Undersøgelse finder potentiale i brak grundvandssaltning

Ny forskning tyder på, at der er en stor uudnyttet ressource for mange af de stadig mere vandbegrænsede regioner i USA og rundt om i verden:brak grundvand, hvilken, i teorien i hvert fald, ville kræve meget mindre energi til afsaltning end havvand.

Mængden af ​​brak grundvand i USA er omkring 800 gange større end den samlede mængde grundvand, der trækkes ud på landsplan for alle anvendelser, ifølge en amerikansk geologisk undersøgelse. Så, brug af selv en brøkdel af denne ressource kan dramatisk forbedre udsigterne for vandhungrede samfund, især når drikkevand bliver mere sparsomt, som klimaændringsmodeller forudsiger. Mens omkring en femtedel af landets vandforsyning kommer fra fersk grundvand, mindre end 1 procent kommer i øjeblikket fra brak grundvand.

Fundene, baseret på analyse af et massivt datasæt af vandprøver fra hele landet, fremgår af journalen Vandforskning , i et papir af Yvana Ahdab SM '17, en MIT -kandidatstuderende, med John Lienhard, Abdul Latif Jameel professor i vand og mad, og tre andre.

"Indtil for nylig, brak grundvand har været en stort set overset ressource, på trods af dets potentiale til at aflaste monteringstrykket på ferskvandstilførslerne, "Siger Ahdab.

Projektet startede, da Lienhard mødte en USGS -forsker på en konference i 2015 og lærte om en samling på mere end 100, 000 grundvandsprøver fra brønde som netop var taget af dette bureau. "Jeg var fascineret, og jeg spekulerede på, hvad vi ved om, hvordan sammensætningen af ​​grundvand påvirker afsaltningsprocessen, "husker han. Han diskuterede dette spørgsmål med Ahdab, der hurtigt fandt ud af, at mens havvandssammensætning rundt om i verden var blevet godt undersøgt, der var ikke foretaget sammenlignelige undersøgelser af grundvand. (Grundvandsammensætningen varierer meget mere, i både salthed og koncentration af andre stoffer, såsom calcium og sulfat.) USGS -datasættet blev netop offentliggjort sidste år, men MIT -teamet fik tidlig adgang til at begynde at arbejde på det i samarbejde med USGS -forskere.

Selvom havvand rundt om i verden stort set har den samme sammensætning med kun mindre variationer, Ahdab forklarer, "grundvand er meget mindre salt, omkring en tiendedel så meget, og sættet af ioner [ladede atomer eller molekyler] er helt anderledes ved hver anden brønd. "

På grund af den lavere koncentration af salt i brakvand, nogle teknologier såsom destillation, som kan give mening for havvand nogle steder, ville være meget energieffektiv til afsaltning af brakvand, Siger Lienhard. "Omvendt osmose (RO) eller elektrodialyse (ED) er de to valgte teknologier, og det er de to, der oftest bruges. "

Fordi havvand er det vigtigste råstof til eksisterende afsaltningssystemer, teknologien er for det meste blevet udviklet og optimeret til havvandssammensætning. Da brakvand er så anderledes, Lienhard siger, "Spørgsmålet, vi er interesseret i, er:Hvor meget plads er der til forbedringer?" Denne undersøgelse undersøger ikke de specifikke teknologier, der kan bruges, som vil blive behandlet i yderligere forskning, men det ser på de teoretiske grænser for, hvor meget det ville være muligt at reducere den energi, der kræves til afsaltning af brakvand, der har en bestemt sammensætning.

"Vi fandt ud af, at sammensætningerne falder i fem klasser, "Ahdab siger." Nogle domineres af natriumchlorid, natriumbicarbonat, eller natriumsulfat, mens andre domineres af calciumbicarbonat eller calciumsulfat. De kræver meget forskellige tilgange, hvad angår den slags forbehandling, du har brug for. "Den nye analyse, som identificerer de specifikke sammensætninger af vandet ned til niveauet for individuelle brønde, "vil hjælpe med at guide udviklingen af ​​nye systemer, " hun siger.

Teamet fandt ud af, at grundvand domineret af natrium kræver meget mere energi til afsaltning end dem, der domineres af calcium, ligesom dem, der domineres af chlorid, sammenlignet med dem, der domineres af sulfat. Disse oplysninger, kombineret med kortene over brakvandssammensætning over hele landet, kan hjælpe med at guide planer om at udvikle nye vandressourcer, Siger Ahdab.

Ud over, teamet korrelerede placeringen af ​​potentielt brugbare brak grundvandskilder med de regioner, der oplever den største belastning af deres vandforsyninger. Resultaterne peger på bestemte steder, der har den mest lovende kombination af et stort behov for vand og høj tilgængelighed af behandlingsbart brakvand, herunder dele af det sydlige Californien, Arizona, og områder i det øvre Midtvesten. "Der er en enorm mængde brak grundvand, der kan afsaltes for temmelig lave mængder energi, "Siger Lienhard. Men der skal arbejdes mere med at omsætte det lave energibehov til praktiske afsaltningssystemer, der faktisk har tilsvarende lave omkostninger, han siger.

Mens det mest komplette datasæt var baseret på amerikanske brønde, holdet undersøgte også andre, mindre komplette sæt prøver fra en række andre lande, og fandt ud af, at de amerikanske tendenser inden for sammensætning og afsaltningsenergi af behandlingsbart brakvand sandsynligvis vil blive gentaget i de fleste dele af verden.

En stor fordel ved afsaltning af brak grundvand frem for havvand, siger forskerne, er genvindingsgraden:Selvom afsaltning af havvand typisk giver halvdelen af ​​dets volumen i ferskvand, afsaltning af brakvand kan give hele 90 procent ferskvand. Det gør også den sidste del af processen meget lettere. Fordi saltlage tilbage fra brak afsaltning er meget mere koncentreret, der er forholdsmæssigt meget mindre af det, hvilket forenkler bortskaffelsen. Faktisk, Lienhard siger, det kan endda være muligt at få vandet helt ud, efterlader bare fast salt, som ville være endnu lettere at bortskaffe (eller finde anvendelser til).

Prakash Rao, en forsker ved Lawrence Berkeley National Laboratory, der ikke var involveret i denne forskning, siger "vandmangel i USA er overhængende, og det videnskabelige samfund er nødvendigt for at løse denne udfordring. Større udnyttelse af alternative vandforsyninger, som brakvand, for at imødekomme den stigende efterspørgsel efter vand i USA er sandsynligt. Men, i øjeblikket bruges brakvand sjældent i USA. Dette skaber et presserende behov for bedre at forstå, hvordan vi bedst bruger vores enorme brakvandressourcer. Dette papir yder et vigtigt bidrag til dette formål. "

Rao tilføjer, at "Ved hjælp af den fremgangsmåde, der er udviklet i dette papir, vandstyrelser, kommunale vandmyndigheder, og afsaltningssystemdesignere kan træffe mere velinformerede beslutninger. "

Og Rick Stover, direktør for International Desalination Association, som heller ikke var involveret i denne undersøgelse, siger "Efter min mening, den store betydning af dette arbejde er, hvor omfattende dets geografiske rækkevidde og dets kompositionsanalyse er. Det repræsenterer en køreplan for brak afsaltning, især i USA "

Stover konkluderer, at "Brak afsaltning sandsynligvis vil blive en vigtig kilde til vandforsyning for indlandsområder rundt om i verden. Oplysningerne i dette papir giver vigtige oplysninger til at styre den udvikling. Det er både betydeligt og rettidigt."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.