Физика в нашей жизни, страница 265 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Физика в нашей жизни

Графеновый фильтр для очистки и опреснения воды

Ряд ученых для изготовления фильтров, быстро очищающих воду, предполагают использовать графен. Преимущество графеновой мембраны состоит в том, что ее толщина будет порядка 0,3 нм, что позволит ускорить процесс очистки воды. Кроме того, она позволит опреснить морскую воду. Таким образом, графеновый фильтр – незаменимый атрибут в походных условиях и в морских путешествиях.

Но на пути к широкому применению таких высокотехнологических мембран стоит одно значительное препятствие – тонкий материал может порваться, а через образовавшиеся разрывы проникнуть загрязнители. Инженерами Массачусетского технологического института был найден способ восстанавливать разрывы, заполняя их полимерами в результате химического осаждения, но этот метод пока эффективен в лабораторных условиях при постоянном контроле за процессом очистки и состоянием мембраны.

Инженеры из Университета Вашингтона в Сент-Луисе разработали биопленку, состоящую из целлюлозы и оксида графена. Покрыв грязные или соленые водоемы, пленка впитывает в себя воду, как губка, и затем испаряется в верхнем слое под воздействием солнечных лучей, оставляя соли и примеси в фильтре – нижнем слое пленки. Для уничтожения бактерий в биопленку инженеры решили включить кроме графена другие наноструктурные материалы. Продолжается работа над улучшением качества пленки для производства безопасной питьевой воды из любого загрязненного источника (рис. 269).

Рис. 269. Биопленка с содержанием графена для очистки и опреснения воды

Ответьте на вопрос

Как, на ваш взгляд, могли бы измениться технологии очистки и опреснения воды в том случае, если бы процесс производства графеновых мембран стал бы максимально простым?

Ответьте на вопрос

Если бы процесс производства графеновых мембран стал максимально простым и, как следствие, дешевым, это привело бы к революционным изменениям в технологиях очистки и опреснения воды на всех уровнях, от глобального до бытового.

1. Крупномасштабное опреснение и водоснабжение. Современные методы опреснения, такие как обратный осмос, требуют больших энергозатрат. Графеновые мембраны, обладая толщиной всего порядка $0,3 \text{ нм}$ (как указано в тексте), позволили бы значительно снизить требуемое для фильтрации давление. Это привело бы к резкому падению энергопотребления и, соответственно, стоимости опресненной воды. Опреснительные заводы нового поколения могли бы обеспечить пресной водой засушливые прибрежные регионы по всему миру, решая проблему водного дефицита в глобальном масштабе.

2. Бытовое и портативное применение. Простые и дешевые графеновые мембраны сделали бы доступными высокоэффективные бытовые фильтры. Такие устройства могли бы удалять из воды не только хлор и механические примеси, но и бактерии, вирусы, тяжелые металлы и даже соли. Это позволило бы получать питьевую воду высочайшего качества прямо из-под крана. Особое значение приобрели бы портативные фильтры, упомянутые в тексте как "незаменимый атрибут в походных условиях". Устройства, способные опреснять морскую воду или очищать воду из любого источника на месте, стали бы массовыми и доступными. Это имело бы огромное значение для туризма, выживания, а также для гуманитарных операций в зонах стихийных бедствий.

3. Промышленность и экология. В промышленности графеновые фильтры позволили бы создать замкнутые циклы водопользования, эффективно очищая сточные воды для их повторного использования. Это снизило бы как потребление свежей воды, так и сброс загрязняющих веществ в окружающую среду. Появилась бы реальная возможность очистки рек, озер и других водоемов от промышленных и бытовых загрязнений.

Проблема хрупкости мембран, которая сейчас является серьезным препятствием, потеряла бы свою остроту. Если производство фильтров станет дешевым, то поврежденный элемент будет проще и выгоднее заменить, чем ремонтировать. Таким образом, упрощение технологии производства открыло бы путь для повсеместного внедрения графеновых фильтров, что привело бы к кардинальному улучшению качества жизни и состояния экологии на планете.

Ответ:

Если бы процесс производства графеновых мембран стал максимально простым, это привело бы к следующим ключевым изменениям в технологиях очистки и опреснения воды:

1. Глобальное решение проблемы дефицита воды: создание дешевых и энергоэффективных опреснительных станций, способных обеспечить пресной водой засушливые регионы.

2. Повсеместный доступ к чистой воде: появление доступных бытовых и портативных фильтров, способных очищать и опреснять воду из любого источника, что кардинально повысило бы качество жизни и безопасность людей.

3. Экологическая революция: внедрение высокоэффективной очистки промышленных и бытовых стоков, что позволило бы значительно сократить загрязнение водных ресурсов и внедрить системы повторного использования воды.

Простота и дешевизна производства сделали бы графеновые мембраны расходным материалом, что нивелировало бы проблему их хрупкости и открыло бы дорогу к их массовому применению.