咸水可以消除我们越来越渴吗?

咸水可以消除我们越来越渴吗?

一个越来越缺水的世界将淡化海水的新面貌。 这似乎很简单:把盐从水里拿出来,这样可以饮用。

但是它比乍看起来要复杂得多。 随着人口增长,发展,干旱,气候变化等问题日益严重,淡水资源日益紧张的世界也越来越重要。 这就是为什么从美国到澳大利亚的研究人员和公司正在微调一个有着几百年历史的概念,这个概念可能是消除世界渴望的未来。

“当涉及到增加供水时,你有四种选择:增加再利用量,增加储存量,保存或转向新的来源,”海水淡化顾问兼当前贸易出版物编辑Tom Pankratz说。 海水淡化报告. “而世界上许多地方,唯一的新来源是海水淡化。”

昂贵的过程

海水淡化技术已有数百年的历史。 在中东地区,人们长期以来淡化地下水或海水,然后浓缩蒸汽生产无盐水饮用,有时还用于农业灌溉。

随着时间的推移,这个过程变得更加复杂 大多数现代化的海水淡化设施都使用反渗透,在高压下通过半透膜去除水和其他矿物质。

在全球范围内,300国家的17,000海水淡化厂多达数百万人从中获得一些淡水。 中东国家由于需求和能源的可用性而主导了这个市场,但随着世界各地淡水缺乏的威胁,其他国家正在迅速加入其行列。 根据审计长兼前总裁兰迪·特鲁比(Randy Truby)的说法,行业容量正在以每年150的速度增长 国际海水淡化协会,这个行业组织在澳大利亚和新加坡等地“爆发”。

在美国,在加利福尼亚州的卡尔斯巴德(Carlsbad,Calif。)建造一个价值10亿美元的1工厂,为圣地亚哥地区提供大约7的饮用水需求。 当它在2015后期上线时,它将是北美最大的,每天的50-百万加仑的产能。 加利福尼亚州目前正在开展有关16海水淡化厂的建议。


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地球上的大部分水都存在于海洋和其他海水中。

但海水淡化是昂贵的。 Pankratz表示,从海水淡化厂回收的1000加仑淡水的平均成本是美国消费者$ 2.50至$ 5,而传统淡水则为$ 2。

这也是能源消耗:世界各地的海水淡化厂消耗 每天超过200百万千瓦时,能源成本估计为工厂总运营和维护成本的55百分比。 它需要大部分反渗透装置,从3到10千瓦时的能量,从海水中产生一立方米的淡水。 传统饮用水处理厂一般在每立方米1 kWh以下使用。

而且它可能会引起环境问题,从海洋生物的迁移到改变周围的盐浓度。

研究一套海水淡化的改进正在进行中,以使这个过程更便宜,更环保 - 包括减少对化石燃料所产生的能量,它通过对气候变化,有助于在第一时间到淡水短缺长期存在的恶性循环依赖。

膜升级

大多数专家认为,反渗透的效率与其将要达到的一样高。 但是一些研究人员试图通过改善用于从水中分离盐的膜来进一步挤压。

目前用于脱盐的膜主要是聚酰胺薄膜,卷成中空的管子,水芯通过管子。 节约能源的一种方法是增加膜的直径,这与它们可以制造多少淡水直接相关。 越来越多的公司正在从8-inch转向16-inch直径的膜,这些膜的有效面积是其四倍。

“你能产生更多的水,同时减少碳足迹的设备,”哈罗德Fravel小,执行董事说: 美国膜技术协会该组织推动了水净化系统的使用。

大量的膜研究都集中在纳米材料上,这些材料是关于100,000倍于人发直径的材料。 麻省理工学院的研究人员在2012上报道说,由一个原子厚度的碳原子构成的薄膜(称为石墨烯)可以起到很好的作用,并且需要较少的压力来泵送水,而聚酰胺的厚度大约是一千倍。 较少的压力意味着较少的能量来操作该系统,并因此降低能源费用。

石墨烯是不仅坚固耐用,令人难以置信的薄,但与聚酰胺,它不是水处理化合物,如氯敏感。 在2013,洛克希德·马丁公司获得专利的Perforene膜,这是一个原子厚的有孔小到足以陷阱盐和其他矿物质,但允许水通过。

阿斯顿大学的研究员菲利普·戴维斯(Philip Davies)说,另一种流行的纳米材料解决方案是碳纳米管,他专门研究水处理的节能系统。 碳纳米管由于与石墨烯相同的原因而具有吸引力 - 坚固耐用的材料包装在一个小的包装中,并且可以吸收超过400重量百分比的盐。

膜必须被换出,因此碳纳米管的耐用性和高吸收率可以减少更换频率,节省时间和金钱。

膜技术“听起来很性感,但这并不容易”,Pankratz说。 “制造如此薄的东西,仍然存在工程上的挑战,仍然保持完整。”

亚利桑那大学化学与环境工程教授Wendell Ela说,石墨烯和碳纳米管距离广泛使用已有数十年的历史了。 “我确实看到他们有影响,但这是一个出路。”

Truby说,商业化的障碍包括设计这样的小材料,并使新的膜与当前的工厂和基础设施兼容。

“这对于升级系统而不是撕毁它们并建立一个全新的工厂是关键,”他说。

正向渗透

其他公司正在将反渗透视为另一个称为正向渗透的过程。 在正向渗透中,海水通过具有盐和气体的溶液被吸入系统,这导致溶液之间的高渗透压差。 溶液一起通过膜,留下盐。

伊拉说,正向渗透“可能是最有效的预处理,而不是作为商业海水厂的独立处理”,因为反渗透大规模表现更好。 作为预处理,正向渗透可以延长反渗透膜的使用寿命,并通过减少所需的消毒剂和其他预处理选项来提高整个系统的健康。

这个过程应该比反渗透使用更少的能源,埃拉说,因为它是由热力学驱动。 但最后夏天麻省理工学院的科学家报道,脱盐正向渗透可能证明更多的能量比反渗透密集由于在从第一步骤中得到的溶液中的高盐浓度。

英国公司 现代水 在阿曼半岛东南沿海经营着第一家商业正向渗透工厂。 在每天26,000加仑的情况下,该系统的容量比大多数大型反渗透系统小得多。 公司官员没有回复对工厂的评论请求。 然而,公司报告指出,与反渗透相比,该工厂的能耗降低了42%。

希瑟·库利(Heather Cooley),水利项目主任 太平洋研究所一家位于加利福尼亚州的可持续发展研究机构表示,大多数正向渗透技术仍处于研究和开发阶段,商业用途是10年的五倍。

稀释液

降低海水淡化的能源成本的另一种方法是RO-PRO,或反渗透压力延迟渗透。 RO-PRO作品通过传递受损淡水源,例如废水,通过膜进入从反渗透高度盐溶液残留物,这通常被排放到海洋。 两者的混合产生被用于驱动一个反渗透泵压力和能量。

受到所使用的系统的启发 挪威国家电力公司挪威的水电和可再生能源公司,南加州大学环境工程学教授Amy Childress及其同事正在加利福尼亚州试用RO-PRO。 Childress说“乐观”估计显示RO-PRO可以减少反渗透所需的能量30百分比。 她指出,一些未具体说明的公司对其试点表现出兴趣。

回收和可再生能源

弗拉维尔说,许多工厂正试图从这个过程中夺回能源。 例如,涡轮增压器从浓缩盐水的输出流中获取动能,并将其重新应用于进入海水的一侧。 “你可能在进料端有900 [磅/平方英寸],浓缩物可能在700 psi出来。 他说,这是精矿中的大量能源。

将可再生能源纳入能源输入方面是提高海水淡化可持续性的一个特别有前途的方法。在水进入膜之前对水进行预处理也可以节省能源。 Fravel说:“在进入反渗透之前,清洁水的效果越好,效果越好。” 巴林,日本,沙特阿拉伯和中国的工厂正在使用预处理来实现更平滑的反渗透过程。

将可再生能源纳入能源输入方面是加强海水淡化可持续性的一个特别有前途的方法。 目前,淡水估计的1百分比来自可再生能源,主要是小型设施。 但是大型工厂开始在其能源组合中添加可再生能源。

在经历了多年的干旱困境后,澳大利亚从2006到2012在线提供了六个海水淡化厂,投资额超过10十亿美元。 Pankratz说,这些电厂都使用一些可再生能源发电,大部分是通过附近的风力发电场将能量输入电网。 悉尼海水淡化厂向澳大利亚人口最多的城市供应约15的水资源,由位于南边67英里的170风力发电机组风力发电场补偿。

太阳能对许多沉重的海水淡化国家尤其具有吸引力,特别是在太阳充足的中东和加勒比地区。 在其中一个更雄心勃勃的项目中,阿拉伯联合酋长国能源公司Masdar在2013上宣布,正在开发世界上最大的太阳能海水淡化厂,每天能生产超过百万加仑22的产品,并计划在2020上发布。

环境影响

当然,使用海水的计划必须考虑对海洋生物的影响。 许多海水淡化设施使用开放的海洋进水口; 这些经常被筛选,但海水淡化过程仍然可以杀死摄入过程中或植物的治疗阶段的有机体,库利说。 新的地下进水口,在沙下面用作天然过滤器,可以帮助缓解这种担忧。

另外,海水淡化后如何去除很多海水,也是一个问题。 每两加仑一个设施就意味着一加仑的饮用水和一加仑的水,大约是进来时的两倍咸水。大多数植物将其排放到作为进水源的同一水体中。

伊拉说,像阿曼的正向渗透装置这样的小型工厂可能会成为海水淡化技术的未来。RO-PRO技术提供了一种降低排放中盐分浓度的办法,它可以危害底栖生物。 越来越受欢迎的另一种方法是使用扩散器,一系列增加海水混合的喷嘴的浓缩物排放防止高盐点。

在最新的海洋放电研究之一,阿斯顿大学的戴维斯(Davies)利用太阳能加热海水,将氯化镁转化为氧化镁,他称之为“一种吸收二氧化碳的良好试剂”。研究仍然是新生阶段,但可能有减少排放和去除CO的双重环境效益2 从海洋使用太阳能来消除浓缩物。

尺寸明智

埃拉说,像阿曼的正向渗透装置这样的小型工厂可能是海水淡化技术的未来。 他说,很多新的创新技术可以在较小规模上具有经济意义,企业也不需要在基础设施上投入太多。

Ela说:“除了大型设备外,我们可能会选择每天加工10,000加仑的海水淡化厂。 “我看到分散和小型海水淡化厂为小社区服务。”

他说,这也将带来环境效益,例如允许可再生能源发挥更大的作用,因为太阳能和风能比大型太阳能和风力发电要容易得多。

Pankratz说脱盐总是比治疗淡水更昂贵。 尽管如此,创新将有助于为淡水需求的增长日益干渴世界海水淡化日益成为可行的选择。

查看Ensia主页 这篇文章最初出现在 Ensia

关于作者

bienkowski布赖恩Brian Bienkowski是“环境健康新闻”及其姊妹网站“每日气候”的编辑。 他拥有密歇根州立大学环境新闻硕士学位和市场营销学士学位。 他住在密歇根州兰辛的迷你腊肠犬路易。

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