Nước mặn có thể làm dịu cơn khát ngày càng tăng của chúng ta?

Nước mặn có thể làm dịu cơn khát ngày càng tăng của chúng ta?

Một thế giới ngày càng căng thẳng về nước sẽ có một cái nhìn mới về khử muối. Có vẻ như đủ đơn giản: Lấy muối ra khỏi nước để có thể uống được.

Nhưng nó phức tạp hơn nhiều so với cái nhìn đầu tiên. Nó cũng ngày càng quan trọng trong một thế giới nơi tài nguyên nước ngọt đang dần bị căng thẳng bởi sự gia tăng dân số, phát triển, hạn hán, biến đổi khí hậu và nhiều hơn nữa. Đó là lý do tại sao các nhà nghiên cứu và các công ty từ Hoa Kỳ đến Úc đang tinh chỉnh một khái niệm hàng thế kỷ có thể là tương lai để làm dịu cơn khát của thế giới.

Khi nói đến việc tăng nguồn cung cấp nước, bạn có bốn lựa chọn: Tăng lượng tái sử dụng, tăng lưu trữ, bảo tồn hoặc chuyển sang một nguồn mới, Tom nói, Tom Pankratz, một nhà tư vấn khử mặn và biên tập viên hiện tại của ấn phẩm thương mại hàng tuần Báo cáo khử mặn nước. Và ở nhiều nơi trên thế giới, nguồn mới duy nhất là khử muối.

Quá trình tốn kém

Công nghệ khử muối đã có từ nhiều thế kỷ. Ở Trung Đông, người ta đã bốc hơi nước ngầm hoặc nước biển từ lâu, sau đó ngưng tụ hơi nước để tạo ra nước không có muối để uống hoặc trong một số trường hợp, để tưới tiêu nông nghiệp.

Theo thời gian quá trình đã trở nên tinh vi hơn. Hầu hết các cơ sở khử muối hiện đại sử dụng thẩm thấu ngược, trong đó nước được bơm ở áp suất cao thông qua các màng bán kết có thể loại bỏ muối và các khoáng chất khác.

Trên toàn thế giới có khoảng 300 triệu người nhận được một ít nước ngọt từ hơn các nhà máy khử mặn 17,000 ở các nước 150. Các quốc gia Trung Đông đã thống trị thị trường ngoài sự cần thiết và năng lượng sẵn có, nhưng với các mối đe dọa về tình trạng thiếu nước ngọt lan rộng khắp thế giới, những nước khác đang nhanh chóng gia nhập hàng ngũ của họ. Năng lực công nghiệp đang tăng khoảng 8 phần trăm mỗi năm, theo Randy Truby, nhà soạn nhạc và cựu chủ tịch của Hiệp hội khử muối quốc tế, một nhóm ngành công nghiệp, với sự bùng nổ của các hoạt động trên mạng ở những nơi như Úc và Singapore.

Tại Hoa Kỳ, một nhà máy trị giá hàng tỷ đô la 1 đang được xây dựng ở Carlsbad, Calif., Để cung cấp khoảng 7 phần trăm nhu cầu nước uống cho khu vực San Diego. Khi nó trực tuyến vào cuối 2015, nó sẽ là lớn nhất ở Bắc Mỹ, với công suất 50-triệu-gallon-mỗi ngày. Và California hiện có các đề xuất về nhà máy khử mặn 16 trong các công trình.


Nhận thông tin mới nhất từ ​​Nội tâm


Hầu hết nước trên Trái đất được tìm thấy trong các đại dương và các vùng nước mặn khác.

Nhưng khử muối là tốn kém. Một ngàn gallon nước ngọt từ một nhà máy khử muối có chi phí trung bình của người tiêu dùng Mỹ $ 2.50 đến $ 5, Pankratz nói, so với $ 2 cho nước ngọt thông thường.

Đó cũng là một con heo năng lượng: Các nhà máy khử muối trên toàn thế giới tiêu thụ hơn 200 triệu kilowatt giờ mỗi ngày, với chi phí năng lượng, ước tính phần trăm 55 của tổng chi phí vận hành và bảo dưỡng của nhà máy. Phải mất hầu hết các nhà máy thẩm thấu ngược về 3 đến 10 kilowatt giờ năng lượng để tạo ra một mét khối nước ngọt từ nước biển. Các nhà máy xử lý nước uống truyền thống thường sử dụng tốt dưới 1 kWh mỗi mét khối.

Và nó có thể gây ra các vấn đề môi trường, từ việc di dời các sinh vật sống ở đại dương đến thay đổi bất lợi nồng độ muối xung quanh chúng.

Nghiên cứu về một bộ cải tiến khử mặn nước biển đang được tiến hành để làm cho quá trình này rẻ hơn và thân thiện với môi trường hơn - bao gồm giảm sự phụ thuộc vào năng lượng có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch, kéo dài chu kỳ luẩn quẩn bằng cách góp phần vào sự thay đổi khí hậu.

Nâng cấp màng

Hầu hết các chuyên gia nói rằng thẩm thấu ngược là hiệu quả như nó sẽ có được. Nhưng một số nhà nghiên cứu đang cố gắng ép nhiều hơn bằng cách cải thiện màng được sử dụng để tách muối khỏi nước.

Các màng hiện đang được sử dụng để khử muối chủ yếu là các màng polyamide mỏng được cuộn vào một ống rỗng thông qua đó nước thấm qua. Một cách để tiết kiệm năng lượng là tăng đường kính của màng, tương quan trực tiếp với lượng nước ngọt mà chúng có thể tạo ra. Các công ty đang ngày càng chuyển từ màng có đường kính 8-inch sang 16-inch, có diện tích hoạt động gấp bốn lần.

Bạn có thể sản xuất nhiều nước hơn trong khi giảm dấu chân cho thiết bị, ông Harold Fravel Jr., giám đốc điều hành của Hiệp hội công nghệ màng Mỹ, một tổ chức thúc đẩy việc sử dụng các hệ thống lọc nước.

Rất nhiều nghiên cứu về màng tập trung vào vật liệu nano - vật liệu nhỏ hơn 100,000 so với đường kính của một sợi tóc người. Các nhà nghiên cứu của Viện Công nghệ Massachusetts đã báo cáo trong 2012 rằng một màng được làm từ một tấm nguyên tử carbon dày một nguyên tử gọi là graphene cũng có thể hoạt động tốt và cần ít áp lực hơn để bơm nước qua polyamide, dày hơn hàng nghìn lần. Áp lực ít hơn có nghĩa là ít năng lượng hơn để vận hành hệ thống, và do đó, hóa đơn năng lượng thấp hơn.

Graphene không chỉ bền và cực kỳ mỏng, nhưng, không giống như polyamide, nó không nhạy cảm với các hợp chất xử lý nước như clo. Trong 2013, Lockheed Martin đã cấp bằng sáng chế cho màng Perforene, một nguyên tử dày với các lỗ đủ nhỏ để bẫy muối và các khoáng chất khác nhưng cho phép nước đi qua.

Một giải pháp vật liệu nano phổ biến khác là ống nano carbon, Philip Davies, nhà nghiên cứu của Đại học Aston, chuyên về các hệ thống tiết kiệm năng lượng để xử lý nước. Các ống nano carbon hấp dẫn vì những lý do tương tự như graphene - vật liệu bền, mạnh được đóng gói trong một gói nhỏ - và có thể hấp thụ hơn 400 phần trăm trọng lượng của chúng trong muối.

Màng lọc phải được tráo đổi, do đó độ bền và tốc độ hấp thụ cao của ống nano carbon có thể làm giảm tần suất thay thế, tiết kiệm thời gian và tiền bạc.

Tất cả các công nghệ màng tế bào nghe có vẻ gợi cảm, nhưng nó không hề dễ dàng, nhưng ông Pankratz nói. Có những thách thức về kỹ thuật khi tạo ra một thứ gì đó quá mỏng mà vẫn duy trì được tính toàn vẹn.

Wendell Ela, giáo sư kỹ thuật môi trường và hóa học của Đại học Arizona cho biết, cách đây hàng thập kỷ. Tôi thấy họ có ảnh hưởng, nhưng đó là một lối thoát.

Truby cho biết các rào cản đối với thương mại hóa bao gồm kỹ thuật các vật liệu nhỏ như vậy và tạo ra các màng mới tương thích với các nhà máy và cơ sở hạ tầng hiện tại.

Đây sẽ là chìa khóa để nâng cấp các hệ thống mà không làm hỏng [chúng] và xây dựng một nhà máy hoàn toàn mới, ông nói.

Thẩm thấu về phía trước

Những người khác đang nhìn xa hơn thẩm thấu ngược sang một quá trình khác được gọi là thẩm thấu về phía trước. Trong thẩm thấu về phía trước, nước biển được hút vào hệ thống bằng dung dịch có muối và khí, tạo ra chênh lệch áp suất thẩm thấu cao giữa các dung dịch. Các dung dịch đi qua một màng với nhau, để lại muối phía sau.

Ela nói rằng thẩm thấu về phía trước sẽ có thể hiệu quả nhất như là một tiền xử lý và không phải là một điều trị độc lập tại các nhà máy nước biển thương mại vì sự thẩm thấu ngược thực hiện tốt hơn ở quy mô lớn. Là một tiền xử lý, thẩm thấu về phía trước có thể kéo dài tuổi thọ của màng thẩm thấu ngược và tăng cường sức khỏe hệ thống tổng thể bằng cách giảm các chất khử trùng cần thiết và các lựa chọn tiền xử lý khác.

Quá trình nên sử dụng ít năng lượng hơn thẩm thấu ngược, Ela nói, vì nó được điều khiển bởi nhiệt động lực học. Nhưng vào mùa hè năm ngoái, các nhà khoa học MIT đã báo cáo rằng thẩm thấu về phía trước để khử muối có thể chứng minh nhiều năng lượng hơn thẩm thấu ngược do nồng độ muối cao trong dung dịch tạo ra từ bước đầu tiên.

Công ty của Anh Nước hiện đại vận hành nhà máy thẩm thấu về phía trước thương mại đầu tiên ở Oman, ở bờ biển phía đông nam của bán đảo Ả Rập. Tại 26,000 gallon mỗi ngày, hệ thống có công suất nhỏ hơn nhiều so với hầu hết các hệ thống thẩm thấu ngược quy mô lớn. Các quan chức của công ty đã không trả lại yêu cầu cho ý kiến ​​về nhà máy. Tuy nhiên, một báo cáo của công ty lưu ý rằng nhà máy đã giảm phần trăm năng lượng 42 so với thẩm thấu ngược.

Heather Cooley, giám đốc chương trình nước với Viện Thái Bình Dương, một tổ chức nghiên cứu bền vững có trụ sở tại California, cho biết hầu hết công nghệ thẩm thấu về phía trước vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển, và việc sử dụng thương mại đó là từ năm đến 10.

Dung dịch pha loãng

Một cách tiếp cận khác để giảm chi phí năng lượng của khử muối là RO-PRO, hoặc thẩm thấu ngược áp suất thẩm thấu. RO-PRO hoạt động bằng cách đưa một nguồn nước ngọt bị suy yếu, như nước thải, qua màng vào dung dịch có độ mặn cao còn sót lại từ thẩm thấu ngược, thường sẽ được thải ra đại dương. Sự pha trộn của cả hai tạo ra áp suất và năng lượng được sử dụng để cung cấp năng lượng cho bơm thẩm thấu ngược.

Lấy cảm hứng từ một hệ thống được sử dụng bởi Statkraft, một công ty thủy điện và năng lượng tái tạo có trụ sở ở Na Uy, giáo sư kỹ thuật môi trường của Đại học Nam California Amy Childress và các đồng nghiệp hiện đang thí điểm RO-PRO ở California. Childress cho biết, các ước tính của lạc quan trên mạng cho thấy RO-PRO có thể giảm năng lượng cần thiết cho quá trình thẩm thấu ngược 30. Cô lưu ý rằng một số công ty không xác định đã thể hiện sự quan tâm đến thí điểm của họ.

Tái tạo và năng lượng tái tạo

Fravel nói rằng nhiều nhà máy đang cố gắng lấy lại năng lượng từ bên trong quy trình. Các động cơ tăng áp, ví dụ, lấy động năng từ dòng nước mặn tập trung và đưa nó trở lại bên cạnh nước biển đang đến. Bạn có thể có 900 [pound mỗi inch vuông] ở phía thức ăn và sự tập trung có thể xuất hiện ở 700 psi. Đó là rất nhiều năng lượng trong dòng tập trung, anh nói.

Kết hợp năng lượng tái tạo vào phía đầu vào năng lượng của mọi thứ là một cách tiếp cận đặc biệt hứa hẹn để tăng cường tính bền vững của khử mặn. Xử lý nước trước khi đưa vào màng cũng có thể tiết kiệm năng lượng. Càng tốt, bạn càng có thể làm sạch nước trước khi nó thẩm thấu ngược, nó càng chạy tốt hơn, Fra Fravel nói. Các nhà máy ở Bahrain, Nhật Bản, Ả Rập Saudi và Trung Quốc đang sử dụng tiền xử lý cho quá trình thẩm thấu ngược mượt mà hơn.

Kết hợp năng lượng tái tạo vào phía đầu vào năng lượng của mọi thứ là một cách tiếp cận đặc biệt hứa hẹn để tăng cường tính bền vững của khử mặn. Hiện tại, phần trăm 1 ước tính của nước khử muối đến từ năng lượng từ các nguồn tái tạo, chủ yếu ở các cơ sở quy mô nhỏ. Nhưng các nhà máy lớn hơn đang bắt đầu thêm năng lượng tái tạo vào danh mục năng lượng của họ.

Sau nhiều năm vật lộn với hạn hán, Úc đã đưa sáu nhà máy khử mặn trực tuyến từ 2006 sang 2012, đầu tư hơn 10 tỷ đô la. Các nhà máy đều sử dụng một số năng lượng tái tạo để cung cấp năng lượng, chủ yếu thông qua các trang trại gió gần đó đưa năng lượng vào lưới điện, Pankratz nói. Và nhà máy khử mặn nước Sydney, nơi cung cấp khoảng 15 phần trăm nước cho thành phố đông dân nhất nước Úc, được cung cấp bởi sự bù đắp từ Trang trại Gió Thủ đô 67 về phía nam khoảng 170.

Năng lượng mặt trời hấp dẫn đối với nhiều quốc gia khử mặn nặng - đặc biệt là các quốc gia ở Trung Đông và Caribê nơi có nhiều ánh nắng mặt trời. Trong một trong những dự án đầy tham vọng, công ty năng lượng Masdar của Các Tiểu vương quốc Ả Rập Thống nhất tuyên bố tại 2013, công ty đang hoạt động trên nhà máy khử mặn năng lượng mặt trời lớn nhất thế giới, có khả năng sản xuất hơn 22 triệu gallon mỗi ngày, với kế hoạch ra mắt ở 2020.

Tác động môi trường

Kế hoạch sử dụng nước biển, tất nhiên, phải xem xét các tác động đối với đời sống biển. Rất nhiều cơ sở khử muối sử dụng cửa hút đại dương mở; Chúng thường được sàng lọc, nhưng quá trình khử muối vẫn có thể giết chết các sinh vật trong quá trình ăn vào hoặc bên trong các giai đoạn xử lý của nhà máy, Cooley nói. Các cửa hút dưới bề mặt mới, nằm dưới cát để sử dụng nó như một bộ lọc tự nhiên, có thể giúp giảm bớt mối quan tâm này.

Ngoài ra, có vấn đề làm thế nào để loại bỏ rất nhiều nước rất mạnh sau khi khử muối. Cứ hai gallon một cơ sở có nghĩa là một gallon nước có thể uống được và một gallon nước có độ mặn gấp đôi so với khi nó đi vào. Hầu hết các nhà máy thải trở lại vào cùng một nguồn nước đóng vai trò là nguồn cung cấp.

Ela nói rằng các nhà máy nhỏ hơn, chẳng hạn như nhà máy thẩm thấu về phía trước ở Ô-man, có thể là tương lai của công nghệ khử muối. Công nghệ RO-PRO cung cấp một cách để giảm nồng độ muối trong chất thải, có thể gây hại cho các sinh vật sống ở đáy. Một phương pháp khác đang trở nên phổ biến là sử dụng máy khuếch tán, một loạt vòi phun làm tăng thể tích nước biển trộn với chất thải tập trung ngăn chặn các điểm muối cao.

Trong một trong những nghiên cứu mới đây gần đây đề cập đến việc xả đại dương, Davies của Đại học Aston đã làm nóng sự phóng điện bằng năng lượng mặt trời để chuyển magiê clorua thành magiê oxit, mà ông gọi là một tác nhân tốt để hấp thụ carbon dioxide. giai đoạn non trẻ, nhưng có thể có lợi ích môi trường kép là giảm xả thải và loại bỏ CO2 từ đại dương sử dụng năng lượng mặt trời để hạ gục sự tập trung.

Kích thước khôn ngoan

Ela cho biết các nhà máy nhỏ hơn, chẳng hạn như nhà máy thẩm thấu về phía trước ở Oman, có thể là tương lai của công nghệ khử muối. Rất nhiều cải tiến mới hơn có thể có ý nghĩa kinh tế ở quy mô nhỏ hơn và các công ty sẽ không phải đầu tư nhiều vào cơ sở hạ tầng, ông nói.

Thay vì các nhà máy lớn, chúng ta có thể xuống các nhà máy khử muối 10,000 mỗi ngày, El Ela nói. Tôi thấy các nhà máy phân cấp và khử mặn nhỏ phục vụ các cộng đồng nhỏ.

Điều này cũng sẽ mang lại lợi ích môi trường như cho phép năng lượng tái tạo đóng vai trò lớn hơn, vì việc cung cấp năng lượng cho các nhà máy nhỏ bằng năng lượng mặt trời và gió dễ dàng hơn nhiều so với năng lượng lớn, ông nói.

Pankratz nói rằng khử muối sẽ luôn tốn kém hơn so với xử lý nước ngọt. Tuy nhiên, những đổi mới sẽ giúp khử muối trở thành một lựa chọn ngày càng khả thi khi nhu cầu về nước ngọt tăng lên trong một thế giới ngày càng khát.

Xem trang chủ của Consia Bài viết này ban đầu xuất hiện trên Ensia

Giới thiệu về Tác giả

bienkowski brianBrian Bienkowski là biên tập viên của Tin tức Sức khỏe Môi trường và trang web chị em của nó, The Daily Climate. Ông có bằng thạc sĩ báo chí môi trường và bằng cử nhân tiếp thị tại Đại học bang Michigan. Anh ta sống với dachshund thu nhỏ của mình, Louie, ở Lansing, Michigan.

Sách liên quan

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

enafarzh-CNzh-TWnltlfifrdehiiditjakomsnofaptruessvtrvi

theo dõi Nội bộ trên

facebook-iconbiểu tượng twitterbiểu tượng rss

Nhận tin mới nhất qua email

{Emailcloak = off}

ĐỌC MOST