Een wereld die steeds meer onder water komt te staan, werpt 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 belangrijker in een wereld waar de zoetwatervoorraden steeds meer onder druk komen te staan ​​door bevolkingsgroei, ontwikkeling, droogtes, klimaatverandering en meer. Dat is de reden waarom onderzoekers en bedrijven van de Verenigde Staten tot Australië een eeuwenoud concept aan het verfijnen zijn dat de toekomst zou kunnen zijn om de dorst van de wereld te lessen.

“Als het gaat om het vergroten van de watervoorziening, heb je vier opties: verhoog de hoeveelheid hergebruik, vergroot de opslag, behoud het of ga over op een nieuwe bron”, zegt Tom Pankratz, ontziltingsconsulent en huidig ​​redacteur van het wekelijkse vakblad. Waterontziltingsrapport. “En voor veel plaatsen in de wereld is ontzilting de enige nieuwe bron.”

Kostbaar proces

Ontziltingstechnologie bestaat al eeuwen. In het Midden-Oosten hebben mensen lang brak grondwater of zeewater 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 geavanceerder geworden. De meeste moderne ontziltingsfaciliteiten maken gebruik van omgekeerde osmose, waarbij water onder hoge druk door semi-permeabele membranen wordt gepompt die zout en andere mineralen verwijderen.

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

In de Verenigde Staten wordt in Carlsbad, Californië, een fabriek ter waarde van $1 miljard gebouwd, die in ongeveer 7 procent van de drinkwaterbehoefte van de regio San Diego zal voorzien. Wanneer het eind 2015 online gaat, zal het de grootste in Noord-Amerika zijn, met een capaciteit van 50 miljoen gallon per dag. En Californië heeft momenteel ongeveer 16 voorstellen voor ontziltingsinstallaties in de maak.

Het meeste water op aarde bevindt zich 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 zoet water.

Het is ook een energievreter: ontziltingsinstallaties over de hele wereld verbruiken meer dan 200 miljoen kilowattuur per dag, waarbij de energiekosten naar schatting 55 procent van de totale exploitatie- en onderhoudskosten van installaties uitmaken. De meeste omgekeerde osmose-installaties hebben ongeveer 3 tot 10 kilowattuur energie nodig om één kubieke meter zoetwater uit zeewater te produceren. Traditionele drinkwaterzuiveringsinstallaties gebruiken doorgaans ruim minder dan 1 kWh per kubieke meter.

En het kan milieuproblemen veroorzaken, van het verdringen van in de oceaan levende wezens tot het negatief veranderen van de zoutconcentraties om hen heen.

Er wordt onderzoek gedaan naar een reeks verbeteringen op het gebied van de ontzilting van zeewater om het proces goedkoper en milieuvriendelijker te maken – inclusief het verminderen van de afhankelijkheid van uit fossiele brandstoffen afkomstige energie, die de vicieuze cirkel in stand houdt door bij te dragen aan de klimaatverandering die in de eerste plaats bijdraagt ​​aan zoetwatertekorten.

Membraan-upgrade

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

Membranen die momenteel worden gebruikt voor ontzilting zijn voornamelijk dunne polyamidefilms die in een holle buis zijn gerold waardoor het water wordt gezogen. Eén manier om energie te besparen is door de diameter van de membranen te vergroten, wat direct verband houdt met de hoeveelheid zoetwater die ze kunnen maken. Bedrijven gaan steeds vaker over van membranen met een diameter van 8 inch naar 16 inch, die een vier keer zo groot actief oppervlak hebben.

“Je kunt meer water produceren en tegelijkertijd de voetafdruk van de apparatuur verkleinen”, zegt Harold Fravel Jr., uitvoerend directeur van de Amerikaanse membraantechnologievereniging, 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 vel koolstofatomen van één atoom dik, grafeen genaamd, net zo goed zou kunnen werken en minder druk nodig heeft om water er doorheen te pompen dan polyamide, dat ongeveer duizend keer dikker is. Minder druk betekent minder energie om het systeem te laten werken, en dus een lagere energierekening.

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

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

Membranen moeten worden vervangen, dus de duurzaamheid en de hoge absorptiesnelheid van koolstofnanobuisjes kunnen de vervangingsfrequentie verminderen, wat tijd en geld bespaart.

Membraantechnologie “klinkt sexy, maar het is niet gemakkelijk”, zegt Pankratz. "Er zijn technische uitdagingen bij het maken van iets dat zo dun is en toch de integriteit behoudt."

Grafeen- en koolstofnanobuisjes zijn nog tientallen jaren verwijderd van wijdverbreid gebruik, zegt Wendell Ela, hoogleraar scheikunde en milieutechniek aan de Universiteit van Arizona. “Ik zie wel dat ze impact hebben, maar het is een uitweg.”

Truby zei dat barrières voor commercialisering onder meer bestaan ​​uit het ontwikkelen van dergelijke kleine materialen en het compatibel maken van nieuwe membranen met de huidige fabrieken en infrastructuur.

"Het zal van cruciaal belang zijn om systemen te upgraden zonder ze af te breken en een geheel nieuwe fabriek te bouwen", zegt hij.

Voorwaartse osmose

Anderen kijken verder dan omgekeerde osmose naar een ander proces dat bekend staat als voorwaartse osmose. Bij voorwaartse osmose wordt zeewater het systeem binnengezogen door een oplossing die zouten en gassen bevat, waardoor een hoog osmotisch drukverschil tussen de oplossingen ontstaat. De oplossingen gaan samen door een membraan en laten de zouten achter.

Ela zegt dat voorwaartse osmose “waarschijnlijk het meest efficiënt zal zijn als voorbehandeling en niet als op zichzelf staande behandeling bij commerciële zeewaterinstallaties”, omdat omgekeerde osmose op grote schaal beter presteert. Als voorbehandeling kan voorwaartse osmose de levensduur van omgekeerde osmosemembranen verlengen en de algehele gezondheid van het systeem bevorderen door de benodigde desinfectiemiddelen 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 meldden MIT-wetenschappers dat voorwaartse osmose voor ontzilting wellicht energie-intensiever zou kunnen zijn dan omgekeerde osmose, vanwege de hoge zoutconcentratie in de oplossing die het gevolg is van de eerste stap.

Brits bedrijf Modern water exploiteert de eerste commerciële voorwaartse osmose-installatie in Oman, aan de zuidoostelijke kust van het Arabische schiereiland. Met 26,000 liter per dag heeft het systeem een ​​veel kleinere capaciteit dan de meeste grootschalige omgekeerde osmosesystemen. Ambtenaren van het bedrijf hebben geen verzoeken om commentaar op de fabriek geretourneerd. In een bedrijfsrapport werd echter opgemerkt dat de installatie een energiereductie van 42 procent had vergeleken met omgekeerde osmose.

Heather Cooley, directeur waterprogramma bij de Pacific Institute, een in Californië gevestigde organisatie voor duurzaamheidsonderzoek, zegt dat de meeste vooruitstrevende osmosetechnologie zich nog in de onderzoeks- en ontwikkelingsfase bevindt en dat commercieel gebruik over vijf tot tien jaar zal plaatsvinden.

Verdunningsoplossing

Een andere benadering om de energiekosten van ontzilting te verlagen is RO-PRO, of omgekeerde osmose, drukvertraagde osmose. RO-PRO werkt door een aangetaste zoetwaterbron, zoals afvalwater, door een membraan te leiden naar de zeer zoute oplossing die overblijft na omgekeerde osmose, die normaal gesproken in de oceaan zou worden geloosd. Het mengen van de twee produceert druk en energie die wordt gebruikt om een ​​omgekeerde osmosepomp aan te drijven.

Geïnspireerd door een systeem dat wordt gebruikt door Statkraft, een in Noorwegen gevestigd waterkracht- en hernieuwbare energiebedrijf, professor milieutechniek Amy Childress van de Universiteit van Zuid-Californië en collega's testen nu RO-PRO in Californië. Childress zegt dat “optimistische” schattingen aantonen dat RO-PRO de energie die nodig is voor omgekeerde osmose met 30 procent kan verminderen. Ze merkt op dat een aantal niet nader genoemde bedrijven interesse hebben getoond in hun pilot.

Herwinning en hernieuwbare energie

Fravel zegt dat veel fabrieken energie uit het proces proberen terug te winnen. Turbochargers halen bijvoorbeeld kinetische energie uit de uitgaande stroom geconcentreerd zout water en passen deze opnieuw toe aan de kant van het binnenkomende zeewater. “Misschien heb je 900 [pounds per vierkante inch] aan de voerkant en het concentraat komt misschien uit op 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 vergroten. Het voorbehandelen van water voordat het naar membranen gaat, kan ook energie besparen. “Hoe beter je water kunt reinigen voordat het in omgekeerde osmose terechtkomt, hoe beter het werkt”, zegt Fravel. Fabrieken in Bahrein, Japan, Saoedi-Arabië en China gebruiken voorbehandeling voor een soepeler proces van omgekeerde osmose.

Het opnemen van hernieuwbare energiebronnen in de energie-inputkant van de zaak is een bijzonder veelbelovende aanpak om de duurzaamheid van ontzilting te vergroten. Momenteel is naar schatting 1 procent van het ontzitte water afkomstig van energie uit hernieuwbare bronnen, voornamelijk in kleinschalige faciliteiten. Maar grotere centrales beginnen hernieuwbare energiebronnen aan hun energieportfolio toe te voegen.

Na jarenlang te kampen te hebben gehad met droogte, heeft Australië tussen 2006 en 2012 zes ontziltingsinstallaties in gebruik genomen, waarmee ruim 10 miljard dollar werd geïnvesteerd. De centrales maken allemaal gebruik van hernieuwbare energiebronnen, meestal via nabijgelegen windparken die energie aan het elektriciteitsnet leveren, zegt Pankratz. En de ontziltingsinstallatie van Sydney Water, die ongeveer 15 procent van het water levert aan de dichtstbevolkte stad van Australië, wordt aangedreven door compensaties van het Capital Wind Farm met 67 turbines, ongeveer 170 kilometer naar het zuiden.

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

Milieueffecten

Plannen om zeewater te gebruiken moeten uiteraard rekening houden met de gevolgen voor het zeeleven. Veel ontziltingsfaciliteiten maken gebruik van open oceaaninlaten; deze worden vaak gescreend, maar het ontziltingsproces kan nog steeds organismen doden tijdens de opname of tijdens de behandelingsfasen van de plant, zegt Cooley. Nieuwe ondergrondse inlaten, die onder het zand gaan om het als natuurlijk filter te gebruiken, zouden dit probleem kunnen helpen verlichten.

Ook is er het probleem hoe je na ontzilting veel zeer zout water kunt verwijderen. Elke twee liter die een installatie binnenkrijgt, betekent een liter drinkbaar water en een liter water dat ongeveer twee keer zo zout is als toen het binnenkwam. De meeste planten lozen dit terug in hetzelfde water dat als inlaatbron dient.

Ela zegt dat kleinere installaties, zoals de voorwaartse osmose-installatie in Oman, de toekomst van de ontziltingstechnologie zouden kunnen zijn. De RO-PRO-technologie biedt een manier om de zoutconcentratie in de afvoer te verminderen, wat schadelijk kan zijn voor op de bodem levende wezens. Een andere methode die aan populariteit wint is het gebruik van diffusors, een reeks mondstukken die het volume van het zeewater dat zich vermengt met de concentraatafvoer vergroten, waardoor plekken met een hoog zoutgehalte worden voorkomen.

In een van de meer nieuwe recente onderzoeken naar de lozing in de oceaan heeft Davies van Aston University de zilte ontlading opgewarmd met zonne-energie om magnesiumchloride om te zetten in magnesiumoxide, dat hij ‘een goed middel om koolstofdioxide te absorberen’ noemt. Het onderzoek bevindt zich nog in de kinderschoenen, maar zou het dubbele milieuvoordeel kunnen hebben: het verminderen van de uitstoot en het verwijderen van COXNUMX₂ uit de oceaan met behulp van zonne-energie om het concentraat te zappen.

Met betrekking tot grootte

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

“In plaats van grote centrales zouden we misschien wel 10,000 liter ontziltingsinstallaties per dag kunnen gebruiken”, zegt Ela. “Ik zie decentralisatie en kleine ontziltingsinstallaties die kleine gemeenschappen bedienen.”

Dit zou ook voordelen voor het milieu opleveren, zoals het toestaan ​​dat hernieuwbare energie een grotere rol gaat spelen, omdat het veel gemakkelijker is om kleine centrales van zonne- en windenergie te voorzien dan grote, zegt hij.

Pankratz zegt dat ontzilting altijd duurder zal zijn dan het behandelen van zoetwater. Toch zullen innovaties ervoor zorgen dat ontzilting een steeds werkbaardere optie wordt naarmate de vraag naar zoetwater groeit in een steeds dorstiger wordende wereld.

Dit artikel verscheen oorspronkelijk op Ensia

Over de auteur

Brian Bienkowski is redacteur van Environmental Health News en de zustersite The Daily Climate. Hij heeft een masterdiploma in milieujournalistiek en een bachelordiploma in marketing van de Michigan State University. Hij woont met zijn miniatuur teckel, Louie, in Lansing, Michigan.

Gerelateerd boek

at

Bedankt voor het bezoeken InnerSelf.com, waar er zijn 20,000+ levensveranderende artikelen waarin ‘nieuwe attitudes en nieuwe mogelijkheden’ worden gepromoot. Alle artikelen zijn vertaald naar 30+ talen. Inschrijven aan InnerSelf Magazine, dat wekelijks verschijnt, en Marie T Russell's Daily Inspiration. InnerSelf Magazine verschijnt sinds 1985.