Kan zout water onze groeiende dorst lessen?

Kan zout water onze groeiende dorst lessen?

Een wereld waarin de wereld steeds meer onder water staat, neemt een nieuwe kijk op ontzilting. Het lijkt eenvoudig genoeg: haal het zout uit het water zodat het drinkbaar is.

Maar het is veel complexer dan het op het eerste gezicht lijkt. Het wordt ook steeds crucialer in een wereld waarin zoetwaterbronnen steeds meer onder druk komen te staan ​​door bevolkingsgroei, ontwikkeling, droogte, klimaatverandering en meer. Dat is de reden waarom onderzoekers en bedrijven uit de Verenigde Staten naar Australië een eeuwenoud concept verfijnen dat de toekomst van het lessen van de dorst van de wereld kan zijn.

"Als het gaat om het vergroten van de watervoorziening, hebt u vier opties: verhoog uw hoeveelheid hergebruik, verhoog opslag, bewaar deze of wend u tot een nieuwe bron", zegt Tom Pankratz, een ontziltingsadviseur en huidig ​​redacteur van de wekelijkse handelspublicatie. Waterontziltingsrapport. "En voor veel plaatsen in de wereld is de enige nieuwe bron ontzilting."

Duur proces

Ontziltingstechnologie bestaat al eeuwen. In het Midden-Oosten hebben mensen brak grondwater of zeewater lang verdampt, en vervolgens de damp gecondenseerd om zoutvrij water te produceren om te drinken of, in sommige gevallen, voor landbouwirrigatie.

In de loop van de tijd is het proces steeds geavanceerder geworden. De meeste moderne ontziltingsinstallaties maken gebruik van omgekeerde osmose, waarbij water onder hoge druk wordt gepompt door semipermeabele membranen die zout en andere mineralen verwijderen.

Wereldwijd krijgen ongeveer 300 miljoen mensen wat zoet water van meer dan 17,000-ontziltingsinstallaties in 150-landen. Landen in het Midden-Oosten hebben die markt gedomineerd vanuit noodzaak en beschikbaarheid van energie, maar met dreigingen van zoetwatertekorten die zich over de hele wereld verspreiden, sluiten anderen zich snel aan bij hun gelederen. De capaciteit van de industrie groeit met 8 procent per jaar, volgens Randy Truby, comptroller en voormalig president van de Internationale Ontziltingsorganisatie, een industriegroep, met "uitbarstingen van activiteit" in plaatsen zoals Australië en Singapore.

In de Verenigde Staten wordt een fabriek van $ 1 miljard gebouwd in Carlsbad, Californië, om ongeveer 7 procent van de drinkwaterbehoeften voor de regio San Diego te bieden. Wanneer het laat in 2015 online gaat, is het de grootste in Noord-Amerika, met een 50-miljoen-gallon-per-dag capaciteit. En Californië heeft momenteel ongeveer voorstellen voor ontzilting van 16 in de fabriek.


Haal het laatste uit InnerSelf


Het meeste water op aarde wordt gevonden in de oceanen en andere zoutwaterlichamen.

Maar ontzilting is duur. Duizend liter zoet water uit een ontziltingsinstallatie kost de gemiddelde Amerikaanse consument $ 2.50 tot $ 5, zegt Pankratz, vergeleken met $ 2 voor conventioneel zoetwater.

Het is ook een energievarken: ontziltingsinstallaties over de hele wereld consumeren meer dan 200 miljoen kilowattuur per dag, met energiekosten een geschat 55 procent van de totale bedrijfs- en onderhoudskosten van de fabrieken. Het kost de meeste omgekeerde osmose-installaties ongeveer 3 tot 10 kilowattuur energie om één kubieke meter zoet water uit zeewater te produceren. Traditionele drinkwaterzuiveringsinstallaties gebruiken meestal goed onder 1 kWh per kubieke meter.

En het kan milieuproblemen veroorzaken door van de oceaan levende wezens te verplaatsen om de zoutconcentraties om hen heen negatief te beïnvloeden.

Onderzoek naar een reeks verbeteringen in zeewaterontzilting is aan de gang om het proces goedkoper en milieuvriendelijker te maken - inclusief het verminderen van de afhankelijkheid van energie afkomstig van fossiele brandstoffen, die de vicieuze cirkel bestendigt door in de eerste plaats bij te dragen aan klimaatverandering die bijdraagt ​​aan zoetwatertekorten.

Membraan-upgrade

De meeste experts zeggen dat omgekeerde osmose net zo efficiënt is als het gaat worden. Maar sommige onderzoekers proberen meer te knijpen door de membranen te verbeteren die worden gebruikt om zout van water te scheiden.

Membranen die momenteel worden gebruikt voor ontzilting zijn hoofdzakelijk dunne polyamidefilms die zijn gerold in een holle buis waardoorheen het water stroomt. Een manier om energie te besparen, is door de diameter van de membranen te vergroten, wat rechtstreeks in verband staat met het aantal zoetwater dat ze kunnen maken. Bedrijven evolueren in toenemende mate van 8-inch naar 16-inch diameter membranen, die vier keer zoveel actief zijn.

"Je kunt meer water produceren en tegelijk de footprint voor de apparatuur verkleinen", zegt Harold Fravel Jr., uitvoerend directeur van de American Membrane Technology Association, een organisatie die het gebruik van waterzuiveringssystemen bevordert.

Veel membraanonderzoek is gericht op nanomaterialen - materialen die ongeveer 100,000 keer kleiner zijn dan de diameter van een mensenhaar. Onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology rapporteerden in 2012 dat een membraan gemaakt van een koolstofatoom van één atoom, grafeen genaamd, net zo goed zou kunnen werken en minder druk nodig heeft om water door te pompen dan polyamide, dat ongeveer duizend keer dikker is. Minder druk betekent minder energie om het systeem te bedienen en dus lagere energierekeningen.

Grafeen is niet alleen duurzaam en ongelooflijk dun, maar is in tegenstelling tot polyamide niet gevoelig voor waterbehandelingsproducten zoals chloor. In 2013 patenteerde Lockheed Martin het Perforene-membraan, dat één atoom dik is met gaten die klein genoeg zijn om zout en andere mineralen op te vangen, maar water doorlaten.

Een andere populaire nanomateriaaloplossing is koolstofnanobuisjes, zegt Philip Davies, een Aston University-onderzoeker die gespecialiseerd is in energie-efficiënte systemen voor waterbehandeling. Koolstofnanobuizen zijn aantrekkelijk om dezelfde redenen als grafeen - sterk, duurzaam materiaal verpakt in een klein pakket - en kunnen meer dan 400 procent van hun gewicht in zout absorberen.

Membranen moeten worden verwisseld, dus de duurzaamheid en hoge opnamesnelheid van koolstofnanobuizen kunnen de vervangingsfrequentie verminderen, wat tijd en geld bespaart.

Membraantechnologie "klinkt allemaal sexy, maar het is niet gemakkelijk", zegt Pankratz. "Er zijn technische uitdagingen bij het maken van iets dat zo dun is dat het nog steeds de integriteit bewaart."

Grafeen en koolstof nanobuisjes zijn tientallen jaren verwijderd van wijdverbreid gebruik, zegt Wendell Ela, hoogleraar chemische en milieutechniek aan de Universiteit van Arizona. "Ik zie ze wel impact hebben, maar het is een uitweg."

Truby zei dat barrières voor commercialisatie onder meer zijn dat zulke kleine materialen worden ontworpen en dat nieuwe membranen compatibel zijn met de huidige installaties en infrastructuur.

"Het is cruciaal om systemen te upgraden zonder ze af te breken en een hele nieuwe fabriek te bouwen," zegt hij.

Voorwaartse osmose

Anderen kijken verder dan omgekeerde osmose naar een ander proces dat bekend staat als forward osmosis. Bij forward osmose wordt zeewater in het systeem gezogen door een oplossing met zouten en gassen, waardoor er een hoog osmotisch drukverschil ontstaat tussen de oplossingen. De oplossingen passeren samen een membraan, waardoor de zouten achterblijven.

Ela zegt dat forward osmosis "waarschijnlijk het meest efficiënt zal zijn als voorbehandeling en niet als een op zichzelf staande behandeling bij commerciële zeewaterplanten" omdat omgekeerde osmose op grote schaal beter presteert. Als voorbehandeling kan voorwaartse osmose de levensduur van de omgekeerde osmose membranen verlengen en de algehele gezondheid van het systeem bevorderen door de benodigde ontsmettingsmiddelen en andere voorbehandelingsopties te verminderen.

Het proces zou minder energie moeten verbruiken dan omgekeerde osmose, zegt Ela, omdat het wordt aangedreven door thermodynamica. Maar afgelopen zomer rapporteerden MIT-wetenschappers dat voorwaartse osmose voor ontzilting energie-intensiever zou kunnen blijken dan omgekeerde osmose vanwege de hoge zoutconcentratie in de oplossing als gevolg van de eerste stap.

Brits bedrijf Modern water exploiteert de eerste commerciële osmose-fabriek in Oman, aan de zuidoostelijke kust van het Arabisch schiereiland. Bij 26,000-gallons per dag heeft het systeem een ​​veel kleinere capaciteit dan de meeste grootschalige omgekeerde osmose-systemen. Bedrijfsfunctionarissen hebben geen verzoeken om commentaar op de fabriek geretourneerd. Uit een bedrijfsrapport bleek echter dat de plant een 42 procent reductie in energie had in vergelijking met omgekeerde osmose.

Heather Cooley, waterprogrammadirecteur bij de Pacific Institute, een Californische duurzaamheidsonderzoeksorganisatie, zegt dat de meeste forward osmose-technologie zich nog in de onderzoeks- en ontwikkelingsfase bevindt, en dat commercieel gebruik vijf tot 10 jaren uit is.

Verdunningsoplossing

Een andere benadering om de energiekosten van ontzilting te verlagen, is RO-PRO of omgekeerde osmose met vertraagde osmose. RO-PRO werkt door een verstoorde zoetwaterbron, zoals afvalwater, door een membraan te leiden in de zoutoplossing die overgebleven is van omgekeerde osmose, die normaal in de oceaan zou worden geloosd. Het mengen van de twee produceert druk en energie die wordt gebruikt om een ​​omgekeerde osmose-pomp van energie te voorzien.

Geïnspireerd door een systeem dat wordt gebruikt door Statkraft, een in Noorwegen gevestigd bedrijf op het gebied van waterkracht en hernieuwbare energie, milieuprofessor Amy Childress van de Universiteit van Zuid-Californië en collega's voeren nu RO-PRO uit in Californië. Childress zegt dat 'optimistische' schattingen aantonen dat RO-PRO de benodigde energie voor omgekeerde osmose 30 procent kan verminderen. Ze merkt op dat sommige niet-gespecificeerde bedrijven interesse hebben getoond in hun pilot.

Heroveren en hernieuwbare energie

Fravel zegt dat veel planten energie vanuit het proces proberen terug te winnen. Turbocompressoren nemen bijvoorbeeld kinetische energie uit de uitgaande stroom geconcentreerd zoutwater en brengen deze opnieuw aan op de zijkant van binnenkomend zeewater. "Mogelijk heeft u 900 [pond per vierkante inch] aan de invoerzijde en het concentraat komt mogelijk uit bij 700 psi. Dat is veel energie in de concentraatstroom, "zegt hij.

Het opnemen van hernieuwbare energiebronnen in de energie-input is een bijzonder veelbelovende aanpak om de duurzaamheid van ontzilting te verbeteren. Het aanleggen van water voordat het naar membranen gaat, kan ook energie besparen. "Hoe beter je water kunt reinigen voordat het in omgekeerde osmose komt, hoe beter het loopt," zegt Fravel. Planten in Bahrein, Japan, Saoedi-Arabië en China gebruiken voorbehandeling voor een soepeler proces van omgekeerde osmose.

Het opnemen van hernieuwbare energiebronnen in de energie-input is een bijzonder veelbelovende benadering om de duurzaamheid van ontzilting te verbeteren. Momenteel is naar schatting 1 procent van ontzout water afkomstig van energie uit hernieuwbare bronnen, voornamelijk in kleinschalige faciliteiten. Maar grotere fabrieken beginnen hernieuwbare energie toe te voegen aan hun energieportfolio.

Na jaren van worstelen met droogte, bracht Australië zes ontziltingsfabrieken online van 2006 naar 2012 en investeerde meer dan $ 10 miljard. De fabrieken gebruiken allemaal wat hernieuwbare energie voor stroom, meestal via nabijgelegen windparken die energie in het net steken, zegt Pankratz. En de ontziltingsfabriek van Sydney Water, die ongeveer 15 procent water levert aan de dichtstbevolkte stad van Australië, wordt aangedreven door compensaties van het 67-turbine Capital Wind Farm over 170 mijl naar het zuiden.

Zonne-energie is aantrekkelijk voor veel zware ontziltingslanden - vooral die in het Midden-Oosten en het Caribisch gebied waar de zon overvloedig aanwezig is. In een van de meer ambitieuze projecten, het energiebedrijf van de Verenigde Arabische Emiraten, Masdar, heeft het in 2013 aangekondigd dat het werkt aan 's werelds grootste ontziltingsfabriek op zonne-energie, die meer dan 22 miljoen gallons per dag kan produceren, met een geplande lancering in 2020.

Milieueffecten

Plannen om zeewater te gebruiken, moeten natuurlijk rekening houden met de gevolgen voor het zeeleven. Veel ontziltingsfaciliteiten gebruiken open oceaaninlaten; deze worden vaak gescreend, maar het ontzoutingsproces kan nog steeds organismen doden tijdens de opname of in de behandelingsfase van de plant, zegt Cooley. Nieuwe subsurface-innames, die onder het zand doorgaan om het als een natuurlijk filter te gebruiken, kunnen deze bezorgdheid helpen verlichten.

Ook is er het probleem van het verwijderen van veel zeer zilt water na ontzilting. Elke twee gallons die een faciliteit inneemt, betekent één liter drinkbaar water en één gallon water dat ongeveer twee keer zo zout is als toen het binnenkwam. De meeste planten lozen dit terug in hetzelfde water dat dienst doet als de inlaatbron.

Ela zegt dat kleinere fabrieken, zoals de osmose-fabriek in Oman, de toekomst van de ontziltingstechnologie kunnen zijn. De RO-PRO-technologie biedt een manier om de zoutconcentratie in de afvoer te verminderen, wat van onderuit levende wezens schadelijk kan zijn. Een andere methode die steeds populairder wordt, is het gebruik van diffusors, een serie nozzles die het volume van zeewatermenging verhogen met de concentraatontlading die vlekken van hoog zout voorkomt.

In een van de meer nieuwe recente studies over oceaanafvoer, heeft Davies van Aston University zinkuitstroom opgewarmd met zonne-energie om magnesiumchloride om te zetten in magnesiumoxide, dat hij 'een goed middel om kooldioxide te absorberen' noemt. ontluikende stadia, maar zou het dubbele milieuvoordeel kunnen hebben van het verminderen van ontlading en het verwijderen van CO2 vanuit de oceaan met behulp van zonne-energie om het concentraat te zappen.

Met betrekking tot grootte

Ela zegt dat kleinere fabrieken, zoals de fabriek voor forward osmose in Oman, de toekomst van de ontziltingstechnologie kunnen zijn. Veel van de nieuwere innovaties kunnen op kleinere schaal economisch zinvol zijn en bedrijven hoeven niet zo veel in infrastructuur te investeren, zegt hij.

"In plaats van grote planten kunnen we per dag ontziltingsinstallaties krijgen voor 10,000-gallons," zegt Ela. "Ik zie decentralisatie en kleine ontziltingsinstallaties voor kleine gemeenschappen."

Dit zou ook milieuvoordelen bieden, zoals het toestaan ​​van hernieuwbare energie om een ​​grotere rol te spelen, omdat het veel gemakkelijker is om kleine planten met zonne- en windkracht aan te drijven dan grote, zegt hij.

Pankratz zegt dat ontzilting altijd duurder zal zijn dan het behandelen van zoet water. Toch zullen innovaties ontzilting helpen een steeds beter werkbare optie te maken naarmate de vraag naar zoet water toeneemt in een steeds dorstiger wordende wereld.

Bekijk de startpagina van Ensia Dit artikel verscheen oorspronkelijk op Ensia

Over de auteur

Bienkowski brianBrian Bienkowski is redacteur van Environmental Health News en zijn zustersite The Daily Climate. Hij heeft een master's degree in milieu-journalistiek en een bachelor's degree in marketing van Michigan State University. Hij woont samen met zijn miniatuur teckel, Louie, in Lansing, Michigan.

Gerelateerd boek

{AmazonWS: searchindex = Books; keywords = 082138838X; maxresults = 1}

enafarzh-CNzh-TWnltlfifrdehiiditjakomsnofaptruessvtrvi

volg InnerSelf op

facebook-icontwitter-iconrss-icoon

Ontvang de nieuwste via e-mail

{Emailcloak = off}