Eine zunehmend wasserarme Welt betrachtet die Entsalzung neu. Es scheint einfach genug: Nimm das Salz aus dem Wasser, damit es trinkbar ist.

Aber es ist viel komplexer als es auf den ersten Blick scheint. Es ist auch in einer Welt, in der Süßwasserressourcen zunehmend durch Bevölkerungswachstum, Entwicklung, Dürre, Klimawandel und mehr belastet werden, von immer größerer Bedeutung. Deshalb stimmen Forscher und Unternehmen aus den USA bis Australien ein jahrhundertealtes Konzept ab, das vielleicht die Zukunft ist, den Durst der Welt zu stillen.

"Wenn es darum geht, die Wasserversorgung zu erhöhen, haben Sie vier Möglichkeiten: Erhöhen Sie die Wiederverwendung, erhöhen Sie die Lagerhaltung, konservieren Sie sie oder nutzen Sie eine neue Quelle", sagt Tom Pankratz, Entsalzungsberater und aktueller Herausgeber der wöchentlichen Fachzeitschrift Wasserentsalzung Bericht. "Und für viele Orte auf der Welt ist die einzige neue Quelle die Entsalzung."

Kostspieliger Prozess

Entsalzungstechnologie gibt es seit Jahrhunderten. Im Nahen Osten verdunstet Menschen lange Zeit brackiges Grundwasser oder Meerwasser, kondensierten dann den Dampf und produzierten salzfreies Wasser zum Trinken oder in manchen Fällen zur landwirtschaftlichen Bewässerung.

Mit der Zeit wurde der Prozess anspruchsvoller. Die meisten modernen Entsalzungsanlagen verwenden Umkehrosmose, bei der Wasser mit hohem Druck durch semipermeable Membranen gepumpt wird, die Salz und andere Mineralien entfernen.

Weltweit erhalten über 300 Millionen Menschen in 17,000-Ländern Frischwasser aus mehr als 150 Entsalzungsanlagen. Die Länder des Nahen Ostens haben diesen Markt aus Notwendigkeit und Verfügbarkeit von Energie beherrscht, aber da sich Süßwasserknappheit überall auf der Welt ausbreitet, schließen sich andere schnell ihren Reihen an. Laut Randy Truby, dem Rechnungsprüfer und früheren Präsidenten der USA, wächst die Industriekapazität um 8 pro Jahr Internationale Entsalzungsvereinigung, eine Industriegruppe mit "Ausbrüchen" an Orten wie Australien und Singapur.

In den Vereinigten Staaten wird in Carlsbad, Kalifornien, eine $ 1-Milliarde-Anlage gebaut, um etwa 7 Prozent des Trinkwasserbedarfs für die Region San Diego zu decken. Wenn es im späten 2015 online geht, wird es mit einer Kapazität von 50 Millionen Gallonen pro Tag die größte in Nordamerika sein. Und Kalifornien hat derzeit etwa 16 Entsalzungsanlagen Vorschläge in den Werken.

Der größte Teil des Wassers der Erde befindet sich in den Ozeanen und anderen Salzwasserkörpern.

Aber Entsalzung ist teuer. Eintausend Gallonen Süßwasser aus einer Entsalzungsanlage kosten den durchschnittlichen US-Verbraucher $ 2.50 zu $ ​​5, sagt Pankratz, verglichen mit $ 2 für konventionelles Süßwasser.

Es ist auch ein Energiefresser: Entsalzungsanlagen auf der ganzen Welt verbrauchen mehr als 200 Millionen Kilowattstunden pro TagMit Energiekosten werden geschätzte 55 Prozent der gesamten Betriebs- und Wartungskosten der Anlagen veranschlagt. Um einen Kubikmeter Süßwasser aus Meerwasser zu erzeugen, benötigen die meisten Umkehrosmose-Anlagen von 3 bis 10 Kilowattstunden Energie. Herkömmliche Trinkwasseraufbereitungsanlagen verwenden typischerweise unter 1 kWh pro Kubikmeter.

Und es kann zu Umweltproblemen führen, die Meeresbewohner verdrängen und die Salzkonzentrationen um sie herum verändern.

Die Erforschung einer Reihe von Meerwasserentsalzung Verbesserungen ist im Gange der Prozess kostengünstiger und umweltfreundlicher zu machen - einschließlich der Verringerung der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen abgeleitet Energie, die durch einen Beitrag zum Klimawandel, den Teufelskreis verewigt, die Engpässe in erster Linie zu Süßwasser beiträgt.

Membran-Upgrade

Die meisten Experten sagen, dass die Umkehrosmose so effizient ist, wie sie wird. Aber einige Forscher versuchen, mehr zu drücken, indem sie die Membranen verbessern, die benutzt werden, um Salz vom Wasser zu trennen.

Die zur Entsalzung verwendeten Membranen sind hauptsächlich dünne Polyamidfilme, die zu einem hohlen Rohr gerollt sind, durch welches das Wasser wandert. Eine Möglichkeit, Energie zu sparen, besteht darin, den Durchmesser der Membranen zu erhöhen, der direkt mit dem Frischwassergehalt korreliert. Unternehmen bewegen sich zunehmend von 8-Zoll zu 16-Zoll Durchmesser Membranen, die vier Mal die aktive Fläche haben.

"Sie können mehr Wasser produzieren, während die Stellfläche für die Ausrüstung zu reduzieren", sagt Harold Fravel Jr., Geschäftsführer der American Membrane Technology Association, eine Organisation, die den Einsatz von Wasseraufbereitungssystemen vorantreibt.

Viele Membranforschung konzentriert sich auf Nanomaterialien - Materialien über 100,000 mal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology berichteten in 2012, dass eine Membran aus einer einatomigen Kohlenstoffschicht, Graphen genannt, ebenso gut funktionieren könnte und weniger Druck benötigt, um Wasser zu pumpen als Polyamid, das etwa tausendmal dicker ist. Weniger Druck bedeutet weniger Energie für den Betrieb des Systems und damit geringere Energiekosten.

Graphen ist nicht nur langlebig und unglaublich dünn, aber im Gegensatz zu Polyamid, es ist nicht empfindlich auf Wasserbehandlung Verbindungen wie Chlor. In 2013 patentierte Lockheed Martin die Perforene Membran, die mit Löchern klein genug, um zu stoppen Salz und anderen Mineralien ein Atom dick ist aber, dass damit das Wasser passieren.

Eine weitere beliebte Nanomateriallösung sind Kohlenstoff-Nanoröhren, sagt Philip Davies, ein Forscher der Aston University, der sich auf energieeffiziente Systeme für die Wasseraufbereitung spezialisiert hat. Kohlenstoffnanoröhrchen sind aus den gleichen Gründen attraktiv wie Graphen - starkes, haltbares Material, das in einem winzigen Paket verpackt ist - und können mehr als 400 Prozent ihres Gewichts in Salz absorbieren.

Membranen müssen ausgetauscht werden, so dass die Haltbarkeit und die hohe Absorptionsrate der Kohlenstoffnanoröhrchen die Austauschhäufigkeit verringern und Zeit und Geld sparen können.

Die Membrantechnologie klingt "sexy, aber nicht einfach", sagt Pankratz. "Es gibt technische Herausforderungen, wenn man etwas so dünn macht, dass es immer noch integer bleibt."

Graphen und Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind Jahrzehnte weit verbreitet, sagt Wendell Ela, Professor für Chemie und Umwelttechnik an der University of Arizona. "Ich sehe, dass sie einen Einfluss haben, aber es ist ein Ausweg."

Truby sagte, dass Barrieren für die Kommerzialisierung die Entwicklung solcher kleinen Materialien und die Herstellung neuer Membranen, die mit gegenwärtigen Anlagen und Infrastruktur kompatibel sind, beinhalten.

"Es ist wichtig, Systeme zu verbessern, ohne sie abzureißen und eine ganze neue Anlage zu bauen", sagt er.

Vorwärts-Osmose

Andere suchen über die Umkehrosmose hinaus einen anderen Prozess, der als Vorwärtsosmose bekannt ist. Bei der Vorwärtsosmose wird Meerwasser durch eine Lösung, die Salze und Gase enthält, in das System hineingezogen, was einen hohen osmotischen Druckunterschied zwischen den Lösungen erzeugt. Die Lösungen gehen zusammen durch eine Membran und lassen die Salze zurück.

Ela sagt, dass die Vorwärtsosmose "wahrscheinlich am effizientesten als Vorbehandlung und nicht als Stand-Alone-Behandlung in kommerziellen Meerwasserpflanzen sein wird", weil die Umkehrosmose in großem Maßstab besser funktioniert. Als Vorbehandlung kann die Vorwärtsosmose die Lebensdauer von Umkehrosmosemembranen verlängern und die Gesundheit des Gesamtsystems durch Reduzierung der benötigten Desinfektionsmittel und anderer Vorbehandlungsoptionen fördern.

Der Prozess sollte weniger Energie als Umkehrosmose verwenden, sagt Ela, da es durch die Thermodynamik angetrieben wird. Aber im letzten Sommer MIT Wissenschaftler berichteten, dass vorn Osmose zur Entsalzung könnte energieintensiver als Umkehrosmose unter Beweis stellen aufgrund der hohen Salzkonzentration in der Lösung aus dem ersten Schritt resultiert.

Britische Firma Modern, Wasser, betreibt die erste kommerzielle Osmoseanlage in Oman an der Südostküste der arabischen Halbinsel. Bei 26,000 Gallonen pro Tag hat das System eine viel geringere Kapazität als die meisten Umkehrosmosesysteme. Mitarbeiter des Unternehmens antworteten nicht auf Kommentare zu der Anlage. In einem Unternehmensbericht wurde jedoch festgestellt, dass die Anlage im Vergleich zur Umkehrosmose eine um 42 prozentuale Energieverringerung aufwies.

Heather Cooley, Wasserprogrammdirektorin bei der Pacific Institute, eine in Kalifornien ansässige Nachhaltigkeitsforschungsorganisation, sagt, dass die meisten Vorwärts-Osmose-Technologien noch in der Forschungs- und Entwicklungsphase sind und dass die kommerzielle Nutzung fünf bis 10 Jahre dauert.

Verdünnungslösung

Ein weiterer Ansatz, um die Energiekosten zu reduzieren, ist die Entsalzung RO-PRO oder Umkehrosmose Druck verzögert Osmose. RO-PRO Werke durch eine gestörte Süßwasserquelle vorbei, wie Abwasser, durch eine Membran in die hochSalzLösung Überbleibsel aus der Umkehrosmose, die in der Regel auf das Meer entlassen werden würde. Das Mischen der beiden erzeugt Druck und Energie, die verwendet wird, eine Umkehr-Osmose-Pumpe anzutreiben.

Inspiriert von einem System von Statkraft, ein in Norwegen ansässiges Unternehmen für Wasserkraft und erneuerbare Energien, Professor Amy Childress, University of Southern California und Professor für Umwelttechnik, pilotieren RO-PRO in Kalifornien. Childress sagt "optimistische" Schätzungen zeigen, RO-PRO kann die Energie für Umkehrosmose 30 Prozent reduzieren. Sie stellt fest, dass einige nicht näher bezeichnete Unternehmen Interesse an ihrem Pilotprojekt gezeigt haben.

Rückgewinnung und erneuerbare Energie

Fravel sagt, dass viele Pflanzen versuchen, Energie aus dem Prozess zurückzugewinnen. Turbolader nehmen zum Beispiel kinetische Energie aus dem abfließenden Strom konzentrierten Salzwassers und setzen sie erneut auf die Seite des einströmenden Meerwassers. "Sie könnten 900 [Pfund pro Quadratzoll] auf der Feed-Seite haben und das Konzentrat könnte bei 700 psi herauskommen. Das ist eine Menge Energie im Konzentratstrom ", sagt er.

Die Einbeziehung von erneuerbaren Energien in die Energieeinspeisungsseite ist ein besonders vielversprechender Ansatz, um die Nachhaltigkeit der Entsalzung zu verbessern. Das Vorspülen von Wasser vor der Membran kann ebenfalls Energie sparen. "Je besser man Wasser reinigen kann, bevor es in die Umkehrosmose geht, desto besser läuft es", sagt Fravel. Anlagen in Bahrain, Japan, Saudi-Arabien und China nutzen eine Vorbehandlung für einen sanfteren Umkehrosmoseprozess.

Die Einbeziehung erneuerbarer Energien in die Energieeinspeisungsseite ist ein besonders vielversprechender Ansatz zur Verbesserung der Nachhaltigkeit der Entsalzung. Derzeit wird schätzungsweise 1 Prozent des entsalzten Wassers aus Energie aus erneuerbaren Quellen gewonnen, hauptsächlich in kleinen Anlagen. Aber größere Anlagen beginnen, ihr Energieportfolio um erneuerbare Energien zu ergänzen.

Nach Jahren der Dürrekatastrophe brachte Australien sechs Entsalzungsanlagen online von 2006 zu 2012 und investierte mehr als $ 10 Milliarden. Die Anlagen nutzen alle erneuerbaren Energiequellen, vor allem durch nahegelegene Windparks, die Energie ins Netz einspeisen, sagt Pankratz. Und die Sydney Water-Entsalzungsanlage, die 15 Prozent Wasser in Australiens bevölkerungsreichste Stadt liefert, wird von Offsets der 67-Turbine Capital Wind Farm über 170 Meilen im Süden angetrieben.

Solarenergie ist attraktiv für viele schwere Entsalzungsländer - insbesondere im Nahen Osten und in der Karibik, wo die Sonne reichlich vorhanden ist. In einem der ehrgeizigeren Projekte kündigte das Energieunternehmen Masdar aus den Vereinigten Arabischen Emiraten an, in 2013 an der weltgrößten solarbetriebenen Entsalzungsanlage zu arbeiten, die mehr als 22 Millionen Gallonen pro Tag produzieren könnte, mit einer geplanten Einführung in 2020.

Umwelteinflüsse

Pläne, Meerwasser zu verwenden, müssen natürlich die Auswirkungen auf das Leben im Meer berücksichtigen. Viele Entsalzungsanlagen nutzen offene Ozeane. Diese werden oft gescreent, aber der Entsalzungsprozess kann immer noch Organismen während der Aufnahme oder innerhalb der Behandlungsphasen abtöten, sagt Cooley. Neue unterirdische Einlässe, die unter den Sand gehen, um ihn als natürlichen Filter zu verwenden, könnten helfen, diese Bedenken zu lindern.

Außerdem gibt es das Problem, wie man viel sehr salziges Wasser nach der Entsalzung loswird. Alle zwei Gallonen, die eine Anlage einnimmt, bedeutet eine Gallone trinkbares Wasser und eine Gallone Wasser, die ungefähr zweimal so salzig ist wie beim Eintreten. Die meisten Pflanzen geben diese zurück in den gleichen Wasserkörper, der als Aufnahmequelle dient.

Laut Ela könnten kleinere Anlagen wie die Osmoseanlage in Oman die Zukunft der Entsalzungstechnologie sein. Die RO-PRO-Technologie bietet eine Möglichkeit, die Salzkonzentration im Abfluss zu reduzieren, was Bodenbewohner schädigen kann. Eine andere Methode, die an Popularität gewinnt, ist die Verwendung von Diffusoren, einer Reihe von Düsen, die das Volumen des Meerwassers erhöhen, das sich mit dem Konzentratauslass vermischt, was Stellen mit hohem Salzgehalt verhindert.

In einer der neueren Studien, die sich mit der Ozeanentladung befassen, hat Davies von der Aston University die salzhaltige Entladung mit Solarenergie erhitzt, um Magnesiumchlorid in Magnesiumoxid umzuwandeln, das er "ein gutes Mittel zur Absorption von Kohlendioxid" nennt im Entstehen begriffenen Stadien, könnte aber den doppelten Umweltnutzen der Verringerung der Ausscheidung und der Entfernung von CO haben₂ aus dem Meer mit Solarenergie, um das Konzentrat zu zappen.

Größe klug

Ela sagt, dass kleinere Anlagen wie die Osmoseanlage in Oman die Zukunft der Entsalzungstechnologie sein könnten. Viele der neueren Innovationen könnten in einem kleineren Maßstab wirtschaftlich sinnvoll sein, und Unternehmen müssten nicht so viel in die Infrastruktur investieren, sagt er.

"Anstelle von großen Pflanzen könnten wir zu den Entsalzungsanlagen von 10,000 Gallonen pro Tag kommen", sagt Ela. "Ich sehe Dezentralisierung und kleine Entsalzungsanlagen für kleine Gemeinden."

Dies würde auch Vorteile für die Umwelt bringen, so dass erneuerbare Energien eine größere Rolle spielen könnten, da es viel einfacher ist, kleine Anlagen mit Sonnenenergie und Wind zu betreiben als große, sagt er.

Pankratz sagt Entsalzung wird immer teuer sein, mehr als Süßwasser zu behandeln. Dennoch werden Innovationen Entsalzung eine zunehmend praktikable Option werden helfen, da die Nachfrage nach Süßwasser in einer zunehmend durstigen Welt wächst.

Dieser Artikel erschien ursprünglich auf ENSIA

Über den Autor

Brian Bienkowski ist Herausgeber der Environmental Health News und ihrer Schwesterseite The Daily Climate. Er hat einen Master-Abschluss in Umweltjournalismus und einen Bachelor-Abschluss in Marketing von der Michigan State University. Er lebt mit seinem Miniaturdackel Louie in Lansing, Michigan.

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