Bolehkah Air Tawar Menghilangkan Dahaga Kami?

Bolehkah Air Tawar Menghilangkan Dahaga Kami?

Dunia yang semakin bertambah air mengambil pandangan baru pada penyahgaraman. Nampaknya cukup mudah: Ambil garam keluar dari air supaya ia boleh diminum.

Tetapi ia jauh lebih kompleks daripada yang kelihatan pada pandangan pertama. Ia juga semakin penting di dunia di mana sumber air tawar secara berperingkat dipertingkatkan oleh pertumbuhan penduduk, pembangunan, kemarau, perubahan iklim dan banyak lagi. Itulah sebabnya para penyelidik dan syarikat dari Amerika Syarikat ke Australia adalah memperhalusi konsep yang berabad-abad lamanya yang mungkin menjadi masa depan menghilangkan dahaga dunia.

"Apabila datang kepada peningkatan bekalan air, anda mempunyai empat pilihan: Meningkatkan jumlah penggunaan semula, meningkatkan penyimpanan, memulihara atau beralih kepada sumber baru," kata Tom Pankratz, perunding penyahgaraman dan editor semasa penerbitan perdagangan mingguan Laporan Penyahairan Air. "Dan untuk banyak tempat di seluruh dunia, satu-satunya sumber baru adalah penyahgaraman."

Proses yang mahal

Teknologi penyahgarakan telah wujud selama berabad-abad. Di Timur Tengah, orang telah lama menguap air bawah tanah atau air laut payau, kemudian memendekkan wap untuk mengeluarkan air tanpa garam untuk minum atau, dalam beberapa kes, untuk pengairan pertanian.

Dari masa ke masa proses menjadi lebih canggih. Kemudahan penyahgaraman moden menggunakan osmosis terbalik, di mana air dipam pada tekanan tinggi melalui membran semipermeable yang membuang garam dan mineral lain.

Di seluruh dunia kira-kira 300 juta orang mendapatkan air tawar daripada lebih banyak daripada kilang penyahgaraman 17,000 di negara-negara 150. Negara-negara Timur Tengah telah menguasai pasaran itu daripada keperluan dan ketersediaan tenaga, tetapi dengan ancaman kekurangan air tawar yang tersebar di seluruh dunia, yang lain dengan cepat menyertai barisan mereka. Kapasiti industri berkembang kira-kira 8 peratus setahun, menurut Randy Truby, pengendali dan presiden masa lalu Persatuan Penyahairan Antarabangsa, sebuah kumpulan industri, dengan "pecah aktiviti" di tempat-tempat seperti Australia dan Singapura.

Di Amerika Syarikat, loji bernilai $ 1 bilion sedang dibina di Carlsbad, Calif., Untuk memberikan kira-kira peratus 7 keperluan air minuman untuk wilayah San Diego. Apabila ia melayari talian lewat 2015, ia akan menjadi yang terbesar di Amerika Utara, dengan kapasiti 50-juta-gelen-per-hari. Dan kini California mempunyai cadangan tanaman penyahgaraman 16 dalam kerja-kerja.


Dapatkan yang terbaru dari InnerSelf


Kebanyakan air di Bumi terdapat di lautan dan badan air masin lain.

Tetapi penyahgaraman adalah mahal. Seribu gelen air tawar dari loji penyahgarapan membelanjakan purata pengguna AS $ 2.50 kepada $ 5, kata Pankratz, berbanding $ 2 untuk air tawar konvensional.

Ia juga merupakan babi tenaga: Tumbuhan penyahgaraman di seluruh dunia lebih daripada 200 juta kilowatt-jam setiap hari, dengan kos tenaga yang dianggarkan 55 peratus jumlah operasi dan kos penyelenggaraan tumbuhan. Ia mengambil kebanyakan tumbuhan osmosis terbalik tentang 3 hingga jam kilowatt-jam tenaga 10 untuk menghasilkan satu meter padu air tawar dari air laut. Tumbuhan rawatan air tradisional biasanya digunakan dengan baik di bawah 1 kWh setiap meter padu.

Dan ia boleh menyebabkan masalah alam sekitar, daripada menggantikan makhluk-makhluk laut untuk mengurangkan perubahan kepekatan garam di sekelilingnya.

Penyelidikan ke dalam suite penambahbaikan penyahgaraman air laut sedang dijalankan untuk membuat proses yang lebih murah dan lebih mesra alam - termasuk mengurangkan pergantungan kepada tenaga bahan api yang diperolehi fosil, yang mengabadikan kitaran ganas dengan menyumbang kepada perubahan iklim yang menyumbang kepada air tawar kekurangan di tempat pertama.

Peningkatan Membran

Kebanyakan pakar mengatakan bahawa reverse osmosis adalah cekap kerana ia akan mendapat. Tetapi sesetengah penyelidik cuba memerah lebih banyak dengan meningkatkan membran yang digunakan untuk memisahkan garam dari air.

Membran yang kini digunakan untuk penyahgarapan terutamanya filem poliamida nipis yang dilancarkan ke dalam tiub berongga di mana wicks air. Satu cara untuk menjimatkan tenaga adalah untuk meningkatkan diameter membran, yang secara langsung dikaitkan dengan berapa banyak air tawar yang boleh mereka buat. Syarikat-syarikat semakin bergerak dari 8-inci ke membran diameter 16-inci, yang mempunyai empat kali kawasan aktif.

"Anda boleh menghasilkan lebih banyak air di samping mengurangkan jejak untuk peralatan," kata Harold Fravel Jr., Pengarah Eksekutif Persatuan Teknologi Membran Amerika, sebuah organisasi yang memajukan penggunaan sistem pembersihan air.

Banyak kajian membran difokuskan pada nanomaterials - bahan-bahan mengenai 100,000 kali lebih kecil daripada diameter rambut manusia. Penyelidik Institut Teknologi Massachusetts melaporkan di 2012 bahawa membran yang diperbuat daripada satu atom atom tebal atom karbon yang dipanggil graphene boleh berfungsi dengan baik dan memerlukan kurang tekanan untuk mengepam air melalui poliamida, iaitu kira-kira seribu kali lebih tebal. Tekanan kurang bermakna kurang tenaga untuk mengendalikan sistem, dan, oleh itu, menurunkan bil tenaga.

Graphene bukan sahaja tahan lama dan sangat nipis, tetapi, tidak seperti poliamida, ia tidak sensitif kepada bahan rawatan air seperti klorin. Dalam 2013, Lockheed Martin dipatenkan membran Perforene, yang merupakan satu atom tebal dengan lubang cukup kecil untuk garam perangkap dan mineral lain tetapi yang membenarkan air untuk lulus.

Satu lagi penyelesaian nanomaterial yang popular adalah nanotube karbon, kata Philip Davies, seorang penyelidik Aston University yang pakar dalam sistem tenaga yang cekap untuk rawatan air. Nanotub karbon sangat menarik kerana alasan yang sama seperti graphene - bahan yang kuat, tahan lama yang dibungkus dalam pakej kecil - dan boleh menyerap lebih daripada 400 peratus berat mereka dalam garam.

Membran perlu ditukar, jadi ketahanan nanotube karbon dan kadar penyerapan yang tinggi dapat mengurangkan frekuensi penggantian, menjimatkan masa dan wang.

Teknologi membran semua "bunyi seksi, tetapi tidak mudah," kata Pankratz. "Terdapat cabaran kejuruteraan apabila membuat sesuatu yang sangat tipis yang masih mengekalkan integriti."

Graphene dan nanotube karbon berabad-abad lamanya daripada penggunaan meluas, kata Wendell Ela, profesor kejuruteraan kimia dan kejuruteraan alam sekitar Universiti Arizona. "Saya melihat mereka mempunyai kesan, tetapi ia adalah jalan keluar."

Truby berkata halangan kepada pengkomersialan termasuk kejuruteraan bahan-bahan kecil dan membuat membran baru yang serasi dengan tumbuhan dan infrastruktur semasa.

"Ia akan menjadi kunci untuk menaik taraf sistem tanpa meruntuhkan [mereka] dan membina loji baru," katanya.

Forward Osmosis

Yang lain melangkaui osmosis terbalik kepada proses lain yang dikenali sebagai osmosis hadapan. Dalam osmosis hadapan, air laut ditarik ke dalam sistem dengan penyelesaian yang mempunyai garam dan gas, yang menghasilkan perbezaan tekanan osmotik yang tinggi antara penyelesaiannya. Penyelesaian melepasi membran bersama-sama, meninggalkan garam di belakang.

Ela berkata kehadiran osmosis akan "mungkin paling berkesan sebagai pretreatment dan bukan sebagai rawatan yang berdiri sendiri di loji-loji air laut komersial" kerana osmosis songsang melakukan lebih baik secara besar-besaran. Sebagai pretreatment, osmosis hadapan boleh memanjangkan jangka hayat membran osmosis terbalik dan menggalakkan kesihatan sistem secara keseluruhan dengan mengurangkan pilihan penyahhidratan dan pilihan pretreatment yang lain.

Proses ini perlu menggunakan tenaga kurang daripada osmosis songsang, Ela berkata, sejak ia didorong oleh termodinamik. Tetapi pada musim panas lalu MIT saintis melaporkan bahawa osmosis ke hadapan untuk penyahgaraman mungkin terbukti lebih banyak tenaga intensif daripada osmosis songsang kerana kepekatan garam yang tinggi dalam larutan yang terhasil dari langkah pertama.

Syarikat British Air Modern mengendalikan kilang osmosis hadapan komersil pertama di Oman, di pantai tenggara Semenanjung Arab. Di 26,000 gelen sehari, sistem ini mempunyai kapasiti yang lebih kecil daripada kebanyakan sistem osmosis terbalik berskala besar. Pegawai syarikat tidak memulangkan permintaan untuk komen mengenai loji itu. Walau bagaimanapun laporan syarikat menyatakan bahawa kilang itu mempunyai pengurangan peratus 42 dalam tenaga berbanding osmosis terbalik.

Heather Cooley, pengarah program air dengan Institut Pasifik, sebuah organisasi penyelidikan kemapanan yang berpangkalan di California, mengatakan teknologi osmosis yang paling maju masih dalam fasa penyelidikan dan pembangunan, dan kegunaan komersial adalah lima hingga tahun 10.

pencairan Penyelesaian

Satu lagi pendekatan untuk mengurangkan kos tenaga penyahgaraman adalah RO-PRO, atau tekanan osmosis terbalik osmosis terbantut. kerja-kerja RO-PRO dengan melepaskan sumber air tawar terjejas, seperti air sisa, melalui membran ke dalam sisa penyelesaian yang sangat masin dari osmosis songsang, yang biasanya akan dilepaskan ke laut. Pencampuran dua menghasilkan tekanan dan tenaga yang digunakan untuk kuasa pam osmosis terbalik.

Diilhamkan oleh sistem yang digunakan oleh Statkraft, sebuah syarikat tenaga hidro dan tenaga yang diperbaharui di Norway, profesor kejuruteraan alam sekitar Universiti California Selatan Amy Childress dan rakan-rakannya kini mengetuai RO-PRO di California. Childress mengatakan anggaran "optimis" menunjukkan RO-PRO boleh mengurangkan tenaga yang diperlukan untuk peratus revolusi osmosis 30. Beliau menyatakan bahawa beberapa syarikat yang tidak ditentukan telah menunjukkan minat dalam juruterbang mereka.

Pengambilan semula dan Tenaga Boleh Diperbaharui

Fravel mengatakan banyak tumbuh-tumbuhan cuba untuk menawan semula tenaga dari dalam proses. Turbochargers, misalnya, mengambil tenaga kinetik dari arus air garam tertumpu dan memohon semula ke tepi air laut yang masuk. "Anda mungkin mempunyai 900 [pound per inci persegi] di bahagian umpan dan tumpuan mungkin keluar pada psi 700. Itulah banyak tenaga dalam aliran tumpuan, "katanya.

Menggabungkan pembaharuan ke dalam bahagian input tenaga sesuatu adalah pendekatan yang sangat menjanjikan untuk meningkatkan kemampatan penyahgaraman. Menambah air sebelum membran membran juga boleh menjimatkan tenaga. "Lebih baik anda boleh membersihkan air sebelum masuk ke osmosis terbalik, lebih baik ia berjalan," kata Fravel. Tanaman di Bahrain, Jepun, Arab Saudi dan China menggunakan prarawatan untuk proses osmosis songsang yang licin.

Menggabungkan pembaharuan ke dalam bahagian input tenaga sesuatu adalah pendekatan yang sangat menjanjikan untuk meningkatkan kemampatan penyahgaraman. Pada masa ini, anggaran 1 peratus air desalinated berasal dari tenaga daripada sumber yang boleh diperbaharui, terutamanya dalam kemudahan berskala kecil. Tetapi tumbuh-tumbuhan yang lebih besar mula menambah tenaga boleh diperbaharui kepada portfolio tenaga mereka.

Setelah bertahun-tahun bergelut dengan musim kemarau, Australia membawa enam tumbuhan penyulingan dalam talian dari 2006 ke 2012, melabur lebih daripada $ 10 bilion. Tumbuh-tumbuhan itu semua menggunakan beberapa tenaga boleh diperbaharui untuk kuasa, kebanyakannya melalui ladang angin berdekatan yang meletakkan tenaga ke dalam grid, kata Pankratz. Dan kilang penyahgaraman Sydney Sydney, yang membekalkan kira-kira 15 peratus air ke bandaraya terpadat di Australia, dikuasakan oleh offset dari 67-turbin Capital Wind Farm kira-kira 170 km ke selatan.

Tenaga solar menarik bagi banyak negara penyahgaraman berat - terutamanya di Timur Tengah dan Caribbean di mana matahari banyak. Dalam satu projek yang lebih bercita-cita tinggi, syarikat tenaga Emiriah Arab Bersatu, Masdar mengumumkan di 2013, ia berfungsi di loji penyahgaraman solar yang terbesar di dunia, mampu menghasilkan lebih daripada 22 juta gelen sehari, dengan pelancaran yang dirancang di 2020.

Kesan Alam Sekitar

Rancangan untuk menggunakan air laut, tentu saja, mesti mempertimbangkan implikasi untuk kehidupan laut. Banyak kemudahan penyahgaraman menggunakan pengambilan lautan terbuka; ini sering disaring, tetapi proses penyahgaraman masih boleh membunuh organisma semasa pengambilan atau di dalam fasa rawatan tumbuhan, kata Cooley. Pengambilan bawah permukaan baru, yang berada di bawah pasir untuk menggunakannya sebagai penapis semulajadi, boleh membantu mengurangkan kebimbangan ini.

Juga, ada masalah bagaimana untuk menyingkirkan banyak air yang sangat halus selepas penyahgaraman. Setiap dua galon satu kemudahan memerlukan satu galon air minuman dan satu galon air yang kira-kira dua kali asin seperti ketika ia masuk Kebanyakan tumbuhan melepaskan ini kembali ke dalam badan yang sama air yang berfungsi sebagai sumber pengambilan.

Ela mengatakan, tumbuhan yang lebih kecil, seperti tumbuhan osmosis hadapan di Oman, boleh menjadi masa depan teknologi penyahgaraman. Teknologi RO-PRO menawarkan satu cara untuk mengurangkan kepekatan garam dalam pelepasan, yang boleh membahayakan makhluk-makhluk bawah. Kaedah lain yang mendapat populariti ialah penggunaan penyebar, satu siri muncung yang meningkatkan jumlah pencairan air laut dengan pelepasan pekat yang menghalang bintik-bintik garam yang tinggi.

Dalam satu kajian baru-baru ini yang lebih baru menangani keluasan lautan, Davies of Aston University memanaskan pelepasan yang kuat dengan tenaga suria untuk menukar magnesium klorida menjadi magnesium oksida, yang mana ia sebut sebagai "agen yang baik untuk menyerap karbon dioksida." Penyelidikan ini masih peringkat awal, tetapi boleh mempunyai manfaat alam sekitar dua untuk mengurangkan pelepasan dan mengeluarkan CO2 dari lautan yang menggunakan tenaga suria untuk zap tumpuan.

Saiz Bijak

Ela mengatakan tumbuhan yang lebih kecil, seperti tumbuhan osmosis hadapan di Oman, boleh menjadi masa depan teknologi penyahgaraman. Banyak inovasi yang lebih baru dapat membuat pengertian ekonomi pada skala yang lebih kecil, dan syarikat tidak perlu melabur dalam infrastruktur, katanya.

"Daripada tumbuh-tumbuhan besar, kita mungkin turun ke 10,000 gelen sehari tanaman penyahgaraman," kata Ela. "Saya melihat desentralisasi dan tumbuh-tumbuhan penyahgaraman kecil yang berkhidmat kepada komuniti kecil."

Ini juga akan memberi faedah alam sekitar seperti membenarkan tenaga boleh diperbaharui memainkan peranan yang lebih besar, kerana ia lebih mudah untuk memelihara tumbuhan kecil dengan solar dan angin daripada yang besar, katanya.

Pankratz kata penyahgaraman akan sentiasa lebih mahal daripada merawat air tawar. Namun, inovasi akan membantu penyahgaraman menjadi pilihan yang semakin boleh dilaksanakan kerana permintaan bagi air tawar tumbuh di dunia yang semakin haus.

Lihat laman utama Ensia Artikel ini pada asalnya muncul di Ensia

Tentang Pengarang

bienkowski brianBrian Bienkowski berfungsi sebagai editor Berita Kesihatan Alam Sekitar dan tapak kakaknya, Iklim Harian. Beliau memiliki ijazah sarjana dalam kewartawanan alam sekitar dan ijazah sarjana muda dalam pemasaran dari Michigan State University. Dia tinggal bersama dachshund kecilnya, Louie, di Lansing, Michigan.

Buku Berkaitan

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

enafarzh-CNzh-TWnltlfifrdehiiditjakomsnofaptruessvtrvi

ikuti InnerSelf pada

icon-facebooktwitter-iconrss-icon

Dapatkan Yang Terbaru Dengan E-mel

{Emailcloak = mati}