sărată

Pare destul de simplu: scoateți sarea din apă, astfel încât să fie potabilă.

Dar este mult mai complex decât pare la prima vedere. Este, de asemenea, din ce în ce mai crucial într-o lume în care resursele de apă dulce sunt tensionate progresiv de creșterea populației, dezvoltare, secetă, schimbări climatice și multe altele. De aceea, cercetătorii și companiile din Statele Unite ale Americii până în Australia pun la punct un concept vechi de secole care ar putea fi viitorul potolirii setei lumii.

„Când vine vorba de creșterea aprovizionării cu apă, aveți patru opțiuni: creșteți cantitatea de reutilizare, creșteți stocarea, conservați-o sau apelați la o nouă sursă”, a spus Tom Pankratz, consultant în desalinizare și actual editor al publicației săptămânale de comerț Water Desalination Raport. „Și pentru multe locuri din întreaga lume, singura sursă nouă este desalinizarea”.

Proces costisitor

Tehnologia desalinizării există de secole. În Orientul Mijlociu, oamenii au evaporat mult timp apa subterană sau salină, apoi au condensat vaporii pentru a produce apă fără sare pentru băut sau, în unele cazuri, pentru irigații agricole.

De-a lungul timpului procesul a devenit mai sofisticat. Majoritatea instalațiilor moderne de desalinizare utilizează osmoză inversă, în care apa este pompată la presiune ridicată prin membrane semipermeabile care elimină sarea și alte minerale.

La nivel mondial, aproximativ 300 de milioane de oameni primesc apă dulce de la peste 17.000 de instalații de desalinizare din 150 de țări. Țările din Orientul Mijlociu au dominat acea piață din necesitate și din disponibilitatea energiei, dar, odată cu amenințările de lipsă de apă dulce răspândite în întreaga lume, altele se alătură rapid rândurilor lor. Capacitatea industriei crește cu aproximativ 8% pe an, potrivit Randy Truby, controlor și fost președinte al Asociației Internaționale de Desalinizare, un grup industrial, cu „explozii de activitate” în locuri precum Australia și Singapore.

În Statele Unite, o fabrică de 1 miliard de dolari este construită în Carlsbad, California, pentru a asigura aproximativ 7% din necesarul de apă potabilă pentru regiunea San Diego. Când va fi online la sfârșitul anului 2015, acesta va fi cel mai mare din America de Nord, cu o capacitate de 50 de milioane de galoane pe zi. California are în prezent aproximativ 16 propuneri de instalații de desalinizare în lucru.

Dar desalinizarea este costisitoare. O mie de galoane de apă dulce de la o instalație de desalinizare costă în medie SUA Pankratz a spus că consumatorul va consuma între 2,50 și 5 USD, în comparație cu 2 USD pentru apa dulce convențională.

Este, de asemenea, un porc energetic: centralele de desalinizare din întreaga lume consumă mai mult de 200 de milioane de kilowați-oră în fiecare zi (PDF), costurile energetice fiind estimate la 55% din costurile totale de funcționare și întreținere a plantelor. Pentru a produce un metru cub de apă dulce din apa de mare este nevoie de majoritatea plantelor cu osmoză inversă de aproximativ 3 până la 10 kilowați-oră de energie. Stațiile tradiționale de tratare a apei potabile folosesc de obicei mult sub 1 kWh pe metru cub.

Și poate provoca probleme de mediu, de la deplasarea creaturilor care locuiesc în ocean până la modificarea adversă a concentrațiilor de sare din jurul lor.

Cercetările privind o serie de îmbunătățiri ale desalinizării apei de mare sunt în curs de desfășurare pentru a face procesul mai ieftin și mai ecologic - inclusiv reducerea dependenței de energia derivată din combustibilii fosili, care perpetuează ciclul vicios contribuind la schimbările climatice care contribuie la lipsurile de apă dulce.

Actualizare membrană

Majoritatea experților spun că osmoza inversă este la fel de eficientă pe cât va obține. Dar unii cercetători încearcă să strângă mai mult îmbunătățind membranele folosite pentru a separa sarea de apă.

Membranele utilizate în prezent pentru desalinizare sunt în principal pelicule subțiri de poliamidă rulate într-un tub gol prin care apa se învârte. O modalitate de a economisi energie este de a crește diametrul membranelor, care este direct corelat cu cantitatea de apă dulce pe care o pot produce. Companiile trec din ce în ce mai mult de la membrane cu diametrul de 8 inci la 16 inci, care au de patru ori suprafața activă.

"Puteți produce mai multă apă reducând în același timp amprenta echipamentelor", a spus Harold Fravel Jr., director executiv al Asociației Americane de Tehnologie a Membranei, o organizație care avansează utilizarea sistemelor de purificare a apei.

O mulțime de cercetări de membrană se concentrează pe nanomateriale - materiale de aproximativ 100.000 de ori mai mici decât diametrul unui fir de păr uman. Cercetătorii Institutului de Tehnologie din Massachusetts au raportat în 2012 că o membrană formată dintr-o foaie de atomi de carbon cu un atom de grosime numită grafen ar putea funcționa la fel de bine și necesită o presiune mai mică pentru a pompa apa decât poliamida, care este de aproximativ o mie de ori mai groasă. Mai puțină presiune înseamnă mai puțină energie pentru a opera sistemul și, prin urmare, facturi mai mici de energie.

Grafenul nu este doar durabil și incredibil de subțire, dar, spre deosebire de poliamidă, nu este sensibil la compușii de tratare a apei precum clorul. În 2013, Lockheed Martin a brevetat membrana Perforene, care are un atom gros cu găuri suficient de mici pentru a prinde sarea și alte minerale, dar care permit trecerea apei.

O altă soluție populară de nanomateriale este nanotuburile de carbon, a spus Philip Davies, cercetător al Universității Aston, specializat în sisteme eficiente din punct de vedere energetic pentru tratarea apei. Nanotuburile de carbon sunt atractive din aceleași motive ca și grafenul - material puternic și durabil ambalat într-un pachet mic - și pot absorbi mai mult de 400 la sută din greutatea lor în sare.

Membranele trebuie schimbate, astfel încât durabilitatea nanotuburilor de carbon și rata mare de absorbție ar putea reduce frecvența de înlocuire, economisind timp și bani.

Toate tehnologiile cu membrană „sună sexy, dar nu este ușor”, a spus Pankratz. "Există provocări inginerești atunci când se face ceva atât de subțire care păstrează în continuare integritatea."

Grafenul și nanotuburile de carbon sunt la zeci de ani distanță de utilizarea pe scară largă, a spus Wendell Ela, profesor de inginerie chimică și de mediu al Universității din Arizona: „Văd că au un impact, dar este o cale de ieșire”.

Truby a spus că barierele în calea comercializării includ ingineria unor astfel de materiale mici și fabricarea unor membrane noi compatibile cu instalațiile și infrastructura actuală.

„Va fi esențial să modernizăm sistemele fără să le dărâmăm și să construim o instalație complet nouă”, a spus el.

Osmoza directă

Alții privesc dincolo de osmoza inversă către un alt proces cunoscut sub numele de osmoza directă. În osmoza directă, apa de mare este atrasă în sistem printr-o soluție care are săruri și gaze, ceea ce creează o diferență mare de presiune osmotică între soluții. Soluțiile trec printr-o membrană împreună, lăsând sărurile în urmă.

Ela a spus că osmoza directă va fi „probabil cea mai eficientă ca pretratare și nu ca tratament independent la plantele comerciale de apă de mare”, deoarece osmoza inversă are o performanță mai bună la scară largă. Ca pretratament, osmozele directe pot prelungi durata de viață a membranelor de osmoză inversă și pot promova sănătatea generală a sistemului prin reducerea dezinfectanților necesari și a altor opțiuni de pretratare.

Procesul ar trebui să utilizeze mai puțină energie decât osmoza inversă, a spus Ela, deoarece este condus de termodinamică. Dar vara trecută oamenii de știință ai MIT au raportat că osmozele directe pentru desalinizare s-ar putea dovedi mai consumatoare de energie decât osmoza inversă datorită concentrației ridicate de sare din soluție rezultată din primul pas.

Compania britanică Modern Water operează prima fabrică comercială de osmoză directă din Oman, pe coasta de sud-est a Peninsulei Arabe. La 26.000 de galoane pe zi, sistemul are o capacitate mult mai mică decât majoritatea sistemelor de osmoză inversă la scară largă. Oficialii companiei nu au returnat cererile de comentarii asupra fabricii. Cu toate acestea, un raport al companiei a menționat că instalația a avut o reducere de 42% a energiei în comparație cu osmoza inversă.

Heather Cooley, director de programe de apă în cadrul Institutului Pacific, o organizație de cercetare a sustenabilității din California, a declarat că majoritatea tehnologiei de osmoză directă este încă în faza de cercetare și dezvoltare și că utilizarea comercială este de cinci până la 10 ani.

Soluție de diluare

O altă abordare a reducerii costului energetic al desalinizării este RO-PRO, sau osmoza cu presiune în osmoză inversă. RO-PRO funcționează prin trecerea unei surse afectate de apă dulce, cum ar fi apele uzate, printr-o membrană în soluția foarte salină rămasă din osmoza inversă, care în mod normal ar fi deversată în ocean. Amestecarea celor două produce presiune și energie care este utilizată pentru a alimenta o pompă de osmoză inversă.

Inspirat de un sistem utilizat de Statkraft, o companie din Norvegia de hidroenergie și energie regenerabilă, profesorul de inginerie de mediu al Universității din California de Sud Amy Childress și colegii săi pilotează RO-PRO în California. Childress a declarat că estimările „optimiste” arată că RO-PRO poate reduce energia necesară pentru osmoza inversă cu 30%. Ea a menționat că unele companii nespecificate și-au arătat interesul față de pilotul lor.

Recuperarea energiei regenerabile

Fravel a spus că multe plante încearcă să recucerească energia din interiorul procesului. Turbocompresoarele, de exemplu, iau energia cinetică din fluxul de apă sărată concentrată și o reaplică în partea apei de mare de intrare. „S-ar putea să aveți 900 [lire pe inch pătrat] pe partea de alimentare și concentratul ar putea ieși la 700 psi. Este multă energie în fluxul de concentrat ”, a spus el.

Pretractarea apei înainte de a ajunge la membrane poate, de asemenea, economisi energie. „Cu cât poți curăța mai bine apa înainte de a intra în osmoză inversă, cu atât funcționează mai bine”, a spus Fravel. Plantele din Bahrain, Japonia, Arabia Saudită și China folosesc pretratarea pentru un proces de osmoză inversă mai lin.

Incorporarea surselor regenerabile de energie în partea de intrare energetică a lucrurilor este o abordare deosebit de promițătoare pentru îmbunătățirea durabilității desalinizării. În prezent, aproximativ 1 la sută din apa desalinizată provine din energie din surse regenerabile, în principal în instalații la scară mică. Dar centralele mai mari încep să adauge surse regenerabile în portofoliul lor de energie.

După ani de luptă cu seceta, Australia a adus online șase uzine de desalinizare din 2006 până în 2012, investind peste 10 miliarde de dolari. Toate centralele folosesc unele surse regenerabile de energie, mai ales prin parcuri eoliene din apropiere care introduc energie în rețea, a spus Pankratz. Iar instalația de desalinizare a apei din Sydney, care furnizează aproximativ 15% din apă către cel mai populat oraș din Australia, este alimentată de compensări de la ferma eoliană Capital cu 67 de turbine, la aproximativ 170 de mile spre sud.

Energia solară este atractivă pentru multe țări puternice de desalinizare - în special pentru cele din Orientul Mijlociu și Caraibe, unde soarele este abundent. Într-unul dintre cele mai ambițioase proiecte, compania energetică din Emiratele Arabe Unite Masdar a anunțat în 2013 că lucrează la cea mai mare instalație de desalinizare cu energie solară din lume, capabilă să producă mai mult de 22 de milioane de galoane pe zi, cu o lansare planificată în 2020.

Impactul asupra mediului

Planurile de utilizare a apei de mare, desigur, trebuie să ia în considerare implicațiile asupra vieții marine. O mulțime de instalații de desalinizare utilizează prize de ocean deschise; acestea sunt deseori verificate, dar procesul de desalinizare poate ucide organismele în timpul administrării sau în interiorul fazelor de tratament ale plantei, a spus Cooley. Noile prize de subsol, care intră sub nisip pentru a-l folosi ca filtru natural, ar putea ajuta la atenuarea acestei preocupări.

De asemenea, există problema cum să scapi de o mulțime de apă foarte salată după desalinizare. Fiecare două galoane de instalație include un galon de apă potabilă și un galon de apă care este de aproximativ două ori mai sărat decât când a intrat. Majoritatea plantelor descarcă acest lucru înapoi în același corp de apă care servește ca sursă de admisie.

Tehnologia RO-PRO oferă o modalitate de a reduce concentrația de sare din deversare, care poate dăuna creaturilor care locuiesc în fund. O altă metodă care câștigă popularitate este utilizarea difuzoarelor, o serie de duze care măresc volumul de apă de mare care se amestecă cu descărcarea concentratului prevenind petele de sare mare.

Într-unul dintre cele mai noi studii recente referitoare la descărcarea oceanelor, Davies de la Universitatea Aston a încălzit descărcarea de saramură cu energie solară pentru a transforma clorura de magneziu în oxid de magneziu, pe care l-a numit „un bun agent pentru a absorbi dioxidul de carbon”. Cercetarea este încă etapele incipiente, dar ar putea avea avantajul dublu de mediu de a reduce descărcarea și de a elimina CO2 din ocean folosind energia solară pentru a distruge concentratul.

Dimensiune înțeleaptă

Ela a spus că plantele mai mici, precum planta de osmoză directă din Oman, ar putea fi viitorul tehnologiei de desalinizare. O mulțime de inovații mai noi ar putea avea sens economic la scară mai mică, iar companiile nu ar trebui să investească atât de mult în infrastructură, a spus el.

„În loc de plante mari, am putea ajunge la 10.000 de galoane pe zi de plante de desalinizare”, a spus Ela. „Văd descentralizarea și fabricile mici de desalinizare care deservesc comunitățile mici.”

Acest lucru ar oferi, de asemenea, beneficii de mediu, cum ar fi permiterea energiei regenerabile să joace un rol mai mare, deoarece este mult mai ușor să alimentați centralele mici cu energie solară și eoliană decât cele mari, a spus el.

Pankratz spune că desalinizarea va fi întotdeauna mai scumpă decât tratarea apei dulci. Cu toate acestea, inovațiile vor ajuta desalinizarea să devină o opțiune din ce în ce mai viabilă, pe măsură ce cererea de apă dulce crește într-o lume din ce în ce mai însetată.

Acest articol a apărut pentru prima dată la Ensia.