En stadig mer vannbelastet verden tar et nytt blikk på desalinering. Det virker enkelt nok: Ta saltet ut av vann så det er drikkbart.

Men det er langt mer komplekst enn det som vises ved første øyekast. Det er også stadig viktigere i en verden der ferskvannsressursene blir gradvis anstrengt av befolkningsvekst, utvikling, tørke, klimaendringer og mer. Det er derfor forskere og bedrifter fra USA til Australia finjusterer et århundre gammelt konsept som kan være fremtiden for å slukke verdens tørst.

"Når det gjelder økt vannforsyning, har du fire alternativer: Øk mengden gjenbruk, øk lagringen, bevare den eller slå til en ny kilde," sier Tom Pankratz, en avsaltskonsulent og dagens redaktør for den ukentlige handelspublikasjonen Vannavsaltningsrapport. "Og for mange steder rundt om i verden er den eneste nye kilden avsaltning."

Kostbar prosess

Desalineringsteknologi har eksistert i århundrer. I Midtøsten har folk lenge fordampet brakt grunnvann eller sjøvann, så kondensert dampen for å produsere saltfritt drikkevann eller, i noen tilfeller, for landbruksvann.

Over tid har prosessen blitt mer sofistikert. De fleste moderne avsaltningsanlegg bruker omvendt osmose, der vann pumpes ved høyt trykk gjennom semipermeable membraner som fjerner salt og andre mineraler.

Verdensomspennende om 300 millioner mennesker får litt ferskvann fra mer enn 17,000 avsaltningsanlegg i 150-land. Midt-Østen-landene har dominert det markedet ut av nødvendighet og energirilgjengelighet, men med trusler om ferskvannmangel spredt over hele verden, går andre raskt inn i sine ranger. Industrikapasitet øker om 8 prosent per år, ifølge Randy Truby, comptroller og tidligere president for International Desalination Association, en industrigruppe med "utbrudd av aktivitet" på steder som Australia og Singapore.

I USA blir en $ 1 milliarder plante bygget i Carlsbad, California, for å gi om 7 prosent av drikkevannbehovene til San Diego-regionen. Når den går online i slutten av 2015, vil den bli den største i Nord-Amerika, med en kapasitet på 50-million-gallon per dag. Og California har for øyeblikket om 16 avsaltningsanleggsforslag i verkene.

Det meste av vannet på jorden finnes i havene og andre saltvannskropper.

Men avsaltning er dyrt. Tusen liter ferskvann fra et avsaltningsanlegg koster den gjennomsnittlige amerikanske forbrukeren $ 2.50 til $ 5, sier Pankratz, sammenlignet med $ 2 for konvensjonelt ferskvann.

Det er også en energi hog: Desalination planter rundt om i verden forbruker mer enn 200 millioner kilowatt-timer hver dag, med energikostnader anslås 55 prosent av anleggets totale drifts- og vedlikeholdskostnader. Det tar mest omvendte osmoseanlegg om 3 til 10 kilowatt-timer med energi for å produsere en kubikkmeter ferskvann fra sjøvann. Tradisjonelle drikkevannsbehandlingsanlegg bruker vanligvis godt under 1 kWh per kubikkmeter.

Og det kan forårsake miljøproblemer, fra å forflytte havsboende skapninger til negativt å endre saltkonsentrasjonene rundt dem.

Forskning i en pakke av sjøvann avsaltningsforbedringer pågår for å gjøre prosessen billigere og mer miljøvennlig - blant annet å redusere avhengigheten av fossilt brenselavledet energi, som viderefører den onde syklusen ved å bidra til klimaendringer som bidrar til ferskvannsbrist i første omgang.

Membranoppgradering

De fleste eksperter sier at omvendt osmose er like effektivt som det kommer til å bli. Men enkelte forskere prøver å presse mer ved å forbedre membranene som brukes til å skille salt fra vann.

Membraner som for tiden brukes til avsaltning, er hovedsakelig tynne polyamidfilmer rullet inn i et hulrør gjennom hvilket vannet svinger. En måte å spare energi på er å øke membranens diameter, som er direkte korrelert med hvor mye ferskvann de kan gjøre. Bedrifter flytter i økende grad fra 8-tommers til 16-tommers diameter membraner, som har fire ganger det aktive området.

"Du kan produsere mer vann mens du reduserer fotavtrykk for utstyret," sier Harold Fravel Jr., administrerende direktør for American Membrane Technology Association, en organisasjon som fremmer bruk av vannrensingssystemer.

Mye membranforskning er fokusert på nanomaterialer - materialer om 100,000 ganger mindre enn diameteren av et menneskehår. Massachusetts Institute of Technology forskere rapporterte i 2012 at en membran laget av et etatomig tykt karbonatomer kalt grafen kunne fungere like godt og krever mindre press for å pumpe vann gjennom enn polyamid, som er omtrent tusen ganger tykkere. Mindre trykk betyr mindre energi for å betjene systemet, og derfor redusere energiregninger.

Grafene er ikke bare holdbart og utrolig tynt, men i motsetning til polyamid er det ikke følsomt for vannbehandlingskomponenter som klor. I 2013 patenterte Lockheed Martin Perforene-membranen, som er et atom tykt med hull som er små nok til å fange salt og andre mineraler, men som tillater vann å passere.

En annen populær nanomaterialløsning er karbonnanorør, sier Philip Davies, en forsker fra Aston University, som spesialiserer seg på energieffektive systemer for vannbehandling. Carbon nanorør er attraktive av samme grunner som grafen - sterkt, holdbart materiale pakket i en liten pakke - og kan absorbere mer enn 400 prosent av vekten i salt.

Membranene må byttes ut, slik at karbon nanorørens holdbarhet og høy absorpsjonshastighet kan redusere utskiftningsfrekvensen, noe som sparer tid og penger.

Membranteknologi alle "høres sexy ut, men det er ikke lett," sier Pankratz. "Det er ingeniørutfordringer når du gjør noe så tynt som fortsatt opprettholder integritet."

Grafene og karbonnanorør er årtier vekk fra utbredt bruk, sier Wendell Ela, en professor i kjemisk og miljøteknikk i University of Arizona. "Jeg ser dem ha en innflytelse, men det er en vei ut."

Truby sa barrierer for kommersialisering inkluderer engineering slike små materialer og gjør nye membraner kompatible med nåværende planter og infrastruktur.

"Det vil være nøkkelen til å oppgradere systemer uten å rive dem ned og bygge en helt ny plante," sier han.

Videresende osmose

Andre ser utover omvendt osmose til en annen prosess kjent som fremover-osmose. Ved fremover-osmose trekkes sjøvann inn i systemet med en løsning som har salter og gasser, noe som skaper en høy osmotisk trykkforskjell mellom løsningene. Løsningene passerer gjennom en membran sammen, og etterlater saltene bak.

Ela sier videre at osmose vil være "mest mulig effektiv som forbehandling og ikke som en frittstående behandling på kommersielle sjøvannsbruk" fordi omvendt osmose utfører bedre i stor skala. Som forbehandling kan fremover-osmose forlenge omvendt osmosemembranes levetid og fremme total systemhelse ved å redusere de nødvendige desinfeksjonsmidlene og andre forbehandlingsalternativer.

Prosessen skal bruke mindre energi enn omvendt osmose, sier Ela, siden den drives av termodynamikk. Men i fjor rapporterte MIT-forskere at fremover-osmose for avsaltning kan vise seg å være mer energiintensiv enn omvendt osmose på grunn av den høye saltkonsentrasjonen i løsningen som kommer fra første trinn.

Britisk selskap Moderne Vann driver den første kommersielle fremovermosseanlegget i Oman, på den arabiske halvøyens sørøstlige kyst. Ved 26,000 gallon per dag har systemet en mye mindre kapasitet enn de fleste store omvendte osmose systemer. Selskapets tjenestemenn returnerte ikke forespørsler om kommentarer til anlegget. Men en selskapsrapport bemerket at anlegget hadde en 42-prosent reduksjon i energi sammenlignet med omvendt osmose.

Heather Cooley, vannprogram direktør med Stillehavsinstituttet, en California-basert bærekraftforskningsorganisasjon, sier at de fleste fremadrettede osmose-teknologier fortsatt er i forsknings- og utviklingsfasen, og at kommersiell bruk er fem til 10 år ut.

Fortynningsløsning

En annen tilnærming til å redusere energikostnaden ved avsaltning er RO-PRO, eller omvendt osmose trykkretardert osmose. RO-PRO virker ved å passere en nedsatt ferskvannskilde, som for eksempel avløpsvann, gjennom en membran inn i den høye saltoppløsningen igjen fra omvendt osmose, som normalt vil bli utslippt til havet. Blandingen av de to produserer trykk og energi som brukes til å drive en omvendt osmosepumpe.

Inspirert av et system som brukes av Statkraft, et norskbasert vannkraft- og fornybart energiselskap, University of Southern California miljøteknologiprofessor Amy Childress og kolleger, driver nå RO-PRO i California. Childress sier "optimistiske" anslag viser at RO-PRO kan redusere energien som trengs for omvendt osmose 30-prosent. Hun bemerker at noen uspesifiserte selskaper har vist interesse for deres pilot.

Recapturing og Renewable Energy

Fravel sier at mange planter prøver å gjenvinne energi fra prosessen. Turboladere, for eksempel, tar kinetisk energi fra den utgående strømmen av konsentrert saltvann og setter det på nytt på siden av innkommende sjøvann. "Du kan ha 900 [pounds per square inch] på fôrsiden og konsentratet kan komme ut på 700 psi. Det er mye energi i konsentratstrømmen, sier han.

Inkludering av fornybar energi i energiinngangssiden av ting er en spesielt lovende tilnærming til å øke desalineringens bærekraft. Å oppnå vann før det går til membraner kan også spare energi. «Jo bedre du kan rense vann før det går i omvendt osmose, desto bedre går det,» sier Fravel. Planter i Bahrain, Japan, Saudi-Arabia og Kina bruker forbehandling for en jevnere omvendt osmose-prosess.

Inkludering av fornybar energi i energiinngangssiden av ting er en spesielt lovende tilnærming til å øke avsaltnings bærekraft. For tiden kommer anslagsvis 1 prosent av desalert vann fra energi fra fornybare kilder, hovedsakelig i småskala anlegg. Men større planter begynner å legge til fornybar energi i sin energiportefølje.

Etter mange års kamp med tørke tok Australia seks avsaltningsanlegg på nettet fra 2006 til 2012, og investerte mer enn $ 10 milliarder. Planterne bruker alle fornybare energikilder, hovedsakelig gjennom nærliggende vindkraftanlegg som legger energi inn i rutenettet, sier Pankratz. Og Sydney Water desalination anlegget, som leverer om 15 prosent av vann til Australias mest befolkede by, drives av offsets fra 67 turbine Capital Wind Farm om 170 miles i sør.

Solenergi er attraktiv for mange tunge avsaltningsland - spesielt de i Midtøsten og Karibien hvor sol er rikelig. I en av de mer ambisiøse prosjektene, fortalte De forente arabiske emirater energiselskapet Masdar i 2013 at det jobber med verdens største soldrevne avsaltningsanlegg, som kan produsere mer enn 22 millioner liter per dag, med en planlagt lansering i 2020.

Miljøpåvirkninger

Planer om bruk av sjøvann må selvfølgelig vurdere konsekvensene for sjølivet. Mange avsaltningsanlegg bruker åpne havinntak; disse blir ofte screenet, men desalineringsprosessen kan fortsatt drepe organismer under inntak eller i plantens behandlingsfaser, sier Cooley. Nye underlagsinntak, som går under sanden for å bruke det som et naturlig filter, kan bidra til å lindre denne bekymringen.

Også, det er problemet med hvordan man kvitte seg med mye veldig brittent vann etter avsaltning. Hver eneste gallon et anlegg tar i betyr en liter drikkevann og en liter vann som er omtrent dobbelt så salt som da den kom inn. De fleste planter tømmer dette tilbake i samme vannkilde som tjener som inntakskilde.

Ela sier at mindre planter, som for eksempel osmoseplanten i Oman, kan være fremtidens desaleringsteknologi. RO-PRO-teknologien gir en måte å redusere saltkonsentrasjonen i utslippet, noe som kan skade bunnhusets skapninger. En annen metode som blir populær, er bruken av diffusorer, en serie dyser som øker volumet av sjøvannblanding med konsentratutløpet som hindrer flekker av høyt salt.

I en av de nyere, nylige undersøkelsene som omhandler sjøutslipp oppvarmet Davies of Aston University opp briny utslipp med solenergi for å konvertere magnesiumklorid til magnesiumoksid, som han kaller "et godt agent for å absorbere karbondioksid". Forskningen er fortsatt den naserende stadier, men kan ha den doble miljøfordelen ved å redusere utslipp og fjerne CO₂ fra havet ved hjelp av solenergi for å zap konsentratet.

Størrelsesvis

Ela sier at mindre planter, for eksempel Osmos-anlegget i Oman, kan være fremtidens desaleringsteknologi. Mange av de nyere innovasjonene kunne gi økonomisk mening i mindre skala, og selskaper ville ikke måtte investere så mye i infrastruktur, sier han.

"I stedet for store planter kan vi komme ned til 10,000 gallon per desaltningsanlegg," sier Ela. "Jeg ser desentralisering og små avsaltningsanlegg som serverer små samfunn."

Dette vil også gi miljømessige fordeler som å la fornybar energi spille en større rolle, siden det er mye lettere å drive små planter med sol og vind enn store, sier han.

Pankratz sier avsalting vil alltid være dyrere enn å behandle ferskvann. Likevel, innovasjoner vil hjelpe avsalting bli et stadig mer fungerende alternativ som etterspørselen etter ferskvann vokser i en stadig tørst verden.

Denne artikkelen opprinnelig dukket opp på Ensia

Om forfatteren

Brian Bienkowski fungerer som redaktør for Environmental Health News og søstersiden, The Daily Climate. Han har en mastergrad i miljøjournalistikk og en bachelorgrad i markedsføring fra Michigan State University. Han bor sammen med sin miniatyrdachs, Louie, i Lansing, Michigan.

Relatert bok

at

Takk for besøket InnerSelf.com, der det er 20,000 + livsendrende artikler som fremmer "Nye holdninger og nye muligheter." Alle artikler er oversatt til 30+ språk. Bli medlem! til InnerSelf Magazine, utgitt ukentlig, og Marie T Russells Daily Inspiration. InnerSelf Magazine har blitt utgitt siden 1985.