Uortodoks afsaltningsmetode kan ændre den globale vandforvaltning

Vandsikkerhed er ved at blive en presserende global udfordring. Hundredvis af millioner mennesker bor allerede i områder med mangel på vand, og FN projekterer, at omkring halvdelen af ​​verdens befolkning i 2030 vil bo i stærkt vandstressede områder. Dette vil være en krise selv for udviklede lande som USA, hvor vandforvaltere i 40 stater forventer ferskvandsmangel inden for de næste 10 år. Efterhånden som den globale befolkning og BNP vokser, det samme vil efterspørgslen efter ferskvand. Og, med den fortsatte stigning i globale temperaturer, vandmangel vil kun blive værre.

Afsaltningsprocessen bliver i stigende grad afhængig af at øge vandforsyningen. Faktisk, den globale afsaltningskapacitet forventes at fordobles mellem 2016 og 2030. Men disse processer er dyre og kan være skadelige for miljøet. De ultrahøje saltholdige saltlage, der er biproduktet af afsaltning, kan være flere gange højere end saltvandsindholdet i havvandet, og dets håndteringsmuligheder er især udfordrende for afsaltningsanlæg i indlandet, såsom dem i Arizona, Californien, Florida, og Texas.

I løbet af det seneste år, Columbia Engineering-forskere har forfinet deres ukonventionelle afsaltningsmetode til saltlage med hypersaltvand - temperatursvingende opløsningsmiddelekstraktion (TSSE) - som viser et stort løfte for udbredt brug. TSSE er radikalt forskellig fra konventionelle metoder, fordi det er en opløsningsmiddel-ekstraktionsbaseret teknik, der ikke bruger membraner og ikke er baseret på fordampningsfaseskift:den er effektiv, effektiv, skalerbar, og bæredygtigt drevet. I et nyt blad, offentliggjort online 23. juni i Miljøvidenskab og -teknologi , holdet rapporterer, at deres metode har gjort dem i stand til at opnå energieffektiv nul-væskeudledning (ZLD) af saltlage med ultrahøj salinitet - den første demonstration af TSSE for ZLD-afsaltning af saltlage med hypersaltvand.

"Nul-væskeudledning er den sidste grænse for afsaltning, " siger Ngai Yin Yip, en adjunkt i jord- og miljøteknik, der ledede undersøgelsen. "Fordampning og kondensering af vandet er den nuværende praksis for ZLD, men det er meget energikrævende og uoverkommeligt dyrt. Vi var i stand til at opnå ZLD uden at koge vandet af - dette er et stort fremskridt for afsaltning af saltlage med ultrahøj saltholdighed, der viser, hvordan vores TSSE-teknik kan være en transformativ teknologi for den globale vandindustri."

Yips TSSE-proces begynder med at blande et opløsningsmiddel med lav polaritet med saltvand med høj saltholdighed. Ved lave temperaturer (holdet brugte 5 °C), TSSE-opløsningsmidlet ekstraherer vand fra saltvandet, men ikke salte (der er til stede i saltvandet som ioner). Ved at kontrollere forholdet mellem opløsningsmiddel og saltlage, holdet kan trække alt vandet fra saltvandet ind i opløsningsmidlet for at fremkalde udfældning af salte - efter at alt vandet er "suget" ind i opløsningsmidlet, saltene danner faste krystaller og falder til bunden, som så let kan sigtes ud.

Efter at forskerne har adskilt de udfældede salte, de opvarmer det vandfyldte opløsningsmiddel til en moderat temperatur på omkring 70 °C. Ved denne højere temperatur, opløsningsmidlets opløselighed for vand falder, og vand presses ud af opløsningsmidlet, som en svamp. Det separerede vand danner et lag under opløsningsmidlet og har meget mindre salt end den oprindelige saltlage. Det kan let suges af, og det regenererede opløsningsmiddel kan derefter genbruges til den næste TSSE-cyklus.

"Vi forventede ikke, at TSSE ville fungere så godt, som det gjorde, " siger Yip. "Faktisk, da vi diskuterede dets potentiale for ZLD, vi troede lige det modsatte, at processen sandsynligvis vil give ud på et tidspunkt, når der bare er for meget salt til, at den kan blive ved med at virke. Så det var en glædelig overraskelse, da jeg overbeviste hovedforsker Chanhee Boo om at give det en chance, for pokker, på en fredag ​​eftermiddag, og vi fik så flotte resultater."

Med en simuleret (lab-forberedt) saltlagetilførsel på 292, 500 ppm i alt opløste faste stoffer, Yips gruppe var i stand til at udfælde mere end 90% af saltet i den oprindelige opløsning. Ud over, forskerne vurderede, at processen kun brugte omkring en fjerdedel af den energi, der krævedes til fordampning af vand - en energibesparelse på 75 % sammenlignet med termisk fordampning af saltvand. De genbrugte opløsningsmidlet i flere cyklusser uden mærkbart tab i ydeevne, demonstrerer, at opløsningsmidlet blev konserveret og ikke brugt under processen.

Derefter, at demonstrere den praktiske anvendelighed af teknologien, holdet tog en feltprøve af saltlage med høj saltholdighed, koncentratet af kunstvandingsdrænvand i Californiens Central Valley, hvor kunstvandingsdrænvand er vanskeligt og dyrt at behandle, og opnåede ZLD med TSSE.

Konventionelle destillationsmetoder kræver højkvalitets damp og suppleres ofte med elektricitet til at drive vakuumpumper. Fordi TSSE kun kræver moderate temperaturinput, den nødvendige termiske energi af lav kvalitet kan komme fra mere bæredygtige kilder, såsom industriel spildvarme, jordvarme med lav brønd, og lavkoncentrationssolfangere.

"Med det rigtige opløsningsmiddel og de rigtige temperaturforhold, vi kan levere omkostningseffektive og miljømæssigt bæredygtige muligheder for håndtering af koncentrat til afsaltningsanlæg i landet, udnyttelse af brakvand til at afhjælpe de nuværende og verserende vandspændinger, "Yip noter.

Ud over at håndtere indre afsaltningskoncentrater, TSSE kan også bruges til andre saltlage med højt saltindhold, herunder flowback og produceret vand fra olie- og gasudvinding, affaldsstrømme fra dampdrevne elkraftværker, udledninger fra kul-til-kemiske anlæg, og lossepladsperkolat. Yips gruppe fortsætter med at undersøge de grundlæggende arbejdsmekanismer for TSSE, at udvikle yderligere forbedringer i dens ydeevne. This work includes further testing with real samples from the field, as well as optimization of the overall process.

The study is titled "Zero Liquid Discharge of Ultrahigh Salinity Brines with Temperature Swing Solvent Extraction."