FoodPro Preloader

Drikk opp: Tar saltet ut av sjøvann


Nesten tre fjerdedeler av jordens overflate er dekket av vann, men det meste er for salt å drikke. Og 2, 5 prosent som er ferskvann er låst opp enten i jord, fjern snøplasser og isbreer eller i dype akviferer. Det etterlater mindre enn 1 prosent av alt ferskvann for mennesker og dyr å drikke og for bønder å bruke til å heve avlinger - og den resterende krymper som stigende globale temperaturer utløser mer tørke. Resulta

Nesten tre fjerdedeler av jordens overflate er dekket av vann, men det meste er for salt å drikke. Og 2, 5 prosent som er ferskvann er låst opp enten i jord, fjern snøplasser og isbreer eller i dype akviferer. Det etterlater mindre enn 1 prosent av alt ferskvann for mennesker og dyr å drikke og for bønder å bruke til å heve avlinger - og den resterende krymper som stigende globale temperaturer utløser mer tørke. Resultatet: det blir stadig vanskeligere å slakke verdens tørst etter hvert som befolkningen vokser og vannforsyningen svekker. Analytikere i investeringsbanken Goldman Sachs anslår at verdensomspennende vannbruk dobler hvert 20. år.
Så søket etter nye vannkilder er på. En bevist kandidat er desalinisering-teknologier som fjerner saltet fra saltlake trukket fra havene eller saltvannsfiskene for å skape drikkevann. Men den historisk høye desaliniseringsprisen har i stor grad holdt det i sjakk, en situasjon som endrer seg etter hvert som teknologi forbedrer og voksende etterspørsel presser ferskvannsforsyninger.
"De to viktigste desaliniseringsteknikkene er destillasjon og omvendt osmose, eller RO, " sier Menachem Elimelech, miljøingeniør ved Yale University. "Destillasjon, der råvannet fordamper og deretter kondenseres som ferskvann, er energiintensivt, så det brukes hovedsakelig i Midtøsten hvor olje er rikelig." Termiske saltfjerningsprosesser krever høye temperaturer, slik at de har en tendens til å være dyrt (mer enn 1 dollar per kubikkmeter ferskvann), men bruken av avvist "spill" -varme fra andre industri- eller kraftverksoperasjoner for samproduksjon kan redusere energiforbruket.
Oftere er desaliniseringsanleggene imidlertid avhengige av RO, som er basert på høyteknologiske polymermembraner som er permeable for vann, men avviser passasjen av oppløste salter, sier Elimelich. Når en saltvannsløsning sitter på den ene siden av en semipermeabel membran, og en mindre salt løsning er på den andre, forklarer han, vann diffuserer gjennom membranen fra den mindre konsentrerte til den mer konsentrerte siden. Forskere kaller dette fenomenet osmose, som har en tendens til å utjevne saltheten av de to løsningene.
I 1950- og 60-tallet innså forskerne at de kunne reversere prosessen ved å bruke trykk på den mer konsentrerte løsningen, noe som forårsaket vannmolekyler der for å krysse membranen, etterlot en kondensert saltløsning. For å motvirke det osmotiske trykket som oppstår mellom løsningene og tvinge vann tilbake gjennom membranen, må desaliniseringsanlegg bruke høytrykk på 7000 til 8.300 kilopascals (71 til 86, 5 kilo-kraft per kvadratcentimeter eller 1000 til 1200 pund per kvadratmeter), han notater.
Vanlige RO-membraner er tynnfilmskompositter som kombinerer et mekanisk robust støttelag laget av mikroporøs polysulfon med et mikron-tykt polyamidfilterlag hvor vannmolekyler kan passere, men ingenting annet. Sistnevnte substans er "en andre fetter til DuPont's Kevlar-den super sterke aramidpolymerfiberen som brukes i lett kroppsarme, " sier Bill Mickols, seniorforsker ved Dow Water Solutions (DWS) av Edina, Minn., Den største leverandøren av slike produkter. RO-membraner har modnet de siste to tiårene, sier han, med markante forbedringer i vannpermeabilitet, saltavvisningsevne, driftstid (nå så lenge som tre til fem år) og kostnad.
Disse fremskrittene, i kombinasjon med energiinnhentingsanordninger som tar press fra konsentrert saltvannsstrøm og overfører det meste til den innkommende vannstrømmen, har gjort desalinisering rimeligere. Nåværende RO-fasiliteter desaliniserer sjøvann for 68 til 90 cent per kubikkmeter. Den gjennomsnittlige leveringsprisen for kommunalt vann i USA er rundt 60 cent per kubikkmeter, ifølge American Water Works Association.

Andre forbedringer for tiden i arbeidene inkluderer tiltak for å opprettholde prosessflyten. RO-planter må filtrere sjøvann og injisere kjemikalier for å eliminere partikler som kan forårsake tilstopping, og membranene vaskes jevnlig til mindre skalaformasjon og biofilmfouling, sier Benny Freeman, en kjemisk ingeniør ved University of Texas i Austin. "Klor er tilsatt for å sterilisere vannet, " sier han, "men operatører må vanligvis dechlorinere det etterpå for å beskytte membranen mot kjemisk nedbrytning." Freeman og James McGrath, en polymerforsker ved Virginia Polytechnic Institute og State University i Blacksburg har modifisert klorresistent polysulfon for å fungere som en desaliniseringsmembran.
Forskere andre steder er i mellomtiden forsøker å jobbe rundt ROs avhengighet av høyt trykk. Elimelech og gründer Robert McGinnis har avansert en prosess kalt fremad osmose (FO) som kan redusere energien som trengs for å rense vann med 90 prosent. FO benytter seg av den osmotiske trykkforskjellen mellom en konsentrert "draw" -løsning og en rå vannstrøm for å drive vann gjennom en semipermeabel membran.
"Den rette trekkløsningen betyr at du ikke trenger å gjøre alt arbeidet med press, " sier McGinnis, som nylig dannet et oppstartsselskap som heter Oasys for å kommersialisere teknologien. Den største utfordringen, legger han til, er å velge et ikke-toksisk tegneoppløsel som enkelt og økonomisk kan fjernes.
Oasys planlegger å bruke en ammoniakk- og karbondioksidblanding som uavgjort. Når oppløsningen oppvarmes, dekomponeres det oppløste ammoniumkarbonat og tilhørende salter i sine forløpergasser, slik at det blir lett å fjerne. Oasys prosess, sier McGinnis, kan kjøre effektivt på små mengder elektrisk kraft kombinert med "avfall" varme (mindre enn 120 grader Fahrenheit eller 50 grader Celsius) fra industrielle operasjoner. Når fullstendig oppskalert, forventes FO-desalinisering å koste bare 37 til 44 cent per kubikkmeter.
Mer spekulativ desaliniseringsforskning tar sikte på å skape "superflux" -membraner som gjør det mulig å passere vann, sier Mark Shannon, direktør for Senter for avanserte materialer for rensing av vann med systemer (CAMPWS) ved University of Illinois i Urbana-Champaign. . Undersøkere har for eksempel vist at karbonnanorør kan formidle vann ved uventet høye strømningshastigheter. Disse såkalte vannledninger kan være i stand til å sende et større volum vann ved et gitt trykk enn eksisterende membraner, mens de fremdeles blokkerer hydrert salter.
Biomimetiske membran teknologier er også under utvikling, sier Shannon. Disse materialene forsøker å imitere muligheten til minuttporene i biologiske cellemembraner for selektivt å tillate vann å strømme gjennom, samtidig som det forhindrer passasje av saltioner. Det danske firmaet Aquaporin er for eksempel innebygd av naturlige akvaporiner (vannkanaler) hentet fra grønne planter i membraner som den håper å markedsføre i år. Andre, inkludert CAMPWS-forskere, arbeider med kunstige aktive nanoporstrukturer.
Nylig har Madrid-instituttet for avanserte studier vedtatt å samarbeide med Valladolid, Spanias-baserte ingeniørfirma, PROINGESA, for å designe en kapasitiv deioniseringsprosess som bruker et elektrisk potensial til råvann for å tiltrekke oppløste saltioner mot motsatt ladede elektroder hvor de adsorberes og fjernes senere.
Noen 13.000 desaliniseringsanlegg som kan produsere 52, 3 millioner kubikkmeter (13, 8 milliarder gallons) drikkevann om dagen, er for tiden i drift, ifølge International Desalination Association (IDA). Men det er bare en halv prosent av global daglig vannbruk, en figur som vil vokse raskere hvis prosesskostnadene kan reduseres ytterligere. Ikke desto mindre steg konstruksjonen av desaliniseringsanlegg med et årlig klipp på 17 prosent siden 1990, rapporterer IDA.
Trenden bekymrer seg for mange lokale miljøgrupper, som California's Surfrider Foundation eller Australias Nature Conservation Council of NSW, som er opptatt av å beskytte nærliggende økosystemer ved å disponere den konsentrerte saltlake som er igjen fra prosessen, samt økt bruk av fossilt brensel og det resulterende drivhuset gassutslipp.
Under alle omstendigheter forutsetter en ny markedsanalyse av Lux Research at den globale avsaltede vannforsyningen vil vokse med en årlig vekst på 9, 5 prosent i løpet av det neste tiåret, da Australia, Israel, Singapore, California og andre bygger desaliniseringsanlegg for sjøvann og innlandet brakvann og vanngenvinning. Dette betyr at produksjonen vil nå 54 milliarder kubikkmeter i året (54 billioner liter / år) innen 2020, eller tredobling hva det hadde vært i 2008. CAMPWS Shannon er enig og forutsier: "Vi skal se eksponentiell vekst i desalinisering over neste tiår. "

50 år siden: "Metropolitan Segregation"Hvordan amerikanske forskere gjør bryteren til den store Hadron ColliderDiscovery of the Top Quark [Fra arkivet]New York Fracking Report Underscores Quake, klimatiske risikoerClimbing Mount Immortality: Død, kognisjon og sivilisasjonHvordan Tesla Motors bygger en av verdens sikreste biler [Video]Den nærmeste eksoplaneten til jorden kan være "svært beboelig"Radioaktivt jod fra Fukushima Funnet i California Kelp