne wyniki, a skroplona woda spełnia ustalone normy wody pitnej.

Kopalnia morza przy jednoczesnym uzdatnianiu wody

Zebrane ciała stałe zawierają oczekiwane powszechne sole, takie jak sód, magnez, potas i wapń, ale także śladowe ilości cenniejszych pierwiastków, takich jak złoto, cez, brom i uran. Autorzy sugerują, że przez dodanie selektywnych powłok do części panelu system można byłoby dostroić do wychwytywania konkretnych metali, na przykład litu, przy jednoczesnej produkcji wody pitnej. Ponieważ panel potrafi podciągać wodę pod górę, można go pochylić, by śledził ruch Słońca po niebie, poprawiając dzienną wydajność. W prostych słowach praca ta wskazuje praktyczny sposób przekształcania światła słonecznego i wody morskiej zarówno w wodę zdatną do picia, jak i w minerały możliwe do wydobycia, omijając jednocześnie zagrożenia środowiskowe związane z odprowadzaniem zasolonych odpadów.

Cytowanie: Tang, L., Singh, S.C., Wei, R. et al. Additive-free and brine-discharge-free solar-thermal desalination with simultaneous complete mineral mining from ocean water. Light Sci Appl 15, 246 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02315-4

Słowa kluczowe: odsalanie słoneczne, woda morska, brak odprowadzania cieczy, odzysk minerałów, oczyszczanie wody