Нехватка питьевой воды: как бороться с проблемой и почему она касается не только бедных стран

Африка, Нигер, город на юге страны. Родители разбудили одиннадцатилетнего Сани Абду в 4:30 утра, дали две канистры и отправили за водой. Прежде чем пойти в школу, мальчик должен преодолеть 8 километров, набрать воды в грязном колодце Бабан Тапки и принести домой полные канистры. Вереницы детей, таскающих на рассвете воду, — обычная картина для этих нищих и засушливых мест.

Здесь нет душа, нет канализации. Здесь пьют грязную воду, страдают от диареи или холеры, которые приводят к еще большему обезвоживанию. Без доступа к чистой питьевой воде каждый день умирает 700 детей в возрасте до пяти лет. Взрослые остаются дома для ухода за больными и не могут зарабатывать. Поколение за поколением движется по этому кругу. 

Ученые пытаются его разорвать — и нельзя сказать, что безуспешно. Один из самых авторитетных научных журналов Nature посвятил этой теме все декабрьское приложение. В том числе в нем говорится о том, как добывать воду из воздуха, как очищать ее от «вечных химикатов» и может ли какая-то одна технология заменить все остальные.

Расщепить нерасщепляемое

Проблема с пресной водой актуальна и для нас. Россия — страна индустриальная, и в местные реки попадают отходы крупных производств. Будь у таких отходов свой рейтинг токсичности, на верхних строчках расположились бы перфторалкильные и полифторалкильные соединения (ПФАС). Они делают пресную воду непригодной для использования в быту и сельском хозяйстве. ПФАС копятся в тканях организма и приводят к проблемам со здоровьем — от нарушения половой и иммунной системы до повышения риска рака. Из-за этого США, ЕС и Великобритания ограничили использование этих веществ в производстве.

А что делать с соединениями, которые уже накопились в воде с середины ХХ века? ПФАС почти сотню лет применяют в материалах с водоотталкивающими свойствами: ткани, тефлон, противопожарная пена. Организация экономического сотрудничества и развития насчитала пять тысяч разновидностей таких соединений. 

В составе молекул ПФАС присутствует фтор, формирующий одни из самых сильных химических связей в природе, которые не разрушаются естественным путем и большинством известных технологий очистки. Загрязнение этими соединениями настолько сложно устранить, что их стали называть «вечными химикатами».

Как это часто бывает в науке, проблему удалось решить случайно. В 2016 году инженеры-химики из американского Университета Кларксона разрабатывали плазменный реактор для очистки воды при помощи электрического разряда. Используя ПФАС в одном из образцов в качестве контроля, они внезапно обнаружили, что под воздействием реактора эти химикаты оказались не такими уж вечными и разложились всего за несколько минут. Не веря своей удаче, ученые повторили тест еще несколько раз и получили тот же результат.

Работает технология так: сквозь загрязненную воду в специальной камере пропускают пузырьки газа аргона, что подталкивает ПФАС к поверхности. Вместо воздуха над водой тоже закачан аргон. Через него проходит высоковольтный разряд, и благородный газ, обычно ни с чем не взаимодействующий, становится проводящей электричество плазмой. Энергии этого процесса хватает, чтобы разрушить связи между углеродом и фтором и полностью разложить ПФАС на фтор и углекислый газ, которые в малых количествах не опасны для здоровья. В 2019 году ученые провели полевые испытания своей технологии, продемонстрировав, что их реактор очищает 4 литра воды за несколько минут. По оценкам инженеров, при масштабировании эта скорость возрастет до 40 литров в минуту. Они основали стартап DMAX Plasma и уже начали продавать первые небольшие установки, которые потребляют меньше энергии, чем среднестатистический духовой шкаф.

Звук, давление и грибы против ПФАС

Есть и другие технологии очистки воды от ПФАС, которые могут стать доступными в ближайшие годы, пишет Nature. Основатели стартапа Aquagga в штате Вашингтон добавляют к воде щелочь и нагревают смесь до 350 °C под давлением около 160 атмосфер, чтобы избавиться от загрязнителя. 

Инженеры-экологи из Нью-Джерси придумали использовать ультразвук с частотой около 1 мегагерца, создающий в жидкости пузырьки размером в несколько нанометров. Звуковые волны воздействуют на раствор до тех пор, пока пузырьки не начинают схлопываться, поднимая вокруг себя температуру до пяти тысяч градусов примерно на 10 наносекунд. Выброса энергии от этого процесса достаточно, чтобы дестабилизировать связи в ПФАС и разрушить «вечные» химикаты. Пилотные испытания ученые проведут в этом году. 

Их коллеги экспериментируют со звуковыми волнами, пытаясь очистить от ПФАС подземные воды. Первые тесты в этом направлении проводит стартап RemWell в Колорадо с октября прошлого года.

Наконец, еще один способ очистки от ПФАС нашли в Техасе. Ученые добывают из сельскохозяйственных отходов — стеблей и листьев кукурузы — целлюлозу и лигнин, а затем модифицируют их, чтобы получить пористый фильтрующий материал, который задерживает молекулы ПФАС целиком. В установку помещают одноклеточный гриб Irpex lacteus, который обычно растет на стволах поваленных деревьев. Этот микроорганизм разрушает молекулы ПФАС, а питается самим фильтрующим материалом.

Каждая из разработок по отдельности, пишет Nature, не решит проблемы загрязнения ПФАС. Слишком много разновидностей этих соединений, и некоторые смогут устоять перед грибами, некоторые перед ультразвуком.  Однако с теми видами ПФАС, которые использовались в испытаниях, ученым удалось очистить воду до такой степени, что содержание загрязнителя уже не определяется стандартными тестами.

Однако в беднейших странах проблема заключается не только в том, что вода грязная, а еще и в том, что ее просто нет. Как ученые решают и предлагают решать эту задачу?

Вода из воздуха

В воздухе содержится атмосферная влага. Ее много: если бы кто-то решил собрать эту влагу, понадобился бы резервуар объемом 13 тысяч кубометров. Это в семь раз больше, чем течет во всех земных реках, вместе взятых. Но одно дело теория.

На практике существуют установки для добычи влаги из воздуха, только их не везде можно поставить. На юге Индии и в горных районах Африки и Южной Америки, то есть там, где высокая относительная влажность, работают «пассивные» установки, которые улавливают мельчайшие капельки пара из облаков и тумана. Но они бесполезны в регионах с низкой влажностью, где пресной воды как раз и не хватает. 

Есть активные установки — они, не полагаясь на природу и климат, сами охлаждают воздух и собирают конденсат. Например, система Maximus, которая продается в США, может получать 10 тысяч литров воды в день. Только весит она 13 тонн, стоит полмиллиона долларов, плюс огромные счета за электроэнергию, которую Maximus потребляет, охлаждая воздух. Для Калифорнии или Саудовской Аравии такая система доступна, но как ее будут оплачивать жители засушливой деревни Нигера? Кажется, есть альтернатива.

Спасение в Долине смерти

В августе 2022 года в Долине смерти, неподалеку от местечка Фернес-Крик группа ученых испытала небольшое устройство, напоминающее любительский телескоп. Долина — самое низкое и самое жаркое место на карте Северной Америки. Температура 52 градуса, влажность 14 процентов. Ученые тем не менее умудрились из раскаленного воздуха нацедить в свой «телескоп» несколько миллилитров воды и назвали это прорывом. 

В чем суть? Есть материалы — адсорбенты. Благодаря большому количеству пор они прекрасно впитывают жидкость. Обычно адсорбенты в установках для сбора атмосферной влаги, аналогичных Maximus, накапливают воду ночью, когда температура воздуха ниже. Днем другая часть устройства при помощи солнечной энергии добывает воду, впитавшуюся в эти материалы.

Калифорнийские химики — те самые, что ставили опыт в Долине смерти, — сумели создать новый адсорбент в виде геля, который эффективно собирает жидкость и удерживает ее, но, когда нужно, легко отдает. У этого материала металлоорганическая структура, название MOF-303, но главное, что нужно о нем знать: этот адсорбент намного эффективнее существующих, работает при относительной влажности 5% (вместо 60%) и недорог в производстве. А установка, в которой он используется, работает на солнечных батареях и полностью автономна. Если устройство, протестированное в долине, увеличить в размерах, с одной тонны геля можно получать 500 литров воды в день — и это в самых суровых условиях пустыни. А в более влажном климате — в 6 раз больше.

Первые установки запустят в производство уже в этом году. Сами разработчики говорят, что MOF-303 — это всего лишь один из способов добычи пресной воды, не отменяющий все остальные. Но все же для многих засушливых регионов новинка может оказаться доступной, и есть надежда, что школьник Сани Абду через год или два, вместо того чтобы таскать на себе полные канистры по утрам, выспится и не опоздает к первому уроку.