鹽水能否讓我們渴望成長?

鹽水能否讓我們渴望成長?

一個日益缺水的世界重新審視了海水淡化。 看起來很簡單:把鹽從水中取出,這樣它就可以飲用了。

但它比初看起來要復雜得多。 在人口增長,發展,乾旱,氣候變化等等逐漸緊張的淡水資源的世界中​​,這一點也越來越重要。 這就是為什麼從美國到澳大利亞的研究人員和公司正在微調一個有著數百年曆史的概念,這可能是解決世界渴望的未來。

“當談到增加供水時,你有四種選擇:增加再利用量,增加儲存量,保存或轉向新的來源,”海水淡化顧問兼當前貿易出版物編輯Tom Pankratz說。 海水淡化報告. “而對於世界上許多地方來說,唯一的新來源是海水淡化。”

成本過程

海水淡化技術已經存在了幾個世紀。 在中東,人們長時間蒸發鹹淡水或海水,然後濃縮蒸汽產生無鹽水,用於飲用,或者在某些情況下,用於農業灌溉。

隨著時間的推移,這個過程變得更加複雜 大多數現代海水淡化設施使用反滲透,其中水在高壓下通過半透膜泵送,去除鹽和其他礦物質。

全球約有300萬人從17,000國家的150海水淡化廠獲得一些淡水。 由於必要性和能源可用性,中東國家主導了該市場,但隨著世界各地淡水短缺的威脅,其他國家正迅速加入其行列。 根據負責人兼前總統蘭迪•特魯比(Randy Truby)的說法,行業產能每年增長約8% 國際海水淡化協會,一個行業集團,在澳大利亞和新加坡等地進行“爆發性活動”。

在美國,正在加利福尼亞州卡爾斯巴德建造價值10億美元的工廠,為聖地亞哥地區提供約1百分比的飲用水需求。 當它在7晚期上線時,它將成為北美最大的,每天容量為2015百萬加侖。 加州目前正在開展有關50海水淡化廠的建議。


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地球上的大部分水都存在於海洋和其他海水體中。

但海水淡化很昂貴。 Pankratz說,海水淡化廠的千加侖淡水使美國消費者的平均消費價格為2.50至5,而傳統淡水的價格為2。

這也是一種能量消耗:世界各地的海水淡化廠消耗 每天超過200百萬千瓦時,能源成本估計為工廠總運營和維護成本的55百分比。 大多數反滲透工廠需要3到10千瓦時的能量才能從海水中產生一立方米的淡水。 傳統的飲用水處理廠通常在每立方米1 kWh下使用良好。

它可能會導致環境問題,從海洋居住的生物轉移到不利地改變它們周圍的鹽濃度。

研究一套海水淡化的改進正在進行中,以使這個過程更便宜,更環保 - 包括減少對化石燃料所產生的能量,它通過對氣候變化,有助於在第一時間到淡水短缺長期存在的惡性循環依賴。

膜升級

大多數專家說,反滲透效果和它的效率一樣高。 但是一些研究人員正試圖通過改進用於從水中分離鹽的膜來擠壓更多。

目前用於脫鹽的膜主要是薄的聚酰胺薄膜,其被捲成中空管,水通過該中空管芯吸。 節省能量的一種方法是增加膜的直徑,這與它們可以製造的淡水量直接相關。 公司越來越多地從8英寸轉向16英寸直徑的膜,其有效面積是其四倍。

“你能產生更多的水,同時減少碳足跡的設備,”哈羅德Fravel小,執行董事說: 美國膜技術協會,一個推進水淨化系統使用的組織。

許多膜研究都集中在納米材料上 - 這種材料的100,000倍小於人類頭髮的直徑。 麻省理工學院的研究人員在2012中報告稱,由一個原子厚度的碳原子片(稱為石墨烯)製成的膜可以同樣工作,並且需要的壓力比聚酰胺需要的壓力小,而聚酰胺厚度大約是其厚度的一千倍。 壓力越小意味著操作系統的能量越少,因此能耗越低。

石墨烯是不僅堅固耐用,令人難以置信的薄,但與聚酰胺,它不是水處理化合物,如氯敏感。 在2013,洛克希德·馬丁公司獲得專利的Perforene膜,這是一個原子厚的有孔小到足以陷阱鹽和其他礦物質,但允許水通過。

另一種流行的納米材料解決方案是碳納米管,菲利普戴維斯說,他是一位專門研究水處理節能係統的阿斯頓大學研究員。 碳納米管的吸引力與石墨烯相同 - 石墨烯是一種堅固耐用的材料,裝在一個小包裝中 - 並且可以吸收超過400重量百分比的鹽。

膜必須換掉,因此碳納米管的耐用性和高吸收率可以降低更換頻率,節省時間和金錢。

Pankratz說,膜技術“聽起來很性感,但並不容易”。 “製作如此薄的東西以保持完整性時,存在工程挑戰。”

亞利桑那大學化學與環境工程學教授溫德爾·埃拉說,石墨烯和碳納米管距離廣泛使用還有幾十年的歷史。 “我確實看到他們有影響,但這是一個出路。”

Truby表示,商業化的障礙包括設計這種小型材料,並使新膜與現有工廠和基礎設施兼容。

“這對於升級系統而不是撕毀它們並建造一個全新的工廠是關鍵,”他說。

正向滲透

其他人正在將反滲透視為另一種稱為正向滲透的過程。 在正向滲透中,海水通過具有鹽和氣體的溶液被吸入系統,這在溶液之間產生高滲透壓差。 溶液一起通過膜,留下鹽。

Ela表示,正向滲透將“作為預處理效率最高,而不是作為商業海水植物的獨立處理”,因為反滲透在大規模上表現更好。 作為預處理,正向滲透可以延長反滲透膜的使用壽命,並通過減少所需的消毒劑和其他預處理選項來促進整個系統的健康。

這個過程應該比反滲透使用更少的能源,埃拉說,因為它是由熱力學驅動。 但最後夏天麻省理工學院的科學家報導,脫鹽正向滲透可能證明更多的能量比反滲透密集由於在從第一步驟中得到的溶液中的高鹽濃度。

英國公司 現代水 該公司在阿曼半島東南沿海經營著第一家商業正向滲透工廠。 在每天26,000加侖的情況下,該系統的容量比大多數大型反滲透系統小得多。 公司官員沒有回復對工廠的評論請求。 然而,公司報告指出,與反滲透相比,該工廠的能量減少了42%。

Heather Cooley,水計劃主任 太平洋學院加利福尼亞州的一家可持續發展研究機構表示,大多數正向滲透技術仍處於研究和開發階段,商業用途是10年的五年。

稀釋液

降低海水淡化的能源成本的另一種方法是RO-PRO,或反滲透壓力延遲滲透。 RO-PRO作品通過傳遞受損淡水源,例如廢水,通過膜進入從反滲透高度鹽溶液殘留物,這通常被排放到海洋。 兩者的混合產生被用於驅動一個反滲透泵壓力和能量。

受到使用的系統的啟發 挪威國家電力公司總部位於挪威的水電和可再生能源公司,南加州大學環境工程學教授Amy Childress及其同事正在加利福尼亞試行RO-PRO。 Childress說“樂觀”估計顯示RO-PRO可以減少反滲透所需的能量30百分比。 她指出,一些未具體說明的公司對他們的飛行員表現出了興趣。

重新捕獲和可再生能源

弗拉維爾說,許多工廠正試圖從這個過程中重新獲得能量。 例如,渦輪增壓器從流出的濃鹽水流中獲取動能,並將其重新施加到進入海水的一側。 “你可能在進料側有900 [磅/平方英寸],濃縮物可能以700 psi出現。 這是精礦流中的大量能量,“他說。

將可再生能源納入能源投入方面是提高海水淡化可持續性的一種特別有前途的方法。在將水轉移到膜之前先將水還能節約能源。 “在進入反滲透之前,你可以更好地清潔水,運行得越好,”弗拉維爾說。 巴林,日本,沙特阿拉伯和中國的工廠正在使用預處理來實現更平穩的反滲透過程。

將可再生能源納入能源投入方面是提高海水淡化可持續性的一種特別有前途的方法。 目前,估計1的淡化水來自可再生能源,主要來自小型設施。 但是大型工廠開始在其能源組合中增加可再生能源。

經過多年的抗旱困難,澳大利亞從2006到2012在線提供了六個海水淡化廠,投資額超過10億。 Pankratz說,這些工廠都使用一些可再生能源,主要通過附近的風力發電場將能量輸入電網。 悉尼海水淡化廠為澳大利亞人口最多的城市提供約15百分比的水,由67-渦輪機風電場的補償提供動力,約為南部的170里程。

太陽能對許多重型海水淡化國家具有吸引力 - 尤其是那些陽光充足的中東和加勒比海地區。 在一個更雄心勃勃的項目中,阿拉伯聯合酋長國能源公司Masdar在2013宣布,它正在開發世界上最大的太陽能海水淡化廠,每天生產超過22百萬加侖,計劃在2020推出。

環境影響

當然,使用海水的計劃必須考慮對海洋生物的影響。 許多海水淡化設施使用開放式海洋入口; Cooley說,這些經常被篩選,但海水淡化過程仍然會在攝入過程中或在植物的處理階段內殺死生物。 新的地下進水口,在沙子下面用作天然過濾器,可以幫助緩解這種擔憂。

此外,還有如何在海水淡化後去除大量非常鹹水的問題。 每加侖兩加侖的設施就意味著加入一加侖的飲用水和一加侖的水,其含鹽量約為進水時的兩倍。大多數植物將其排放回作為進水源的同一水體中。

Ela說,較小的工廠,如阿曼的正向滲透工廠,可能是海水淡化技術的未來.RO-PRO技術提供了一種降低排放鹽濃度的方法,這可能會損害底棲生物。 另一種受歡迎的方法是使用擴散器,一系列噴嘴,增加海水混合的體積與濃縮物排放,防止高鹽點。

在最近一項關於海洋放電的新研究中,阿斯頓大學的戴維斯用太陽能加熱了鹽水放電,將氯化鎂轉化為氧化鎂,他稱之為“吸收二氧化碳的良好劑”。研究仍然是新生階段,但可以具有減少排放和去除CO的雙重環境效益2 來自海洋使用太陽能來消除濃縮液。

大小明智

Ela說,較小的工廠,如阿曼的正向滲透工廠,可能是海水淡化技術的未來。 他說,許多新的創新可以在較小的規模上具有經濟意義,公司也不必在基礎設施上投入太多。

“而不是大型工廠,我們可能會降低每天10,000加侖的海水淡化工廠,”Ela說。 “我認為權力下放和小型海水淡化廠為小社區服務。”

他說,這也將帶來環境效益,例如允許可再生能源發揮更大的作用,因為用太陽能和風能為小型電廠供電比大型電廠更容易。

Pankratz說脫鹽總是比治療淡水更昂貴。 儘管如此,創新將有助於為淡水需求的增長日益乾渴世界海水淡化日益成為可行的選擇。

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關於作者

bienkowski布賴恩Brian Bienkowski擔任環境健康新聞及其姊妹網站The Daily Climate的編輯。 他擁有密歇根州立大學的環境新聞碩士學位和市場營銷學士學位。 他住在密歇根州蘭辛的迷你臘腸犬Louie。

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