Kan saltvatten släcka vår växande törst?

Kan saltvatten släcka vår växande törst?

En alltmer vattenbelastad värld tar en ny titt på avsaltningen. Det verkar enkelt nog: Ta saltet ur vatten så det är drickbart.

Men det är mycket mer komplicerat än det som visas vid första anblicken. Det är också allt viktigare i en värld där sötvattenresurser gradvis spänns av befolkningstillväxt, utveckling, torka, klimatförändringar och mer. Det är därför som forskare och företag från USA till Australien finjusterar ett århundradet gammalt koncept som kan vara framtiden för att släcka världens törst.

"När det gäller att öka vattenförsörjningen har du fyra alternativ: Öka din mängd återanvändning, öka lagringsutrymmet, spara det eller vända dig till en ny källa", säger Tom Pankratz, avsaltningskonsult och nuvarande redaktör för veckohandeln Vattenavsaltningsrapport. "Och för många platser runt om i världen är den enda nya källan avsaltning."

Kostsam process

Avsaltningsteknik har funnits i århundraden. I Mellanöstern har människor förångat långsamt grundvatten eller havsvatten, sedan kondenserade ångan för att producera saltfritt vatten för att dricka eller, i vissa fall, för bevattning av jordbruket.

Med tiden har processen blivit mer sofistikerad. De flesta moderna avsaltningsanläggningar använder omvänd osmos, där vatten pumpas vid högt tryck genom semipermeabla membran som avlägsnar salt och andra mineraler.

Worldwide om 300 miljoner människor får lite sötvatten från mer än 17,000 avsaltningsanläggningar i 150-länder. Mellanösternländerna har dominerat den marknaden av nödvändighet och tillgång till energi, men med hot av sötvattenbrist sprider sig världen över, går andra snabbt i sina led. Industrikapaciteten ökar om 8 procent per år, enligt Randy Truby, comptroller och tidigare president för International Desalination Association, en branschgrupp med "verksamhetsbrott" på platser som Australien och Singapore.

I USA byggs en $ 1 miljard-anläggning i Carlsbad, Kalifornien, för att ge cirka 7 procent av dricksvattenbehoven för San Diego-regionen. När det går online i slutet av 2015 blir det det största i Nordamerika, med en kapacitet på 50-miljon-gallon per dag. Och Kalifornien har för närvarande om 16 avsaltningsanläggningsförslag i verk.


Få det senaste från InnerSelf


Det mesta av vattnet på jorden finns i oceanerna och andra saltvattenförekomster.

Men avsaltning är dyrt. En tusen gallons sötvatten från en avsaltningsanläggning kostar den genomsnittliga amerikanska konsumenten $ 2.50 till $ 5, säger Pankratz jämfört med $ 2 för konventionellt sötvatten.

Det är också en energihöna: Avsaltningsanläggningar runt om i världen konsumerar mer än 200 miljoner kilowatt-timmar varje dag, med energikostnader uppskattas 55 procent av anläggningarnas totala drift och underhållskostnader. Det tar mest omvända osmosanläggningar om 3 till 10 kilowatt-timmar energi för att producera en kubikmeter sötvatten från havsvatten. Traditionella dricksvattenreningsverk brukar använda bra under 1 kWh per kubikmeter.

Och det kan orsaka miljöproblem, från att förskjuta havsboende varelser för att negativt ändra saltkoncentrationerna kring dem.

Forskning kring en uppsättning av avsaltningsförbättringar på havsvatten pågår för att göra processen billigare och mer miljövänlig - bland annat minska beroendet av fossilbränsle härledd energi, vilket förhindrar den onda cykeln genom att bidra till klimatförändringar som i första hand bidrar till sötvattenbrist.

Membranuppgradering

De flesta experter säger att omvänd osmos är lika effektiv som den kommer att få. Men vissa forskare försöker klämma mer genom att förbättra membranerna som används för att separera salt från vatten.

Membran som för närvarande används för avsaltning är huvudsakligen tunna polyamidfilmer som rullas in i ett ihåligt rör genom vilket vattnet viker. Ett sätt att spara energi är att öka membranens diameter, vilket är direkt korrelerat med hur mycket sötvatten de kan göra. Företagen flyttar i allt högre grad från 8-tum till 16-tums membran, som har fyra gånger aktiva områden.

"Du kan producera mer vatten samtidigt som du minskar fotavtrycket för utrustningen", säger Harold Fravel Jr., verkställande direktör för American Membrane Technology Association, en organisation som utvecklar användningen av vattenreningssystem.

Mycket membranforskning är inriktad på nanomaterial - material om 100,000 gånger mindre än diametern hos ett mänskligt hår. Massachusetts Institute of Technology forskare rapporterade i 2012 att ett membran av ett 1-atom tjockt ark kolatomer som kallas grafen kan fungera lika bra och kräver mindre tryck att pumpa vatten genom polyamid, vilket är ungefär tusen gånger tjockare. Mindre tryck betyder mindre energi för att driva systemet, och därmed sänka energireklarna.

Grafen är inte bara hållbar och otroligt tunn, men i motsats till polyamid är den inte känslig för vattenbehandlingsföreningar som klor. I 2013 patenterade Lockheed Martin perforenmembranet, som är en atom tjock med hål som är tillräckligt små för att fälla salt och andra mineraler men det tillåter vatten att passera.

En annan populär nanomateriallösning är kolnanorör, säger Philip Davies, en forskare från Aston University som specialiserat sig på energieffektiva system för vattenbehandling. Kolfanorörerna är attraktiva av samma skäl som grafen - starkt, slitstarkt material som är packat i ett litet paket - och kan absorbera mer än 400 procent av sin vikt i salt.

Membran måste bytas ut så att koldnanorörens hållbarhet och hög absorptionshastighet kan minska utbytesfrekvensen, vilket sparar tid och pengar.

Membranteknik alla "låter sexigt, men det är inte lätt," säger Pankratz. "Det finns tekniska utmaningar när man gör något så tunt som fortfarande upprätthåller integritet."

Grafen och kolnanorör är årtionden borta från utbredd användning, säger Wendell Ela, en professor i kemisk och miljöteknik i Arizona. "Jag ser dem ha en inverkan, men det är en väg ut."

Truby sade hinder för kommersialisering inbegriper konstruktion av så små material och gör nya membran kompatibla med nuvarande växter och infrastruktur.

"Det blir nyckeln till att uppgradera system utan att riva ner dem och bygga en helt ny anläggning", säger han.

Framåt Osmos

Andra ser bortom omvänd osmos till en annan process som kallas framåtriktad osmos. Vid framåtriktad osmos dras havsvatten in i systemet med en lösning som har salter och gaser, vilket skapar en hög osmotisk tryckskillnad mellan lösningarna. Lösningarna passerar genom ett membran tillsammans och lämnar salterna bakom.

Ela säger att osmos kommer "troligen vara mest effektiv som förbehandling och inte som en fristående behandling vid kommersiella havsvattenväxter" eftersom omvänd osmos fungerar bättre i stor skala. Som förbehandling kan framåtriktad osmos förlänga livslängden för omvänd osmos membran och främja övergripande systemhälsa genom att minska de desinfektionsmedel som behövs och andra förbehandlingstillgångar.

Processen ska använda mindre energi än omvänd osmos, säger Ela, eftersom den drivs av termodynamik. Men i förra sommaren rapporterade MIT-forskare att framåtriktad osmos för avsaltning kan bli mer energiintensiv än omvänd osmos på grund av den höga saltkoncentrationen i lösningen som kommer från det första steget.

Brittiskt företag Modernt vatten driver den första kommersiella främre osmosanläggningen i Oman, på den arabiska halvöns sydostkust. Vid 26,000 gallon per dag har systemet en mycket mindre kapacitet än de flesta storskaliga omvänd osmosystem. Företagets tjänstemän returnerade inte begäran om kommentarer till anläggningen. En företagsrapport noterade dock att anläggningen hade en 42-procentminskning i energi jämfört med omvänd osmos.

Heather Cooley, vattenprogram direktör med Pacific Institute, en Kalifornienbaserad hållbarhetsforskningsorganisation, säger att de flesta framåtriktade osmosteknologier fortfarande finns i forsknings- och utvecklingsfasen, och att kommersiell användning är fem till 10 år ut.

Utspädningslösning

Ett annat tillvägagångssätt för att minska energikostnaden för avsaltning är RO-PRO eller omvänd osmostryckshämmad osmos. RO-PRO fungerar genom att passera en försämrad sötvattenkälla, såsom avloppsvatten, genom ett membran i mycket saltlösningslösningen kvar från omvänd osmos, som normalt skulle släppas ut till havet. Blandningen av de två producerar tryck och energi som används för att driva en omvänd osmospump.

Inspirerad av ett system som används av Statkraft, en norge-baserad vattenkraft och förnybar energi företag, University of Southern California miljöteknik professor Amy Childress och kollegor nu piloting RO-PRO i Kalifornien. Childress säger "optimistiska" uppskattningar visar att RO-PRO kan minska den energi som behövs för omvänd osmos 30-procent. Hon noterar att vissa ospecificerade företag har visat intresse för sin pilot.

Återskapande och förnybar energi

Fravel säger att många växter försöker återvinna energi från processen. Turboladdare, till exempel, tar kinetisk energi från den utgående strömmen av koncentrerat saltvatten och applicerar det på sidan av inkommande havsvatten. "Du kan ha 900 [pounds per square inch] på matningssidan och koncentratet kan komma ut på 700 psi. Det är mycket energi i koncentratströmmen, säger han.

Att införliva förnybara energikällor i energiinsatssidan av saker är ett särskilt lovande tillvägagångssätt för att förbättra avsaltningens hållbarhet. Att ta bort vatten innan det går till membran kan också spara energi. "Ju bättre du kan rengöra vatten innan det går i omvänd osmos, desto bättre går det," säger Fravel. Växter i Bahrain, Japan, Saudiarabien och Kina använder förbehandling för en mjukare omvänd osmosprocess.

Att införliva förnybara energikällor i energiintagssidan av saker är ett särskilt lovande tillvägagångssätt för att förbättra avsaltningens hållbarhet. För närvarande kommer en beräknad 1-procent av avsaltat vatten från energi från förnybara källor, främst i småskaliga anläggningar. Men större växter börjar lägga till förnyelsebara energikällor.

Efter år av kampen mot torka tog Australien sex avsaltningsanläggningar online från 2006 till 2012 och investerade mer än $ 10 miljarder. Växterna använder alla förnybara energikällor för kraft, mestadels genom närliggande vindkraftparker som sätter energi i nätet, säger Pankratz. Och vattenavsaltningsanläggningen i Sydney, som levererar cirka 15-procent av vatten till Australiens mest befolkade stad, drivs av förskjutningar från 67-turbinen Capital Wind Farm om 170 miles i söder.

Solenergi är attraktiv för många tunga avsaltningsländer - särskilt de i Mellanöstern och Karibien där solen är riklig. I ett av de mer ambitiösa projekten meddelade Förenade Arabemiraten energiselskapet Masdar i 2013 att det arbetar på världens största soldrivna avsaltningsanläggning, som kan producera mer än 22 miljoner gallon per dag, med en planerad lansering i 2020.

Miljöpåverkan

Planer för att använda havsvatten måste naturligtvis ta hänsyn till konsekvenserna för havslivet. Många avsaltningsanläggningar använder öppna havsintag; Dessa screenas ofta, men avsaltningsprocessen kan fortfarande döda organismer under intag eller inuti växtens behandlingsfaser, säger Cooley. Nya underjordiska intag, som går under sanden för att använda det som ett naturligt filter, kan hjälpa till att lindra denna oro.

Det finns också problemet med hur man får av med mycket mycket rent vatten efter avsaltning. Varje två gallon som en anläggning innebär betyder en liter drinkbart vatten och en liter vatten som är ungefär dubbelt så salt som när den kom in. De flesta växter släpper ut detta i samma vattenkälla som fungerar som intagskälla.

Ela säger att mindre växter, som framåtsmältningsanläggningen i Oman, kan vara framtiden för avsaltningstekniken. RO-PRO-tekniken erbjuder ett sätt att minska saltkoncentrationen i urladdningen, vilket kan skada bottenboende varelser. En annan metod som blir populär är användningen av diffusorer, en serie munstycken som ökar volymen av havsvattenblandning med koncentratutloppet som förhindrar fläckar med högt salt.

I en av de nyare nyligen genomförda studierna om havsavlopp uppvärmde Davies of Aston University upp briny urladdning med solenergi för att omvandla magnesiumklorid till magnesiumoxid, vilket han kallar "ett bra agent för att absorbera koldioxid". Forskningen är fortfarande den nascent stadier, men kan ha den dubbla miljöfördelen med att minska utsläpp och avlägsna CO2 från havet med solkraft för att zap koncentratet.

Storlek Wise

Ela säger att mindre växter, som framåtsmältningsanläggningen i Oman, skulle kunna vara framtiden för avsaltningstekniken. Många av de nyare innovationerna kan göra ekonomisk förnuft i mindre skala, och företag skulle inte behöva investera så mycket i infrastruktur, säger han.

"I stället för stora växter kan vi komma ner till 10,000 gallon per dag avsaltningsanläggningar", säger Ela. "Jag ser decentralisering och små avsaltningsanläggningar som betjänar små samhällen."

Detta skulle också ge miljömässiga fördelar som att låta förnybar energi spela en större roll, eftersom det är mycket lättare att driva små växter med sol och vind än stora, säger han.

Pankratz säger att avsaltning alltid blir dyrare än att behandla sötvatten. Ändå kommer innovationer att hjälpa avsaltningen bli ett alltmer fungerande alternativ, eftersom efterfrågan på sötvatten växer i en alltmer törstig värld.

Visa Ensia hemsida Denna artikel publicerades ursprungligen på Ensia

Om författaren

Bienkowski brianBrian Bienkowski tjänar som redaktör för Environmental Health News och dess systerwebbplats, The Daily Climate. Han har en magisterexamen i miljöjournalistik och en kandidatexamen i marknadsföring från Michigan State University. Han bor med sin miniatyrdäck, Louie, i Lansing, Michigan.

Relaterad bok

{amazonWS: searchindex = Böcker, nyckelord = 082138838X; maxresults = 1}

enafarzh-CNzh-TWnltlfifrdehiiditjakomsnofaptruessvtrvi

följ InnerSelf på

facebook-icontwitter-iconrss-icon

Få det senaste via e-post

{Emailcloak = off}