Солнечно-термическая опреснительная установка без добавок и без сброса рассола с одновременным полным извлечением минералов из морской воды

Превращая солнечный свет и морскую воду в питьевую

Многие прибрежные сообщества сталкиваются с парадоксом: вокруг — море, но нет безопасной питьевой воды. В этом исследовании описан новый способ превращения океанской воды в пресную, используя только солнечный свет, с одновременным извлечением полезных минералов. Подход избегает загрязняющего рассола, который образует множество современных опреснительных установок, и нацелен на более чистый и эффективный путь к обеспечению воды и ценных ресурсов.

Почему существующее опреснение не всегда эффективно

Традиционные опреснительные установки, такие как установки обратного осмоса, потребляют много энергии и сбрасывают большие объёмы концентрированного рассола, часто с химическими добавками, обратно в окружающую среду. Этот рассол может вредить морской жизни, прибрежным экосистемам и даже подземным водам. В то же время в морской воде содержатся огромные количества растворённых минералов, включая те, которые на суше редки и ценны. В идеале одна система обеспечивала бы пресную воду, превращала растворённые соли в твёрдую форму и при этом не сбрасывала бы жидкие отходы.

Солнечная металлическая панель, «пьющая» воду из моря

Чтобы решить эту задачу, исследователи создали специальную металлическую панель, которая одновременно впитывает морскую воду и улавливает солнечный свет. Они применили быстрый метод лазерной обработки, чтобы сформировать на поверхности тонкого алюминия «лес» мелких канавок, покрытых ещё более мелкими структурами. Эта обработка делает металл глубоко чёрным и сильно поглощающим, поэтому он практически всю падающую солнечную энергию превращает в тепло. Она также придаёт поверхности суперводопритягивающие свойства: тонкая плёнка воды может подниматься вверх по канавкам, притягиваемая капиллярными силами. Когда панель освещается, тонкая плёнка нагревается и вода быстро испаряется в пар, оставляя растворённые соли на поверхности.

Как удержать соль подальше от рабочей зоны

Накопление соли обычно выводит из строя солнечные испарители, блокируя поток воды и отражая свет. Ключевое достижение в этой работе заключается в том, что лазерно-структурированная панель автоматически выталкивает вновь образующиеся кристаллы соли из центральной рабочей зоны в боковые области, где их можно собрать. Авторы показывают, что более глубокие и широкие поверхностные канавки обеспечивают сильный приток относительно свежей морской воды, который достигает фронта растущей соли. Микроскопические наблюдения показывают, что при испарении соль сначала концентрируется на внешнем водном крае, аналогично тому, как образуется кофейное кольцо при высыхании капли. Затем вступает в силу процесс, называемый «ползущей солью»: тонкие плёнки солёной воды текут по пористому солевому корку, локально растворяют его и рекристаллизуются дальше наружу. Эти повторяющиеся шаги заставляют солевую кромку отступать от активной зоны, которая остаётся чистой и эффективной.

Пресная вода и твёрдые минералы без рассола-отхода

В контролируемых лабораторных испытаниях при стандартном солнечном освещении оптимизированный дизайн панели достигает скорости испарения примерно 1,76 килограмма воды на квадратный метр в час, при этом примерно три четверти поступающей солнечной энергии расходуются на испарение воды. Одновременно почти вся соль, присутствовавшая в испарённой морской воде, выпадает в виде твёрдых кристаллов в пассивных областях панели, поэтому почти ничего не возвращается в воду внизу. При непрерывной недельной эксплуатации как производство воды, так и сбор соли остаются стабильными, в то время как солёность оставшейся морской воды практически не меняется, что показывает отсутствие накопления жидкого рассола. Испытания с морской водой Атлантического, Тихого и Индийского океанов дают схожие результаты, а конденсированная вода соответствует установленным стандартам питьевой воды.

Добыча моря при одновременном опреснении

Собранные твёрдые вещества содержат ожидаемые обычные соли, такие как натрий, магний, калий и кальций, а также следовые количества более ценных элементов, например золота, цезия, брома и урана. Авторы предполагают, что добавлением селективных покрытий на части панели систему можно настроить на захват определённых металлов, например лития, при одновременном производстве пресной воды. Поскольку панель способна поднимать воду вгору по наклонной, её можно наклонять, чтобы следовать за Солнцем по небу, повышая суточную производительность. Проще говоря, эта работа указывает на практичный путь превращения солнечного света и морской воды как в питьевую воду, так и в добываемые минералы, избегая при этом экологических рисков, связанных со сбросом рассола.

Цитирование: 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

Ключевые слова: солнечное опреснение, морская вода, нулевой сброс жидкости, извлечение минералов, очистка воды