नई विधि समुद्री पानी को बिना कचरे के पीने के पानी में बदलती है

• सौर-तापीय desalination system काले धातु पैनल पर पानी की पतली परत ऊपर खींचकर सौर विकिरण को अवशोषित करता है, पानी को आसुत करता है, और रासायनिक additives तथा brine उप-उत्पादों के बिना ताज़ा पानी बनाता है
• मौजूदा reverse osmosis और thermal distillation ऊर्जा-गहन हैं और pre- तथा post-processing की ज़रूरत होती है, जबकि समुद्र में लौटाया गया brine लवणता बढ़ाकर और ऑक्सीजन घटाकर समुद्री जीवों को नुकसान पहुंचाता है
• University of Rochester के शोधकर्ताओं ने femtosecond laser से उकेरी गई superwicking काली धातु सतह पर ऐसा डिज़ाइन बनाया, जिसमें सक्रिय क्षेत्र desalination जारी रखता है और बिना-प्रोसेस किए गए किनारे बचे हुए नमक और खनिजों को ग्रहण करते हैं
• वास्तविक Pacific, Atlantic और Indian Ocean के जल नमूनों के परीक्षण में coffee-ring effect की मदद से नमक और खनिजों को passive क्षेत्र में भेजकर सतह की self-cleaning हुई और पैनल की दक्षता घटे बिना उन्हें एकत्र किया गया
• यही पैनल नमक को लगभग 100% ठोस रूप में निकाल सकता है, और Great Salt Lake के जल नमूने में desalination के बाद बचे नमक से लगभग 50% lithium निकाला गया

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ऊर्जा-कुशल desalination system रासायनिक additives के बिना ताज़ा पानी बनाता है और बचे हुए नमक को उपयोगी पदार्थों में बदलता है

• UN के अनुमान के अनुसार 2.2 अरब लोगों के पास सुरक्षित रूप से प्रबंधित पीने का पानी नहीं है, और California से Middle East तक कई समुदाय समुद्री पानी को ताज़ा पानी में बदलने के लिए desalination facilities पर निर्भर हैं
• reverse osmosis और thermal distillation जैसी सामान्य desalination technologies ऊर्जा-गहन हैं, पानी के pre- और post-treatment की ज़रूरत होती है, और केंद्रित खारे पानी के उप-उत्पाद brine को छोड़ती हैं
  • जब brine को वापस समुद्र में छोड़ा जाता है, तो यह पानी की लवणता बढ़ाता है और ऑक्सीजन घटाता है, जिससे समुद्री जीवन को नुकसान होता है
• University of Rochester के Institute of Optics के शोधकर्ताओं ने एक नई सौर-तापीय desalination प्रक्रिया विकसित की है, जो brine नहीं छोड़ती और pre-treatment के लिए रासायनिक additives की भी ज़रूरत नहीं पड़ती
  • Chunlei Guo के नेतृत्व वाली टीम ने इस विधि को Light: Science & Applications शोध-पत्र में प्रकाशित किया
• इस तकनीक का केंद्र femtosecond laser से etched काला धातु पैनल है, जिसकी सतह प्रकाश को बहुत अच्छी तरह अवशोषित करती है और पानी को मज़बूती से आकर्षित करने वाली superwicking विशेषता रखती है
  • laser-processed सक्रिय क्षेत्र सतह पर पानी की पतली परत खींचता है, लगभग पूरा सौर विकिरण अवशोषित करता है, और पानी को आसुत करता है
  • बचा हुआ नमक और खनिज पैनल के बिना-प्रोसेस किए गए किनारों, यानी passive क्षेत्र, की ओर चले जाते हैं, ताकि वे सक्रिय क्षेत्र को अवरुद्ध न करें
  • यह डिज़ाइन उस समस्या से बचने के लिए है जिसमें नमक सक्रिय क्षेत्र को बंद कर निरंतर desalination में बाधा डालता है

‘coffee-ring’ effect का उपयोग और कचरे को संसाधन में बदलना

• ‘coffee-ring’ effect का उपयोग

  • पहले के सौर-तापीय desalination शोध में केवल पानी और sodium chloride से बनाए गए simulated seawater की लैब स्थितियों में अच्छे परिणाम मिले हैं
  • पानी के वाष्पित होने पर sodium chloride कणीय और छिद्रयुक्त रूप में crystallize होता है, जिससे पानी गुजरते समय नमक को घोल सकता है और सौर पैनल को साफ करना भी आसान रहता है
  • लेकिन वास्तविक समुद्री पानी की संरचना कहीं अधिक जटिल होती है, इसलिए field test में समस्याएँ आने की प्रवृत्ति रहती है
  • magnesium और calcium आधारित पदार्थ जैसे समुद्री पानी के घटक सौर पैनल की सतह पर कठोर और गैर-छिद्रयुक्त परत के रूप में crystallize होकर सतह को जाम कर देते हैं
  • यह वैसा ही है जैसे समय के साथ shower head बंद हो जाता है या kettle में परत जम जाती है, लेकिन समुद्री पानी में नल के पानी की तुलना में सैकड़ों गुना अधिक नमक होता है
  • शोधकर्ताओं ने काली धातु की grooves को सटीक रूप से etch किया ताकि समुद्री पानी के विभिन्न नमक और खनिज सतह से अलग होकर हट सकें
  • coffee-ring effect वह घटना है जिसमें कॉफी की एक बूंद सूखने के बाद किनारों पर सघन कॉफी कणों की एक रिंग छोड़ देती है
  • इसी सिद्धांत का उपयोग नमक को passive क्षेत्र की ओर ले जाने में किया गया
  • Pacific, Atlantic और Indian Ocean के जल नमूनों के परीक्षण में सतह की self-cleaning की पुष्टि हुई
  • ताज़ा पानी निकालते समय बचा हुआ नमक passive क्षेत्र में भेज दिया जाता है और बाद में एकत्र किया जा सकता है
  • इस प्रक्रिया में पैनल की दक्षता में कोई गिरावट नहीं आई

• कचरे को संसाधन में बदलना

  • इस नई desalination विधि का स्पष्ट लाभ यह है कि संसाधित या निपटान योग्य खारे अपशिष्ट जल को छोड़ने के बजाय यह नमक को लगभग 100% ठोस रूप में निकालती है
  • यह खाने के नमक का एक प्रचुर स्रोत बन सकता है, और electric vehicles तथा electronics में उपयोग होने वाली lithium-ion batteries के lithium जैसे अधिक मूल्यवान खनिजों के निष्कर्षण में भी काम आ सकता है
  • संबंधित Journal of Materials Chemistry A शोध-पत्र में दिखाया गया है कि इसी superwicking सौर पैनल का उपयोग desalination प्रक्रिया के दौरान lithium को अन्य नमकों से अलग करने के लिए किया जा सकता है
  • काली धातु की सतह की सूक्ष्म grooves में hydrogen titanate nanoparticles डालकर lithium को अन्य नमकों और खनिजों से अलग किया जाता है
  • Guo का कहना है कि ज़मीन से lithium की mining ऊर्जा और पर्यावरण दोनों दृष्टियों से बहुत बोझिल है, इसलिए खारे पानी से सीधे lithium प्राप्त करना भविष्य का एक महत्वपूर्ण मार्ग बन सकता है
  • Great Salt Lake के जल नमूने पर किए गए प्रयोग में desalination के बाद बचे नमक से लगभग 50% lithium निकाला गया
  • superwicking desalination तकनीक को छोटे उपकरण के proof of concept में प्रदर्शित किया जा चुका है, और Guo का मानना है कि यह तकनीक स्केलेबल है तथा दुनिया भर में पीने के पानी की उपलब्धता और मूल्यवान खनिजों की supply chain की sustainability को बेहतर बना सकती है

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Hacker News की राय

• desalination के लिए मूलभूत न्यूनतम ऊर्जा चाहिए
  मतलब यह कि desalinated पानी जब बचे हुए brine की तरफ osmotic pressure के कारण piston को धकेले, तो उससे वापस मिलने वाली ऊर्जा से कम ऊर्जा में यह संभव नहीं है, और यह मान बड़ा है
  यह पेपर heat-based तरीका है, इसलिए इसमें electric input नहीं है, लेकिन efficiency का दावा करना है तो उसी क्षेत्रफल को solar panel के लिए इस्तेमाल करके मौजूदा setup चलाने की स्थिति से तुलना करनी चाहिए
  मेरी सीमित समझ के अनुसार मौजूदा reverse osmosis ऊर्जा के लिहाज़ से सैद्धांतिक optimum के काफ़ी करीब है, और मुख्य मुश्किल membrane clogging को संभालने जैसी operational समस्या है। बेशक reverse osmosis भी बारिश से महँगा है
  लेकिन crystalline salt को सीधे बनाना दिलचस्प है, क्योंकि उसका volume brine से कम होता है, इसलिए उसे संभालना आसान हो सकता है और शायद उसकी कुछ value भी हो

  • heat-based तरीकों को भी ऊर्जा चाहिए, और यह substrate नमक को खींचने वाली सामग्री से ज़्यादा solar heat absorption properties को बनाए रखने में असरदार लगता है
    इसमें कहा गया है: “Pacific, Atlantic और Indian Ocean के water samples पर solar desalination technique की testing के बाद, Guo टीम surface को self-cleaning बना पाई। यानी fresh water निकालकर बचे हुए नमक को passive zone में भेजा जा सकता था ताकि बाद में उसे इकट्ठा किया जा सके, और panel efficiency भी कम नहीं हुई”
    यह “बहुत बड़ा” सुधार कम और मध्यम स्तर का सुधार ज़्यादा लगता है, albedo में बदलाव भी शायद सीमित होगा, और प्रति क्षेत्रफल solar energy input तो वही रहेगा
    इस process की लागत पर निर्भर करते हुए net present value के हिसाब से दोनों लगभग बराबर पड़ सकते हैं
  • अगर इसे mine wastewater पर लागू किया जा सके, तो यह “शायद मूल्यवान” नहीं बल्कि लगभग निश्चित रूप से मूल्यवान होगा
    क्योंकि acidic wastewater lakes ज़मीन के भीतर से हर तरह की कीमती धातुएँ घोल कर लाते हैं
  • सिर्फ़ शुद्ध energy efficiency देखने से economic efficiency छूट सकती है
    reverse osmosis desalination plant को pump चलाने के लिए बिजली चाहिए, और वह बिजली 15~20% efficiency वाले panel से बनाई जा सकती है
    अगर सस्ते thermal desalination panel बनाए जा सकें, तो energy efficiency 6 गुना कम होने पर भी वे आगे निकल सकते हैं, क्योंकि महँगे और नाज़ुक desalination plant से बचते हुए low-skill और distributed configuration संभव हो जाती है
  • brine को बस वहीं वापस pump किया जा सकता है जहाँ से वह आया था, इसलिए उसे संभालना बहुत आसान है
    इसके उलट solid crystalline salt ज़्यादा झंझट वाला है
  • reverse osmosis, reject water कितना स्वीकार्य है इस पर निर्भर करते हुए, सैद्धांतिक न्यूनतम का 2~4 गुना होता है

• पेपर यहाँ है: https://www.nature.com/articles/s41377-026-02315-4
  अभी यह glass vessel के अंदर laboratory scale पर है, और छोटे स्तर पर भी वास्तव में उपयोगी system बनाने के चरण तक नहीं पहुँचा है
  बड़ा दावा यह है कि यह clog नहीं होगा; capillary action नमक को active area के बाहर किसी दूसरे area में ले जाती है, और वहाँ से कोई अभी तक विकसित न हुआ mechanism उसे हटाता है। इस हिस्से को साबित करना बाकी है
  अगर वे ऐसा कुछ बना सकें जो कई साल तक clog हुए बिना और active material बदले बिना चलता रहे, तो वह सचमुच प्रगति होगी
  laser surface treatment पहले से जानी-पहचानी तकनीक है: https://www.youtube.com/watch?v=BKYOglHYo_Y
  paint की तैयारी में चिकनी सतह को बहुत संरचित तरीके से rough बनाकर अंतिम painted surface को smooth रखने में यह उपयोगी है
  sandblasting से rough करने पर पहला paint layer कुछ अनियमित हो जाता है, इसलिए फिर sanding करके दोबारा paint करना पड़ता है
  automotive painting में laser roughening आज़माया गया था, लेकिन मुख्यधारा नहीं बन पाया; यहाँ अच्छा सवाल यह है कि क्या commercial laser surface treatment equipment इस नई process की सामग्री बना सकता है

  • इससे Panama Canal के निर्माण की याद आती है
    पहला large-scale प्रयास विफल हुआ और छोड़ दिया गया, लेकिन दूसरे प्रयास में सीखी गई बात यह थी कि खुदाई सबसे कठिन समस्या नहीं थी, मिट्टी हटाना सबसे कठिन था। मिट्टी की मात्रा वाकई बहुत ज़्यादा थी
    इससे जुड़ी Path Between the Seas सचमुच बहुत अच्छी किताब है और उसे छोड़ना मुश्किल था
  • तकनीक दिलचस्प है, लेकिन शक भी काफ़ी है
    तस्वीरों में दिखता है कि सतह पर थोड़ा नमक जमा है, और इस तरह के system के लिए वह थोड़ा भी बहुत ज़्यादा लगता है
    फिर भी उम्मीद है कि यह अच्छी तरह काम करे और scale हो सके

• यह शायद 4 दिन पहले 20 comments वाले उसी University of Rochester article जैसा लगता है
  https://news.ycombinator.com/item?id=48349507

• “समुद्री पानी को पीने योग्य पानी में बदलने” का सबसे efficient तरीका बारिश है
  मूलतः दुनिया की सबसे बड़ी solar desalination system के output को बस बेहतर तरीके से collect और transport करने की ज़रूरत है

  • यह जगह पर निर्भर करेगा, लेकिन पानी को धीरे-धीरे बहने देना fresh water सुरक्षित करने के सबसे अच्छे तरीकों में से एक है
    ढलान पर बहने की रफ़्तार धीमी करने से vegetation बढ़ती है, वह vegetation खुद भी पानी रोकती है, और पानी को ज़मीन में रिसने का ज़्यादा समय मिलता है, जिससे स्थानीय wells को भी मदद मिलती है
    रेगिस्तानी इलाकों को भी पूरी तरह “terraform” किया जा सकता है: https://youtube.com/shorts/cfhbtgon4Nk?is=oAExB5UeMAsShBux
  • फिर भी ऐसे समय आते हैं जब बारिश नहीं होती, और खासकर coastal regions में desalination capacity बहुत महत्वपूर्ण हो सकती है

• Rochester से आया research देखना अच्छा लगता है। चाहे RIT हो, UofR हो या आसपास के दूसरे schools, academic दृष्टि से यह सचमुच कम आंका गया क्षेत्र है

  • मैं UofR में physics graduate रहा हूँ और LLE में भी काम किया है, इसलिए Rochester के schools के underrated होने वाली बात से सहमत हूँ। हालाँकि मैं थोड़ा biased हो सकता हूँ
    कम से कम science fields में मुझे ऐसे बहुत से मौक़ों तक पहुँच मिली, जिन्हें ज़्यादा मशहूर schools में पाना मुश्किल होता
    इसने मेरी ज़िंदगी की बुनियाद ऐसे तरीके से बनाई जो शायद किसी और जगह मुश्किल होती
  • यही university room-temperature superconductor भी दे चुकी है
  • RIT alumnus के तौर पर मैं भी मोटे तौर पर सहमत हूँ
  • Laboratory for Laser Energetics को भी सराहना मिलनी चाहिए
  • मेरे हिसाब से RIT एक अच्छे school के रूप में काफ़ी जाना-पहचाना है

• यह थोड़ा अजीब सवाल हो सकता है, लेकिन क्या dehumidifier पर solar panel लगाकर रेगिस्तान के बाहर कहीं भी कृषि सिंचाई के लिए बड़े पैमाने पर गैर-पेय जल बनाना संभव होगा? अगर नहीं, तो क्यों?

  • इसे scale करना हो तो ऊर्जा बहुत ज़्यादा लगती है और पानी बहुत धीरे बनता है
    आम तौर पर जिन इलाकों में हवा में इतनी नमी होती है कि इस तरीके पर विचार किया जा सके, वहाँ पहले से ही बारिश और groundwater तक अधिक आसानी से पहुंच होती है
  • संक्षेप में कहें तो ऐसी समस्याएँ पहले ही हल हो चुकी हैं
    Israel अपने पेयजल का 75~85% desalination से प्राप्त करता है, और असली समस्या राजनीतिक और आर्थिक dysfunction की है
    उदाहरण के लिए California 1970s की तकनीक और nuclear power के साथ व्यापक desalination कर सकता था, और reservoirs तथा aqueducts का भी बड़ा विस्तार कर सकता था, लेकिन उसने ऐसा नहीं किया
    यह काफी हद तक वैसा ही है जैसे 400s के Rome ने पुरानी सभ्यताओं द्वारा बनाए गए aqueducts का उपयोग तो किया, लेकिन नए बनाने की क्षमता खो दी
  • अगर “काम करता है” से आपका मतलब इतना भर है, तो बाज़ार में मिलने वाले air-to-water घोटालों के 99% इसी तरीके पर आधारित हैं
    यह वास्तव में इसलिए काम का नहीं है क्योंकि यह बेहद inefficient है। पानी को condense करने के लिए भारी मात्रा में ऊष्मा कहीं न कहीं छोड़नी पड़ती है, और यह भौतिकी की एक मूलभूत सीमा है
    ऊपर से, जहाँ dehumidifier काफ़ी प्रभावी होता है, वहाँ आम तौर पर वातावरण नम होता है और अक्सर पानी की कमी इतनी गंभीर नहीं होती। रेगिस्तान में humidity बहुत कम होती है, इसलिए dehumidifier लगभग पानी बना ही नहीं पाता
    नम वातावरण में एक अच्छा dehumidifier भी दिन भर में लगभग 10 लीटर पानी बनाने के लिए kW-स्तर की बिजली खा जाता है
    पृथ्वी पर ऐसे स्थान वास्तव में मौजूद हैं जो लगभग रेगिस्तान हैं, लेकिन जहाँ बहुत सुबह नियमित रूप से नम कोहरा आता है, और ऐसे स्थानों ने refrigeration cycle के आविष्कार से बहुत पहले ही हवा से पानी इकट्ठा करना सीख लिया था
    सचमुच desalination ही सस्ता पड़ता है
    समुद्री पानी से भरा एक विशाल greenhouse बनाकर, उसे सूरज से evaporate करवाकर, फिर dehumidifier से पानी इकट्ठा करना भी संभव हो सकता है, लेकिन तब भी वह हास्यास्पद रूप से inefficient रहेगा। पानी की specific heat बहुत अधिक होती है, इसलिए ऊष्मा के जरिए उसे अलग करने वाला कोई भी रास्ता भारी ऊर्जा खर्च करता है
  • जिन नम इलाकों में यह काम कर सकता है, वहाँ पहले से ही पानी अधिक होने की संभावना है
  • “काम करेगा” का मतलब क्या है, इस पर निर्भर करता है
    बाज़ार का कोई भी dehumidifier पर्याप्त पानी नहीं बना पाएगा, इसलिए आप 80,000 डॉलर खर्च कर बैठेंगे, और बेहतर होता कि सीधे पानी की डिलीवरी मंगा लेते

• सोच रहा हूँ कि क्या photomolecular effect को जोड़ने से energy efficiency और बढ़ सकती है
  https://news.mit.edu/2024/how-light-can-vaporize-water-witho...

• मैं लंबे समय से सोचता रहा हूँ कि Red Sea तट पर समुद्री पानी से भरी नहरें बनाकर, उस पानी को कांच की छत के नीचे evaporate होने दिया जाए ताकि freshwater बने, और बचा हुआ salt खनन कर लिया जाए—ऐसी संरचनाएँ हर जगह क्यों नहीं दिखतीं
  रेत → कांच → गरम समुद्री पानी → freshwater + minerals → ??? → इससे कोई viable business model बनता हुआ लगता है
  अगर इसमें mangrove plantation भी जोड़ दिया जाए, तो क्या रेगिस्तानी तट और अधिक जीवन को सहारा नहीं दे सकते?
  यह तकनीक scalable है या नहीं, और पानी को कितनी तेज़ी से process कर सकती है, यह भी जानना चाहता हूँ। यदि इसे transparent solar panels के साथ जोड़ा जाए, तो यह काफ़ी शानदार तकनीक हो सकती है

  • एक थोड़ा अलग विचार यह भी था कि Red Sea का पानी लाकर उसे concentrate किया जाए और फिर Dead Sea में छोड़ा जाए ताकि उसके जलस्तर को स्थिर किया जा सके। Dead Sea का जलस्तर एक बड़ी समस्या है
    लगभग 1 अरब डॉलर खर्च हो चुके हैं, लेकिन वित्तीय, राजनीतिक और पर्यावरणीय समस्याएँ एक साथ उलझने के कारण परियोजना फिलहाल रुकी हुई है
    https://en.wikipedia.org/wiki/Red_Sea%E2%80%93Dead_Sea_Water...
  • अगर आप कभी समुद्र तट पर गए हों, तो आपने नमकीन हवा, सड़ती seaweed की गंध, और पक्षियों की आवाज़ें महसूस की होंगी
    वह सब कुछ कांच के ऊपर और नीचे चिपकता जाएगा, और अंततः बचा हुआ salt भी जमने लगेगा
    बचा हुआ salt उसे ढोने वाली संरचनाओं या मशीनों के लिए बहुत कठोर साबित होता है, इसलिए बड़े कांच के ढांचे की मरम्मत भी झंझट बन जाती है
    और अगर इतना सब करने पर बदले में सिर्फ धीमी पानी की धार मिले, तो आम तौर पर उसमें कोई खास मूल्य नहीं रहता