Avsaltning - Desalination

Omsaltningsanläggning för omvänd osmos i Barcelona, ​​Spanien

Avsaltning är en process som tar bort mineralkomponenter från saltvatten . Mer allmänt hänvisar avsaltning till avlägsnande av salter och mineraler från en målsubstans, som vid jordavsaltning , vilket är ett problem för jordbruket. Saltvatten (särskilt havsvatten ) avsaltas för att producera vatten som är lämpligt för livsmedel eller bevattning . Den biprodukt av avsaltningsprocessen är saltlösning . Avsaltning används på många sjögående fartyg och ubåtar . Det mesta av det moderna intresset för avsaltning är inriktat på kostnadseffektiv leverans av färskvatten för mänskligt bruk. Tillsammans med återvunnet avloppsvatten är det en av de få nederbördsoberoende vattenresurserna .

På grund av sin energiförbrukning är avsaltning av havsvatten i allmänhet dyrare än sötvatten från ytvatten eller grundvatten , vattenåtervinning och vattenskydd . Dessa alternativ är dock inte alltid tillgängliga och uttömning av reserver är ett kritiskt problem över hela världen. Avsaltningsprocesser drivs vanligtvis av antingen termisk (vid destillation ) eller mekanisk (i fallet med omvänd osmos ) som primära energityper.

Ansökningar

Externt ljud
"Få öknen att blomma: utnyttja naturen för att befria oss från torka" , Poddcast och transkript av destillationer, avsnitt 239, 19 mars 2019, Science History Institute

Schema över en flerstegs flash avsaltare
A - ånga i B - havsvatten i C - dricksvatten ut
D - köldbärare ut (avfall) E - kondensat ut F - värmeväxling G - kondensation samling (avsaltat vatten)
H - brine värmare
De tryckkärls akter som motströmsvärmeväxlare . En vakuumpump sänker trycket i kärlet för att underlätta avdunstningen av det uppvärmda havsvattnet ( saltlake ) som kommer in i kärlet från höger sida (mörkare nyanser indikerar lägre temperatur). Ångan kondenserar på rören ovanpå fartyget där det färska havsvattnet rör sig från vänster till höger.

Plan för en typisk avsaltningsanläggning för omvänd osmos

Det finns nu cirka 21 000 avsaltningsanläggningar i drift runt om i världen. De största finns i Förenade Arabemiraten , Saudiarabien och Israel . Världens största avsaltningsanläggning ligger i Saudiarabien ( Ras Al-Khair kraft- och avsaltningsanläggning ) med en kapacitet på 1 401 000 kubikmeter per dag.

Avsaltning är för närvarande dyrt jämfört med de flesta alternativa vattenkällor, och endast en mycket liten del av den totala användningen av människan tillgodoses genom avsaltning. Det är vanligtvis endast ekonomiskt praktiskt för högt värderade användningsområden (som hushålls- och industriella ändamål) i torra områden. Det finns dock tillväxt i avsaltning för jordbruksbruk och i mycket befolkade områden som Singapore eller Kalifornien. Den mest omfattande användningen är i Persiska viken .

Medan kostnaderna sjunker och i allmänhet positiva till tekniken för välbärgade områden i närheten av hav, hävdade en studie från 2004, "Avsaltat vatten kan vara en lösning för vissa vattenstressregioner, men inte för platser som är fattiga, djupt inne i inuti en kontinent, eller på hög höjd. Tyvärr inkluderar det några av de platser med störst vattenproblem. ", och" Man måste faktiskt lyfta vattnet med 2000 m, eller transportera det över mer än 1600 km för att få transportkostnader lika med avsaltningskostnaderna.

Således kan det vara mer ekonomiskt att transportera färskvatten från någon annanstans än att avsalta det. På platser långt från havet, som New Delhi , eller på höga platser, som Mexico City , kan transportkostnaderna matcha avsaltningskostnader. Avsaltat vatten är också dyrt på platser som både är något långt från havet och något höga, till exempel Riyadh och Harare . Däremot på andra platser är transportkostnaderna mycket lägre, till exempel Peking , Bangkok , Zaragoza , Phoenix och naturligtvis kuststäder som Tripoli . "Efter avsaltning i Jubail i Saudiarabien pumpas vatten 320 km inåt landet till Riyadh . För kuststäder ses avsaltning alltmer som ett konkurrenskraftigt val.

Alla är inte övertygade om att avsaltning är eller kommer att vara ekonomiskt hållbart eller miljömässigt hållbart under överskådlig framtid. Debbie Cook skrev 2011 att avsaltningsanläggningar kan vara energikrävande och kostsamma. Därför kan vattenbelastade regioner göra det bättre att fokusera på bevarande eller andra lösningar för vattenförsörjning än att investera i avsaltningsanläggningar.

Teknik

Avsaltning är en konstgjord process genom vilken saltvatten (vanligtvis havsvatten ) omvandlas till sötvatten. De vanligaste avsaltningsprocesserna är destillation och omvänd osmos .

Det finns flera metoder. Var och en har fördelar och nackdelar men alla är användbara. Metoderna kan delas in i membranbaserade (t.ex. omvänd osmos ) och termobaserade (t.ex. flerstegs blixtdestillation ) metoder. Den traditionella avsaltningsprocessen är destillation , dvs kokning och kondensering av havsvatten för att lämna salt och föroreningar efter sig.

För närvarande finns det två tekniker med mer avsaltningskapacitet i världen, flerstegs blixtdestillation och omvänd osmos .

Destillering

Soldestillation

Soldestillation efterliknar den naturliga vattencykeln, där solen värmer havsvatten tillräckligt för att avdunstning ska ske. Efter avdunstning kondenseras vattenånga till en sval yta. Det finns två typer av solavsaltning. Den förra använder fotovoltaiska celler som omvandlar solenergi till elektrisk energi för att driva avsaltningsprocessen. Den senare utnyttjar solenergin i själva värmeformen och är känd som solvärmadriven avsaltning.

Naturlig avdunstning

Vatten kan avdunsta genom flera andra fysiska effekter förutom solbestrålning. Dessa effekter har inkluderats i en tvärvetenskaplig avsaltningsmetodik i IBTS växthus . IBTS är en industriell avsaltningsanläggning (kraft) på ena sidan och ett växthus som arbetar med den naturliga vattencykeln (nedskalad 1:10) på andra sidan. De olika avdunstnings- och kondensationsprocesserna finns i lågteknologiska verktyg, delvis under jord och byggnadens arkitektoniska form. Detta integrerade biotekturala system är mest lämpligt för storskalig ökenförgröning eftersom det har ett km ² fotavtryck för vattendestillationen och samma för landskapstransformation i ökengrönning, respektive förnyelse av naturliga sötvattencykler.

Vakuumdestillation

Vid vakuumdestillation reduceras atmosfärstrycket, vilket minskar temperaturen som krävs för att avdunsta vattnet. Vätskor kokar när ångtrycket är lika med omgivningstrycket och ångtrycket ökar med temperaturen. Effektivt kokar vätskor vid en lägre temperatur när det omgivande atmosfärstrycket är lägre än vanligt atmosfärstryck. På grund av det reducerade trycket kan sålunda lågtemperatur "spill" -värme från elektrisk kraftproduktion eller industriella processer användas.

Flerstegs blixtdestillation

Vatten förångas och separeras från havsvatten genom flerstegs blixtdestillation , vilket är en serie blixtindunstningar . Varje efterföljande blixtprocess utnyttjar energi som frigörs från kondensationen av vattenånga från föregående steg.

Destillation med flera effekter

Multipel-effektdestillation (MED) fungerar genom en serie steg som kallas "effekter". Inkommande vatten sprutas på rör som sedan värms upp för att generera ånga. Ångan används sedan för att värma nästa sats inkommande havsvatten. För att öka effektiviteten kan ångan som används för att värma havsvattnet tas från närliggande kraftverk. Även om denna metod är den mest termodynamiskt effektiva bland metoder som drivs av värme, finns det några begränsningar, till exempel en max temperatur och max antal effekter.

Ångkompressionsdestillation

Ångkompressionsindunstning innebär att man använder antingen en mekanisk kompressor eller en jetström för att komprimera ångan som finns över vätskan. Den komprimerade ångan används sedan för att ge den värme som behövs för avdunstning av resten av havsvattnet. Eftersom detta system bara kräver ström är det mer kostnadseffektivt om det hålls i liten skala.

Vågdriven avsaltning

CETO är en vågkraftsteknik som avsaltar havsvatten med nedsänkta bojar. Vågdrivna avsaltningsanläggningar började verka på Garden Island i västra Australien 2013 och i Perth 2015.

Membrandestillation

Membrandestillation använder en temperaturskillnad över ett membran för att avdunsta ånga från en saltlösning och kondensera rent vatten på den kallare sidan. Membrans konstruktion kan ha en betydande effekt på effektivitet och hållbarhet. En studie visade att ett membran skapat via koaxial elektrospinning av PVDF - HFP och kiseldioxidgelgel kunde filtrera 99,99% salt efter kontinuerlig 30 dagars användning.

Osmos

Omvänd osmos

Den ledande processen för avsaltning när det gäller installerad kapacitet och årlig tillväxt är omvänd osmos (RO). RO -membranprocesserna använder semipermeabla membran och applicerat tryck (på membranmatningssidan) för att företrädesvis inducera vattengenomträngning genom membranet medan salter avvisas. Omvänd osmos växtmembransystem använder vanligtvis mindre energi än termiska avsaltningsprocesser. Energikostnaderna vid avsaltningsprocesser varierar avsevärt beroende på vattensalthalt, anläggningsstorlek och processtyp. För närvarande är kostnaden för avsaltning av havsvatten till exempel högre än traditionella vattenkällor, men det förväntas att kostnaderna kommer att fortsätta minska med teknikförbättringar som inkluderar, men inte är begränsade till, förbättrad effektivitet, minskning av anläggningarnas fotavtryck, förbättringar av anläggningsdrift och optimering, effektivare foderförbehandling och energikällor till lägre kostnad.

Omvänd osmos använder ett tunnfilmskompositmembran, som består av en ultratunn, aromatisk polyamid tunnfilm. Denna polyamidfilm ger membranet dess transportegenskaper, medan resten av tunnfilmskompositmembranet ger mekaniskt stöd. Polyamidfilmen är en tät, hålfri polymer med en hög ytarea, vilket möjliggör dess höga vattenpermeabilitet. En nyligen genomförd studie har funnit att vattenpermeabiliteten i första hand styrs av den interna nanoskala massfördelningen av det aktiva polyamidskiktet.

Omvänd osmosprocessen är inte underhållsfri. Olika faktorer stör effektiviteten: jonisk kontaminering (kalcium, magnesium etc.); upplöst organiskt kol (DOC); bakterie; virus; kolloider och olösliga partiklar; bioföroreningar och skalning . I extrema fall förstörs RO -membranen. För att mildra skador introduceras olika förbehandlingsstadier. Anti-skalningshämmare inkluderar syror och andra medel, såsom de organiska polymererna polyakrylamid och polymaleinsyra , fosfonater och polyfosfater . Hämmare för förorening är biocider (som oxidanter mot bakterier och virus), såsom klor, ozon, natrium eller kalciumhypoklorit. Med jämna mellanrum, beroende på membranföroreningar; fluktuerande havsvattenförhållanden; eller när det uppmanas av övervakningsprocesser måste membranen rengöras, kallas nöd- eller stötsköljning. Spolning sker med hämmare i en färskvattenlösning och systemet måste gå offline. Detta förfarande är miljöfarligt eftersom förorenat vatten leds ut i havet utan behandling. Känsliga marina livsmiljöer kan skadas irreversibelt.

Off-grid soldrivna avsaltningsenheter använder solenergi för att fylla en bufferttank på en kulle med havsvatten. Omvänd osmosprocessen tar emot sitt trycksatta havsvattenmatning i timmar utan solljus på grund av gravitation, vilket resulterar i en hållbar dricksvattenproduktion utan behov av fossila bränslen, ett elnät eller batterier. Nanorör används också för samma funktion (dvs. omvänd osmos).

Framåt osmos

Framåt osmos använder ett halvgenomsläppligt membran för att åstadkomma separation av vatten från upplösta lösta ämnen. Drivkraften för denna separation är en osmotisk tryckgradient, så att en "drag" -lösning med hög koncentration.

Frys - tina

Frys -tina avsaltning (eller frysning avsaltning) använder frysning för att avlägsna sötvatten från saltvatten. Saltvatten sprutas under frysförhållanden till en kudde där en ishög byggs upp. När säsongsförhållandena är varma återvinns naturligt avsaltat smältvatten. Denna teknik bygger på långa perioder av naturliga frysförhållanden.

En annan metod för frysning och tining, som inte är väderberoende och uppfanns av Alexander Zarchin , fryser havsvatten i vakuum. Under vakuumförhållanden smälter, avsaltas, isen och avleds för uppsamling och saltet samlas upp.

Elektrodialysmembran

Elektrodialys utnyttjar elektrisk potential för att flytta salterna genom par av laddade membran, som fångar salt i alternerande kanaler. Det finns flera olika elektrodialysvarianter, såsom konventionell elektrodialys , elektrodialysomvändning .

Designaspekter

Energiförbrukning

Avsaltningsprocessens energiförbrukning beror på vattnets salthalt. Bräckt vatten avsaltning kräver mindre energi än havsvatten avsaltning. Energiförbrukning avsaltning av havsvatten har nått så lågt som 3 kWh / m ^ inklusive pre-filtrering och tillbehör vilka, liknande energiförbrukningen i andra färska vattenförråd som transporteras över stora avstånd, men mycket högre än lokala färska vattentäkter som använder 0,2 kWh / m ³ eller mindre.

En minsta energiförbrukning för avsaltning av havsvatten på cirka 1 kWh/m ³ har fastställts, exklusive förfiltrering och intag/utloppspumpning. Under 2 kWh/m ³ har uppnåtts med teknik för omvänd osmosmembran , vilket ger begränsat utrymme för ytterligare energibesparingar eftersom energiförbrukningen för omvänd osmos på 1970 -talet var 16 kWh/m ³ .

Att leverera allt amerikanskt hushållsvatten genom avsaltning skulle öka hushållens energiförbrukning med cirka 10%, ungefär den mängd energi som används i hushållskylskåp. Inhemsk förbrukning är en relativt liten bråkdel av den totala vattenanvändningen.

Obs: "Elektrisk ekvivalent" avser mängden elektrisk energi som kan genereras med en given mängd termisk energi och lämplig turbingenerator. Dessa beräkningar inkluderar inte den energi som krävs för att konstruera eller renovera föremål som förbrukas i processen.

Med tanke på avsaltningens energikrävande karaktär, med tillhörande ekonomiska och miljömässiga kostnader, anses avsaltning i allmänhet vara en sista utväg efter vattenbesparing . Men detta förändras när priserna fortsätter att sjunka.

Kraftvärme

Kraftvärme genererar överskottsvärme och elproduktion från en enda process. Kraftvärme kan tillhandahålla användbar värme för avsaltning i en integrerad, eller "dual-purpose", anläggning där ett kraftverk ger energi för avsaltning. Alternativt kan anläggningens energiproduktion ägnas åt produktion av dricksvatten (en fristående anläggning), eller överskottsenergi kan produceras och införlivas i energinätet. Kraftvärme tar olika former, och teoretiskt sett kan alla former av energiproduktion användas. Majoriteten av nuvarande och planerade kraftvärmeavsaltningsanläggningar använder dock antingen fossila bränslen eller kärnkraft som energikälla. De flesta anläggningar ligger i Mellanöstern eller Nordafrika , som använder sina petroleumresurser för att kompensera begränsade vattenresurser. Fördelen med anläggningar med dubbla ändamål är att de kan vara mer effektiva i energiförbrukningen, vilket gör avsaltningen mer livskraftig.

Den Shevchenko BN-350 , en tidigare kärn-heated avsaltningsenhet i Kazakstan

Den nuvarande trenden i anläggningar med dubbla ändamål är hybridkonfigurationer, där permeatet från avsaltning av omvänd osmos blandas med destillat från termisk avsaltning. I grund och botten kombineras två eller flera avsaltningsprocesser tillsammans med kraftproduktion. Sådana anläggningar har implementerats i Saudiarabien i Jeddah och Yanbu .

En typisk superbärare i den amerikanska militären kan använda kärnkraft för att avsalta 1 500 000 L vatten per dag.

Alternativ till avsaltning

Ökad vattenskydd och effektivitet är fortfarande de mest kostnadseffektiva tillvägagångssätten i områden med stor potential att förbättra effektiviteten i vattenanvändningspraxis. Avloppsvattenåtervinning ger flera fördelar jämfört med avsaltning av saltvatten, även om det vanligtvis använder avsaltningsmembran. Urban avrinning och dagvattenuppsamling ger också fördelar vid behandling, återställning och laddning av grundvatten.

Ett föreslaget alternativ till avsaltning i amerikanska sydväst är kommersiell import av bulkvatten från vattenrika områden antingen med oljetankfartyg som omvandlats till vattenbärare eller rörledningar. Idén är politiskt impopulär i Kanada, där regeringar införde handelshinder för export av bulkvatten till följd av ett krav på ett nordamerikanskt frihandelsavtal (NAFTA).

Kostar

Faktorer som avgör kostnaderna för avsaltning inkluderar kapacitet och typ av anläggning, plats, matvatten, arbetskraft, energi, finansiering och koncentratförvaring. Kostnaderna för avsaltning av havsvatten (infrastruktur, energi och underhåll) är i allmänhet högre än färskvatten från floder eller grundvatten , vattenåtervinning och vattenskydd , men alternativ är inte alltid tillgängliga. Avsaltningskostnaderna 2013 varierade från 0,45 dollar till 1,00 dollar/m ³ . Mer än hälften av kostnaden kommer direkt från energikostnaden, och eftersom energipriserna är mycket volatila kan de faktiska kostnaderna variera kraftigt.

Kostnaden för obehandlat sötvatten i utvecklingsländerna kan nå $ 5/kubikmeter.

Avsaltning stillar kontrolltryck, temperatur och saltlösningskoncentrationer för att optimera effektiviteten. Kärnkraftsavsaltning kan vara ekonomiskt i stor skala.

2014 avsaltade de israeliska anläggningarna i Hadera, Palmahim, Ashkelon och Sorek vatten för mindre än 0,40 dollar per kubikmeter. Från och med 2006 avsaltade Singapore vatten för 0,49 dollar per kubikmeter.

Miljöaspekter

Intag

I USA regleras kylvattenintagsstrukturer av Environmental Protection Agency (EPA). Dessa strukturer kan ha samma påverkan på miljön som intag av avsaltningsanläggningar. Enligt EPA orsakar vattenintagstrukturer negativ miljöpåverkan genom att suga fisk och skaldjur eller deras ägg till ett industrisystem. Där kan organismerna dödas eller skadas av värme, fysisk stress eller kemikalier. Större organismer kan dödas eller skadas när de fastnar mot skärmar på framsidan av en insugsstruktur. Alternativa intagstyper som mildrar dessa effekter inkluderar strandbrunnar, men de kräver mer energi och högre kostnader.

Den Kwinana Avsaltning Växt öppnade i Perth 2007. Vatten där och vid Queensland s Gold Coast Avsaltning Växt och Sydneys Kurnell avsaltningsanläggning uttages vid 0,1 m / s (0,33 fot / s), som är tillräckligt långsam för att låta fisken fly. Anläggningen ger nästan 140 000 m ³ (4 900 000 cu ft) rent vatten per dag.

Utflöde

Avsaltningsprocesser producerar stora mängder saltlösning , möjligen vid högre omgivningstemperatur, och innehåller rester av förbehandling och rengöringskemikalier, deras reaktionsbiprodukter och tungmetaller på grund av korrosion (särskilt i värmebaserade anläggningar). Kemisk förbehandling och rengöring är en nödvändighet i de flesta avsaltningsanläggningar, vilket vanligtvis innefattar förhindrande av bioföroreningar, skalning, skumning och korrosion i värmeverk och av bioföroreningar, suspenderade fasta ämnen och avlagringar i membranväxter.

För att begränsa miljöpåverkan från att återlämna saltlake till havet kan den spädas med en annan vattenström som kommer in i havet, till exempel utloppet av ett avloppsreningsverk eller ett kraftverk. Med medelstora till stora kraftverk och avsaltningsanläggningar är kraftverkets kylvattenflöde sannolikt flera gånger större än avsaltningsanläggningen, vilket minskar salthalten i kombinationen. En annan metod för att späda saltlösningen är att blanda den via en diffusor i en blandningszon. Till exempel, när en pipeline som innehåller saltlake når havsbotten kan den dela sig i många grenar, var och en släpper ut saltlösning gradvis genom små hål längs dess längd. Blandning kan kombineras med utspädning av kraftverk eller avloppsvatten. Dessutom kan noll vätskeutsläppssystem antas för att behandla saltlösning före kassering.

En annan möjlighet är att göra avsaltningsanläggningen rörlig och på så sätt undvika att saltlaken byggs upp till en enda plats (eftersom den fortsätter att produceras av avsaltningsanläggningen). Några sådana rörliga (fartygsanslutna) avsaltningsanläggningar har byggts.

Saltlösning är tätare än havsvatten och sjunker därför till havsbotten och kan skada ekosystemet. Koksaltlösning har sett att minska med tiden till en utspädd koncentration, där det var liten eller ingen effekt på den omgivande miljön. Studier har dock visat att utspädningen kan vara vilseledande på grund av djupet på vilket den inträffade. Om utspädningen observerades under sommarsäsongen finns det möjlighet att det kunde ha skett en säsongsbetonad termoklinhändelse som kunde ha hindrat den koncentrerade saltlaken att sjunka till havsbotten. Detta har potential att inte störa havsbotten ekosystemet och istället vattnet ovanför det. Saltlösning från avsaltningsanläggningarna har visat sig färdas flera kilometer bort, vilket betyder att det har potential att skada ekosystem långt bort från växterna. Noggrann återinförande med lämpliga åtgärder och miljöstudier kan minimera detta problem.

Andra problem

På grund av processens natur finns det ett behov av att placera plantorna på cirka 25 tunnland mark på eller nära strandlinjen. När det gäller en anläggning som byggs inåt landet måste rör läggas i marken för att möjliggöra enkelt intag och uttag. Men när rören har lagts ner i marken har de en möjlighet att läcka in i och förorena närliggande akviferer. Bortsett från miljörisker kan bullret från vissa typer av avsaltningsanläggningar vara högt.

Hälsoaspekter

Jodbrist

Avsaltning avlägsnar jod från vatten och kan öka risken för jodbriststörningar . Israeliska forskare hävdade en möjlig koppling mellan avsaltning av havsvatten och jodbrist och fann jodunderskott bland vuxna som utsattes för jodfattigt vatten samtidigt med en ökande andel av deras områdes dricksvatten från havsvattenomvänd osmos (SWRO). De fann senare troliga jodbriststörningar i en befolkning som är beroende av avsaltat havsvatten. En möjlig koppling till kraftig avsaltning av vatten och nationell jodbrist föreslogs av israeliska forskare. De fann en hög börda av jodbrist i den allmänna befolkningen i Israel: 62% av barnen i skolåldern och 85% av de gravida kvinnorna faller under WHO: s tillräcklighet. De påpekade också det nationella beroende av jodtarmat avsaltat vatten, frånvaron av ett universellt saltjodiseringsprogram och rapporter om ökad användning av sköldkörtelmedicin i Israel som en möjlig anledning till att befolkningens jodintag är lågt. Under året som undersökningen genomfördes utgör mängden vatten som produceras från avsaltningsanläggningarna cirka 50% av mängden färskvatten som levereras för alla behov och cirka 80% av vattnet som levereras för hushålls- och industribehov i Israel.

Experimentella tekniker

Andra avsaltningstekniker inkluderar:

Spillvärme

Termiskt drivna avsaltningstekniker ofta föreslås för användning med låg temperatur spillvärmekällor, såsom de låga temperaturer är inte användbara för många industriella processer, men perfekt för de lägre temperaturerna som finns i avsaltning. I själva verket kan sådan parning med spillvärme till och med förbättra den elektriska processen: Dieselgeneratorer tillhandahåller vanligtvis el i avlägsna områden. Ungefär 40–50% av energiproduktionen är lågvärme som lämnar motorn via avgaserna. Att ansluta en termisk avsaltningsteknik som membrandestillationssystem till dieselmotorns avgaser återanvänder denna lågvärda värme för avsaltning. Systemet kyler aktivt dieselgeneratorn , förbättrar dess effektivitet och ökar dess elproduktion. Detta resulterar i en energineutral avsaltningslösning. Ett exempel på en anläggning beställdes av det nederländska företaget Aquaver i mars 2014 för Gulhi , Maldiverna .

Lågtemperatur termisk

Ursprungligen härrörande från havs termisk energiomvandlingsforskning , utnyttjar lågtemperatur termisk avsaltning (LTTD) att vatten kokar vid lågt tryck, även vid omgivningstemperatur . Systemet använder pumpar för att skapa en miljö med lågt tryck och låg temperatur där vatten kokar vid en temperaturgradient på 8–10 ° C (46–50 ° F) mellan två volymer vatten. Kallt havsvatten levereras från djup upp till 600 m. Detta vatten pumpas genom spolar för att kondensera vattenånga. Det resulterande kondensatet är renat vatten. LTTD kan dra nytta av den temperaturgradient som är tillgänglig vid kraftverk, där stora mängder varmt avloppsvatten släpps ut från anläggningen, vilket minskar den energiinmatning som behövs för att skapa en temperaturgradient.

Experiment utfördes i USA och Japan för att testa tillvägagångssättet. I Japan testades ett spray-flash-avdunstningssystem av Saga University. På Hawaii testade National Energy Laboratory en öppen OTEC-anläggning med färskvatten- och elproduktion med en temperaturskillnad på 20 C mellan ytvatten och vatten på ett djup av cirka 500 m. LTTD studerades av Indiens National Institute of Ocean Technology (NIOT) 2004. Deras första LTTD -anläggning öppnade 2005 vid Kavaratti på Lakshadweep -öarna. Anläggningens kapacitet är 100 000 L (22 000 imp gal; 26 000 US gal)/dag, till en kapitalkostnad på 50 miljoner INR (922 000 €). Anläggningen använder djupt vatten vid en temperatur av 10 till 12 ° C (50 till 54 ° F). År 2007 öppnade NIOT en experimentell, flytande LTTD -anläggning utanför Chennais kust , med en kapacitet på 1 000 000 L (220 000 imp gal; 260 000 US gal)/dag. En mindre anläggning grundades 2009 vid North Chennais termiska kraftverk för att bevisa LTTD -applikationen där kraftverkets kylvatten är tillgängligt.

Termojonisk process

I oktober 2009 tillkännagav Saltworks Technologies en process som använder sol eller annan värme för att driva en jonström som tar bort alla natrium- och klorjoner från vattnet med hjälp av jonbytarmembran.

Avdunstning och kondens för grödor

Den Havsvatten växthus använder naturlig förångning och kondensation processer inuti ett växthus som drivs av solenergi för att odla grödor i torra kustnära mark.

Andra tillvägagångssätt

Adsorptionsbaserad avsaltning (AD) förlitar sig på fuktabsorberingsegenskaperna hos vissa material, t.ex. kiselgel.

Framåt osmos

En process kommersialiserades av Modern Water PLC med framåtriktad osmos , och ett antal anläggningar rapporterades vara i drift.

Hydrogelbaserad avsaltning

Avsaltningsmaskinens schema: avsaltningsboxen med volym V _ _-lådan innehåller en gel med volym V _ _gel som separeras med en sil från den yttre lösningsvolymen V _ _out = V _ _box - V _ _gel . Lådan är ansluten till två stora tankar med hög och låg salthalt med två kranar som kan öppnas och stängas efter önskemål. Hinkedjan uttrycker färskvattenförbrukningen följt av att fylla saltvattenbehållaren med saltvatten.

Tanken med metoden är i det faktum att när hydrogelen sätts i kontakt med saltlösning i vatten, sväller den och absorberar en lösning med en jonkomposition som skiljer sig från den ursprungliga. Denna lösning kan enkelt pressas ut från gelén med hjälp av en sikt eller mikrofiltreringsmembran. Komprimering av gelén i slutet system leder till förändring i saltkoncentration, medan komprimering i öppet system, medan gelén utbyter joner med bulk, leder till förändring av antalet joner. Konsekvensen av komprimering och svullnad i öppna och stängda systemförhållanden efterliknar kylskåpsmaskinens omvända Carnot -cykel. Den enda skillnaden är att i stället för värme överför denna cykel saltjoner från huvuddelen av låg salthalt till en bulk med hög salthalt. På samma sätt som Carnot -cykeln är denna cykel helt reversibel, så den kan i princip fungera med en idealisk termodynamisk effektivitet. Eftersom metoden är fri från användning av osmotiska membran kan den konkurrera med omvänd osmosmetod. Dessutom, till skillnad från omvänd osmos, är tillvägagångssättet inte känsligt för fodervattnets kvalitet och dess säsongsförändringar, och tillåter produktion av vatten med önskad koncentration.

Småskaliga solceller

USA, Frankrike och Förenade Arabemiraten arbetar med att utveckla praktisk solavsaltning . AquaDanias WaterStillar har installerats i Dahab, Egypten och i Playa del Carmen, Mexiko. I detta tillvägagångssätt kan en solvärmekollektor som mäter två kvadratmeter destillera från 40 till 60 liter per dag från vilken lokal vattenkälla som helst - fem gånger mer än konventionella stillbilder. Det eliminerar behovet av PET- flaskor av plast eller energikrävande vattentransport. I centrala Kalifornien utvecklar ett startföretag WaterFX en soldriven avsaltningsmetod som kan möjliggöra användning av lokalt vatten, inklusive avrinningsvatten som kan behandlas och användas igen. Salt grundvatten i regionen skulle behandlas för att bli sötvatten, och i områden nära havet kunde havsvatten behandlas.

Passarell

Passarell -processen använder reducerat atmosfärstryck snarare än värme för att driva avdunstningsavsaltning. Den rena vattenånga som genereras genom destillation komprimeras och kondenseras sedan med en avancerad kompressor. Komprimeringsprocessen förbättrar destillationseffektiviteten genom att skapa det reducerade trycket i förångningskammaren. Kompressorn centrifugerar ren vattenånga efter att den har dragits genom en avskiljare (avlägsnar kvarvarande föroreningar) vilket får den att komprimera mot rör i uppsamlingskammaren. Ångans komprimering ökar dess temperatur. Värmen överförs till det ingångsvatten som faller i rören och förångar vattnet i rören. Vattenånga kondenserar på utsidan av rören som produktvatten. Genom att kombinera flera fysiska processer möjliggör Passarell det mesta av systemets energi att återvinnas genom processer med avdunstning, avdunstning, ångkomprimering, kondens och vattenrörelse.

Geotermisk

Geotermisk energi kan driva avsaltning. På de flesta platser slår geotermisk avsaltning med knappt grundvatten eller ytvatten, miljömässigt och ekonomiskt.

Nanoteknik

Nanorörsmembran med högre permeabilitet än nuvarande generation av membran kan leda till en eventuell minskning av fotavtrycket för RO -avsaltningsanläggningar. Det har också föreslagits att användningen av sådana membran kommer att leda till minskning av den energi som behövs för avsaltning.

Hermetisk, sulfo- nano -composite membran har visat sig vara i stånd att avlägsna olika föroreningar till ppb-nivå, och har liten eller ingen känslighet för koncentrationsnivåer höga salt.

Biomimes

Biomimetiska membran är ett annat tillvägagångssätt.

Elektrokemisk

År 2008 tillkännagav Siemens Water Technologies teknik som använde elektriska fält för att avsalta en kubikmeter vatten samtidigt som den endast använde 1,5 kWh energi. Om den är korrekt skulle denna process konsumera hälften av energin från andra processer. Från och med 2012 arbetade en demonstrationsanläggning i Singapore. Forskare vid University of Texas i Austin och University of Marburg utvecklar effektivare metoder för elektrokemiskt medierad avsaltning av havsvatten.

Elektrokinetiska stötar

Ett förfarande som använder elektrokinetiska chockvågor kan användas för att åstadkomma membranlös avsaltning vid omgivningstemperatur och tryck. I denna process byts anjoner och katjoner i saltvatten ut mot karbonatanjoner respektive kalciumkatjoner med användning av elektrokinetiska chockvågor. Kalcium- och karbonatjoner reagerar och bildar kalciumkarbonat , som fälls ut och lämnar sötvatten. Den teoretiska energieffektiviteten för denna metod är i nivå med elektrodialys och omvänd osmos .

Temperatursvängning av lösningsmedel

Temperature Swing Solvent Extraction (TSSE) använder ett lösningsmedel i stället för ett membran eller höga temperaturer.

Extraktion av lösningsmedel är en vanlig teknik inom kemiteknik . Den kan aktiveras genom lågvärme (mindre än 70 ° C (158 ° F), vilket kanske inte kräver aktiv uppvärmning. I en studie tog TSSE bort upp till 98,4 procent av saltet i saltlösning. Ett lösningsmedel vars löslighet varierar med temperaturen tillsätts saltvatten. Vid rumstemperatur drar lösningsmedlet bort vattenmolekyler från saltet. Det vattenfyllda lösningsmedlet upphettas sedan, vilket gör att lösningsmedlet släpper ut det nu saltfria vattnet.

Det kan avsalta extremt salt saltlösning upp till sju gånger så salt som havet. För jämförelse kan de nuvarande metoderna endast hantera saltlösning dubbelt så salt.

Avsaltningsanläggningar

• Perth började driva en avsaltningsanläggning för omvandling av havsvatten 2006. Perths avsaltningsanläggning drivs delvis av förnybar energi från Emu Downs vindpark .
• En avsaltningsanläggning verkar nu i Sydney , och Wonthaggi avsaltningsanläggning var under uppbyggnad i Wonthaggi, Victoria . En vindkraftspark i Bungendore i New South Wales var specialbyggd för att generera tillräckligt med förnybar energi för att kompensera för Sydney-anläggningens energianvändning, vilket minskar oro över skadliga utsläpp av växthusgaser .
• En artikel i The Wall Street Journal , 17 januari 2008, sade: "I november vann Poseidon Resources Corp. i Connecticut ett viktigt myndighetsgodkännande för att bygga en avsaltningsanläggning på 300 miljoner dollar i Carlsbad , norr om San Diego . Anläggningen skulle producera 190 000 kubikmeter dricksvatten per dag, tillräckligt för att leverera cirka 100 000 bostäder. Från och med juni 2012 hade kostnaden för det avsaltade vattnet stigit till 2 329 dollar per tunnland. eller 0,81 dollar per kubikmeter.

I takt med att nya tekniska innovationer fortsätter att minska kapitalkostnaden för avsaltning, bygger fler länder avsaltningsanläggningar som ett litet inslag för att hantera sina problem med vattenbrist .

• Israel avsaltar vatten för en kostnad av 53 cent per kubikmeter
• Singapore avsaltar vatten för 49 cent per kubikmeter och behandlar också avloppsvatten med omvänd osmos för industriell och dricksvänlig användning ( NEWater ).
• Kina och Indien, världens två folkrikaste länder, vänder sig till avsaltning för att ge en liten del av sitt vattenbehov
• År 2007 meddelade Pakistan planer på att använda avsaltning
• Alla australiensiska huvudstäder (förutom Darwin, Northern Territory och Hobart ) håller antingen på att bygga avsaltningsanläggningar eller använder dem redan. I slutet av 2011 kommer Melbourne att börja använda Australiens största avsaltningsanläggning, Wonthaggi avsaltningsanläggning för att höja låga behållarnivåer.
• 2007 tecknade Bermuda ett kontrakt om att köpa en avsaltningsanläggning
• Den största avsaltningsanläggningen i USA är den i Tampa Bay , Florida , som började avsalta 25 miljoner gallon (95000 m³) vatten per dag i december 2007. I USA är kostnaden för avsaltning 3,06 dollar för 1000 gallon, eller 81 cent per kubikmeter. I USA använder Kalifornien , Arizona , Texas och Florida avsaltning för en mycket liten del av deras vattenförsörjning.
• Efter att ha avsaltats i Jubail , Saudiarabien , pumpas vatten 200 miles (320 km) inåt landet genom en rörledning till huvudstaden Riyadh .

Från och med 2008 producerar 13 080 avsaltningsanläggningar världen över mer än 12 miljarder liter vatten om dagen, enligt International Desalination Association. En uppskattning 2009 visade att den globala avsaltade vattenförsörjningen kommer att tredubblas mellan 2008 och 2020.

Världens största avsaltningsanläggning är Jebel Ali avsaltningsanläggning (fas 2) i Förenade Arabemiraten . Det är en anläggning för två ändamål som använder flerstegs blixtdestillation och kan producera 300 miljoner kubikmeter vatten per år.

Ett typiskt hangarfartyg i den amerikanska militären använder kärnkraft för att avsalta 400 000 US gallon (1 500 000 L) vatten per dag.

I naturen

Mangroveblad med saltkristaller

Avdunstning av vatten över haven i vattencykeln är en naturlig avsaltningsprocess.

Bildandet av havsis producerar is med lite salt, mycket lägre än i havsvatten.

Sjöfåglar destillerar havsvatten med hjälp av motström i en körtel med en rete mirabile . Körteln utsöndrar högkoncentrerad saltlösning lagrad nära näsborrarna ovanför näbben. Fågeln "nysar" sedan saltlaken ut. Eftersom sötvatten vanligtvis inte är tillgängligt i deras miljöer, har vissa havsfåglar, såsom pelikaner , petreller , albatrosser , måsar och tärnor , denna körtel, som gör att de kan dricka saltvattnet från sina miljöer medan de är långt från land.

Mangroveträd växer i havsvatten; de utsöndrar salt genom att fånga det i delar av roten, som sedan äts upp av djur (vanligtvis krabbor). Ytterligare salt avlägsnas genom att förvara det i löv som faller av. Vissa typer av mangrover har körtlar på sina blad, som fungerar på ett liknande sätt som avsaltningskörteln för sjöfåglar. Salt extraheras till bladets yttre som små kristaller , som sedan faller av bladet.

Pilträd och vass absorberar salt och andra föroreningar och avsaltar effektivt vattnet. Detta används i konstgjorda våtmarker för behandling av avlopp .

Historia

Avsaltning har varit känd i historien i årtusenden som både ett koncept och senare praktik, men i begränsad form. Den antika grekiske filosofen Aristoteles observerade i sitt arbete Meteorology att "saltvatten, när det förvandlas till ånga, blir sött och ångan inte bildar saltvatten igen när det kondenserar", och märkte också att ett fint vaxkärl skulle hålla dricksvatten efter är tillräckligt nedsänkt i havsvatten, har fungerat som ett membran för att filtrera saltet. Det finns många andra exempel på experiment med avsaltning under antiken och medeltiden, men avsaltning var aldrig genomförbar i stor skala förrän i modern tid. Ett bra exempel på detta experiment är observationerna från Leonardo da Vinci (Florens, 1452), som insåg att destillerat vatten kunde göras billigt i stora mängder genom att anpassa en stilla till en spis. Under medeltiden på andra håll i Centraleuropa fortsatte arbetet med förädlingar i destillation, men inte nödvändigtvis riktat mot avsaltning.

Det är dock möjligt att den första stora landbaserade avsaltningsanläggningen kan ha installerats under nödsituationer på en ö utanför Tunisiens kust 1560. Man tror att en garnison på 700 spanska soldater belägrades av ett stort antal turkar och att under belägringen tillverkade den ansvarige kaptenen en fortfarande kapabel att producera 40 fat färskt vatten per dag, även om detaljer om enheten inte har rapporterats.

Före den industriella revolutionen utgjorde avsaltningen främst oro för fartyg som pågår, som annars behövde behålla färskvattentillförsel ombord. Sir Richard Hawkins (1562-1622), som gjorde omfattande resor i South Seas, rapporterade i sin återkomst att han hade kunnat förse sina män med färskt vatten med hjälp av destillation ombord. Under tidigt 1600 -tal publicerade dessutom flera framstående figurer i eran som Francis Bacon eller Walter Raleigh rapporter om avsaltning av vatten. Dessa rapporter och andra sätter klimatet för den första patenttvisten om avsaltningsapparater. De två första patenten angående avsaltning av vatten går tillbaka till 1675 och 1683 (patent nr 184 och nr 226, publicerade av William Walcot respektive Robert Fitzgerald (och andra)). Trots detta togs ingen av de två uppfinningarna i bruk på grund av tekniska problem som härrör från svårigheter att öka. Inga signifikanta förbättringar av den grundläggande destillationsprocessen för havsvatten gjordes under en tid under de 150 åren från mitten av 1600-talet till 1800.

När fregatten Protector såldes till Danmark på 1780 -talet (som fartyget Hussaren) studerades avsaltningsanläggningen och registrerades i detalj. I det nybildade USA katalogiserade Thomas Jefferson värmebaserade metoder tillbaka till 1500-talet och formulerade praktiska råd som publicerades för alla amerikanska fartyg på baksidan av seglingstillstånd.

Från omkring 1800 började saker förändras mycket snabbt som en följd av ångmaskinens utseende och den så kallade ångåldern . Utvecklingen av kunskap om termodynamik i ångprocesser och behovet av en ren vattenkälla för användning i pannor genererade en positiv effekt när det gäller destillationssystem. Dessutom orsakade spridningen av den europeiska kolonialismen ett behov av sötvatten i avlägsna delar av världen, vilket skapade ett lämpligt klimat för avsaltning av vatten.

Parallellt med utvecklings- och förbättringssystem som använder ånga ( förångare med flera effekter ) visade denna typ av enheter snabbt sin potential inom avsaltning. År 1852 utfärdades Alphonse René le Mire de Normandie ett brittiskt patent på en vertikal destilleringsenhet för havsvatten som tack vare sin enkla design och enkel konstruktion mycket snabbt blev populär för användning ombord. Landbaserade avsaltningsenheter uppträdde inte nämnvärt förrän under senare hälften av artonhundratalet. På 1860 -talet köpte den amerikanska armén tre förångare från Normandie, var och en med en klass på 7000 gallon/dag och installerade dem på öarna Key West och Dry Tortugas . En annan viktig landbaserad avsaltningsanläggning installerades på Suakin under 1980-talet som kunde ge sötvatten till de brittiska trupper som placerades där. Den bestod av sex-effektdestillatorer med en kapacitet på 350 ton/dag.

Betydande forskning om förbättrade avsaltningsmetoder skedde i USA efter andra världskriget. Office of Saline Water skapades i USA: s inrikesdepartement 1955 i enlighet med Saline Water Conversion Act från 1952. Det slogs samman till Office of Water Resources Research 1974.

Den första industriella avsaltningsanläggningen i USA öppnade i Freeport, Texas 1961 med hopp om att få vattensäkerhet till regionen efter ett decennium av torka. Vice ordförande Lyndon B. Johnson deltog i anläggningens öppning den 21 juni 1961. President John F. Kennedy spelade in ett tal från Vita huset som beskriver avsaltning som "ett arbete som på många sätt är viktigare än något annat vetenskapligt företag där detta land är nu engagerat. "

Forskning ägde rum vid statliga universitet i Kalifornien, vid Dow Chemical Company och DuPont . Många studier fokuserar på sätt att optimera avsaltningssystem.

Den första kommersiella avsaltningsanläggningen för omvänd osmos , Coalinga avsaltningsanläggning, invigdes i Kalifornien 1965 för bräckt vatten . Några år senare, 1975, den första havsvatten kom omvänd osmos avsaltningsanläggning i drift.

Samhälle och kultur

Trots de frågor som är förknippade med avsaltningsprocesser kan det offentliga stödet för dess utveckling vara mycket högt. En undersökning av ett samhälle i södra Kalifornien såg att 71,9% av alla svarande stöder utvecklingen av avsaltningsanläggningar i deras samhälle. I många fall motsvarar hög sötvattenbrist högre offentligt stöd för avsaltningsutveckling medan områden med låg vattenbrist tenderar att ha mindre offentligt stöd för dess utveckling.

Se även

Referenser

externa länkar

• International Desalination Association
• European Desalination Society
• Arbetsprinciper i avsaltningssystem
• Klassificering av avsaltningsteknologi (CDT)
• SOLAR TOWER Project - Ren elproduktion för avsaltning.
• Avsaltningsbibliografi Library of Congress
• Encyklopedi för avsaltning och vatten- och vattenresurser