Технологии опреснения воды распространяются быстрыми темпами

Сочетание все более частых и сильных засух, старения инфраструктуры и истощения подземных водоносных хранилищ представляет в настоящее время угрозу для миллионов людей во всем мире. Продолжающийся рост населения только усугубляет этот процесс, глобальные запасы пресной воды находятся на пределе. Это приводит к быстрому распространению технологии опреснения воды.
 
Идея удаления соли из соленой воды была описана ещё в 320 г. до нашей эры. В конце 1700-х опреснение было применено военным флотом США, используя солнечные дистилляторы, встроенные в судовые печи. Однако только в 20-м веке опреснение стало применяться в промышленных масштабах с использованием многоступенчатой дистилляции и обратноосмотических мембран. Для этого может использоваться вторичное тепло, возникающее при сжигании ископаемого топлива или атомные электростанции, но даже в этом случае опреснение остается непомерно дорогим, неэффективным и очень энергоемким.
 
 
К началу 21-го века мировой спрос на ресурсы рос в геометрической прогрессии. По оценкам ООН, к 2030 г. человечеству потребуется на 30% больше пресной воды, чем было необходимо в 2012. Исторически сложившиеся темпы роста эффективности опреснения больше не в состоянии идти в ногу с быстро увеличивающимся населением, что также усугубляется последствиями изменения климата.
 
Новые методы опреснения рассматривались в качестве возможного решения этого кризиса; ряд прорывных методов возник в 2000-х и 2010-х годах. Одним из таких методов, особенно полезным в засушливых регионах, стало использование концентрированных фотоэлектрических (КФЭ) элементов для гибридного производства электричества и воды. В прошлом, использование этих систем затруднялось высокими температурами, что делало эти элементы неэффективными. Эта проблема была преодолена с помощью заполненных водой микроканалов, обеспечивающих охлаждение элементов. Помимо увеличения эффективности самих элементов, горячие сточные воды могут быть повторно использованы для опреснения. Этот комбинированный процесс позволяет снизить стоимость и расход энергии, что делает его широкомасштабное применение более целесообразным.
 
Эта, а также другие инновационные технологии благодаря огромным инвестициям привели к существенному росту опреснения по всему миру. Эта тенденция была особенно заметна на Ближнем Востоке и в других экваториальных районах, где имеется наибольшая концентрация солнечной энергии и самый быстрорастущий спрос на воду.
 
(На графике по вертикали: мировые опреснительные мощности, км3/год)
 
Тем не менее, этот экспоненциальный прогресс оказался незначительным по сравнению с огромным объёмом воды, необходимым для постоянно расширяющейся глобальной экономики, включающей теперь растущий средний класс в Китае и Индии. Каждый год мировое население увеличивается на 80 миллионов человек — что эквивалентно всему населению Германии. К 2017му году в Йемене возникла чрезвычайная ситуация в связи с практически полным истощением запасов подземных вод в столице. Серьезный уровень региональной нестабильности возникает на Ближнем Востоке, Северной Африке и Южной Азии, поскольку водные ресурсы стали оказывать большее влияние и  стали использоваться в качестве шантажа и политических спекуляций.
 
На фоне этих волнений был достигнут еще больший прогресс в области опреснения. Было признано, что текущие тенденции прироста опреснительных мощностей, хотя и впечатляющие по сравнению с предыдущими десятилетиями, являются недостаточными для удовлетворения мирового спроса. Таким образом, встаёт вопрос о необходимости масштабного фундаментального прорыва в этой области.
 

(На графике по вертикали: мировое потребление воды (км3/год); легенда сверху: мировое производство пресной воды, опреснение (текущий тренд), прирост объема опреснения, необходимый для удовлетворения будущих потребностей)
 
Нанотехнологии предложили именно такой прорыв. Использование графена для фильтрации воды было продемонстрировано еще в начале 2010-х годов. Для этого использовался атомарно тонкий лист углерода, позволивший отделить соль от воды при использовании существенно более низкого давления, и, как результат, с существенно меньшими затратами энергии. Это связано с исключительно высокой точностью, с которой могут быть приготовлены отверстия в каждой графеновой мембране. При размерах около одного нанометра, каждое отверстие идеально подходит прохождения молекул воды. Дополнительным преимуществом является очень высокая прочность графена, что делает опреснительные установки потенциально более надежными и увеличивает их рабочий ресурс. 
 
К сожалению, патенты принадлежали корпорациям, что изначально ограничивало их широкое использование. По мере того, как предприниматели и компании пытались разрабатывать свои собственные версии, произошел ряд громких международных судебных разбирательств. Развертывающийся кризис привёл к реструктуризации прав интеллектуальной собственности. К 2030 году системы фильтрации на основе графена позволили покрыть большую часть разрыва между спросом и предложением, что облегчило проблему глобальной нехватки воды. Тем не менее, запоздавшее принятие этой революционной технологии вызвало проблемы во многих уязвимых частях мира.
 
В 2040-х годах и позднее, опреснение воды будет играть еще более важную роль, поскольку человечеству необходимо приспосабливаться к быстро меняющемуся климату. В конечном счете, опреснение станет основным мировым источником пресной воды в связи с истощением невозобновляемых источников, таких как подземные воды, по всему миру. 
 
Технология удаления соли из воды на основе использования графена. Автор иллюстрации: Дэвид Коэн-Тануджи
 

Год: