До сих пор все ошибались насчет обратного осмоса

Макс Дж. Леви

Менахем Элимелех никогда не мирился с обратным осмосом. Элимелех, основавший программу экологической инженерии Йельского университета, является чем-то вроде рок-звезды среди тех, кто разрабатывает системы фильтрации, которые превращают морскую воду или сточные воды в чистую питьевую воду. А обратный осмос — рок-звезда среди технологий фильтрации: он доминирует в мире опреснения морской воды уже около четверти века. Однако никто толком не знал, как это работает. И Елимелех ненавидел это.

Тем не менее, ему приходилось обучать этой технологии своих учеников. В течение многих лет он показывал им, как оценивать высокое давление, которое толкает молекулы воды в морской воде через пластиковую полиамидную мембрану, создавая чистую воду на одной стороне пленки и оставляя очень соленый рассол на другой. Но эти расчеты основывались на предположении, которое беспокоило Элимелеха и других инженеров: молекулы воды диффундируют через мембрану индивидуально. «Меня это всегда беспокоило. Это не имеет никакого смысла», — говорит он.

Это может показаться загадочным инженерным вопросом, но аргументы Элимелеха в отношении обратного осмоса основаны на реальной проблеме. Более 3 миллиардов человек живут в районах, где воды не хватает. К 2030 году спрос превысит предложение на 40 процентов.

А преобразование воды из соленых морей в нечто пригодное для питья всегда было энергоемким. Старые установки термического опреснения в странах Персидского залива, где энергии много, дистиллируют морскую воду, кипячая ее и улавливая пары. Новое поколение опреснительных установок обратного осмоса, которые пропускают воду через множество пластиковых мембран, немного сократило потребление энергии, но этого недостаточно. Для проталкивания воды через плотные фильтры по-прежнему требуется много энергии, поэтому даже незначительные улучшения в конструкции мембран имеют большое значение.

В исследовании, опубликованном в апреле, команда Элимелеха доказала, что некогда разочаровывающее предположение о том, как вода движется через мембрану, на самом деле неверно. Они заменяют ее теорией «трения раствора», согласно которой молекулы воды перемещаются группами через крошечные временные поры внутри полимера, которые оказывают на них трение при прохождении. По словам Элимелеха, физика этого трения имеет значение, поскольку ее понимание может помочь людям разработать мембранные материалы или конструкции, которые сделают опреснение более эффективным или лучше отсеивают нежелательные химические вещества.

Более эффективные мембраны также могут улучшить муниципальные системы водоснабжения и расширить возможности опреснения воды. «Это один из важнейших прорывов», — говорит Стив Дюрансо, инженер-эколог из Университета Центральной Флориды, который 15 лет занимался проектированием опреснительных установок, прежде чем стал профессором. «Это изменит то, как люди начинают моделировать и интерпретировать, как проектировать эти системы».

Лорен Гуд

Джулиан Чоккатту

Уилл Найт

«Им это удалось», — соглашается Эрик Хук, инженер-эколог из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, который 20 лет назад обучался у Элимелеха, но не участвовал в исследовании. «Наконец-то кто-то забил гвоздь в гроб».

Корни новой идеи трения решения на самом деле старые. Молекулярная математика, лежащая в ее основе, восходит к 1950-м и 1960-м годам, когда израильские исследователи Ора Кедем и Аарон Кацир-Качальский, а также исследователь Калифорнийского университета в Беркли Курт Самуэль Шпиглер вывели уравнения опреснения, в которых учитывалось трение, то есть, как вода, соль и поры в пластиковой мембране взаимодействовать друг с другом.

Трение – это сопротивление. В данном случае это говорит вам о том, насколько трудно чему-то пройти через мембрану. Если вы создадите мембрану, которая будет менее устойчива к воде и более устойчива к соли или чему-либо еще, что вы хотите удалить, вы получите более чистый продукт с потенциально меньшими усилиями.

Но эта модель была отложена в 1965 году, когда другая группа представила более простую модель. Предполагалось, что пластиковый полимер мембраны плотный и не имеет пор, через которые могла бы течь вода. Он также не считал, что трение играет роль. Вместо этого они предположили, что молекулы воды в растворе соленой воды растворятся в пластике и диффундируют с другой стороны. По этой причине это называется моделью «раствор-диффузия».