ますます水ストレスを感じる世界は、淡水化を新たに見ている。 それは十分に単純なようです：それは飲むことができるように水から塩を取る。

しかし、それは一見するとはるかに複雑です。 人口の増加、開発、干ばつ、気候変動などにより淡水資源が激減する世界ではますます重要になっています。 だからこそ、米国の研究者や企業は、世界の渇きを止める未来のかもしれない何世紀もの概念を微調整しています。

「水の供給量を増やすことになると、リユース量を増やしたり、ストレージを増やしたり、新しいソースに切り替えるという4つの選択肢があります」と、今週の貿易出版物の淡水化コンサルタントで現在の編集者のTom Pankratz氏は言います。 水の淡水化レポート. "そして、世界中の多くの場所で、唯一の新しい供給源は淡水化です。"

高価なプロセス

淡水化技術は何世紀にも渡って行われてきました。 中東では、昔から地下水や海水が蒸発していましたが、蒸気を凝縮させて飲料水や農業灌漑用の塩分のない水を作りました。

時間とともに、このプロセスはより洗練されたものとなった。 現代のほとんどの淡水化施設では、塩や他のミネラルを除去する半透膜を通して水を高圧で汲み上げる逆浸透法が使用されています。

世界中の300社について、17,000諸国の150淡水化プラントより多くの人々が淡水を得ています。 中東諸国は市場を必要性とエネルギーの可用性から守ってきたが、世界中で淡水の不足の脅威が広がり、他の国々は急速に参入している。 ランディ・トゥルビー（Randy Truby）の次長によると、業界の生産能力は年間8％増加しています。 国際淡水化協会業界団体であり、オーストラリアやシンガポールなどでは「活動の爆発」を起こしている。

米国では、サンディエゴ地域の飲料水需要の1％を提供するために、カリフォルニア州カールスバッドに$ 7億のプラントが建設されています。 それが2015の後半にオンラインになると、北米最大の50-million-gallon-per-dayキャパシティーとなります。 カリフォルニア州は現在、16の淡水化プラントの提案を行っています。

地球上の水の大部分は、海洋や他の海水中に見られる。

しかし、淡水化は高価です。 淡水化プラントからの淡水の千ガロンは、通常の淡水用の2.50と比較して平均米国消費者5〜2であるとPankratz氏は述べています。

それはまたエネルギー豚です：世界中の淡水化工場が消費します 毎日200万キロワット時以上エネルギーコストは、プラントの総運転コストと維持コストの55％を占めます。 海水から1立方メートルの淡水を生産するには、3〜10キロワット時間のエネルギーのほとんどの逆浸透プラントが必要です。 伝統的な飲料水処理プラントは、通常、立方メートル当たり1 kWhで十分に使用される。

そして、それは海洋生きている生物をそれらのまわりの塩濃度を不利に変えることに変えることから、環境問題を引き起こす可能性があります。

最初の場所で不足を淡水に貢献し、気候変動に貢献することで、悪循環を永続化石燃料由来のエネルギーへの依存を低減含む - 海水淡水化の改善のスイートの研究は、プロセスがより安価で環境に優しい作るために進行中です。

メンブレンアップグレード

ほとんどの専門家は、逆浸透はそれが得られるほど効率的であると言います。 しかし、一部の研究者は、水と塩を分離するために使用される膜を改良することにより、より多くを絞ろうとしている。

淡水化のために現在使用されている膜は、主に薄いポリアミドフィルムが中空管に巻き込まれて、水が芯を通す。 エネルギーを節約する1つの方法は、膜の直径を増加させることであり、それはそれらが作ることができる淡水の量と直接相関する。 企業は、8インチから16インチの直径の膜に移行する動きが増えています。

「機器の設置面積を削減しながら、あなたはより多くの水を生成することができ、「ハロルドFravelジュニアのエグゼクティブディレクターは述べています アメリカン・メンブレン・テクノロジー・アソシエーション、浄水システムの使用を進める組織。

メンブレン研究の多くはナノ物質に焦点を当てています。ナノ物質は人間の毛の直径よりも100,000倍小さい物質です。 マサチューセッツ工科大学の研究者らは、2012社では、グラフェンと呼ばれる1原子層の炭素原子のシートから作られた膜が同様に機能し、水のポンピングに必要な圧力がポリアミドよりも約1000倍厚いことを報告しました。 圧力がより低いことは、システムを動作させるために必要なエネルギーが少ないことを意味し、したがって、エネルギー請求書を削減する。

グラフェンは、ポリアミドとは異なり、それは塩素のような水処理化合物に敏感ではないだけでなく、耐久性と非常に薄いですが、。 2013では、ロッキード・マーチンは、トラップ塩などのミネラルが、それは水が​​通過できるように十分に小さい穴を持つ一つの原子の厚さであるPerforene膜を、特許を取得しました。

別の一般的なナノ材料ソリューションはカーボンナノチューブであると、水処理のためのエネルギー効率の高いシステムを専門とするAston Universityの研究者Philip Daviesは述べています。 カーボンナノチューブは、グラフェンと同じ理由で魅力的です - 強力で耐久性のある材料が小さなパッケージに入っています - そしてその重量の400％以上を塩で吸収することができます。

メンブレンを交換しなければならないため、カーボンナノチューブの耐久性と高い吸収率は交換頻度を減らし、時間と費用を節約します。

メンブレン技術はすべてセクシーだとは言えますが、簡単ではありません。 「まだ薄いものを作り続けても、完全性を維持するには、エンジニアリングの課題があります。

グラフェンとカーボンナノチューブは、広く使われてから数十年離れていると、アリゾナ大学の化学・環境工学教授であるWendell Elaは述べています。 「私は彼らに影響があると思うが、それは脱出だ」

Trubyは、商業化の障壁には、このような小規模な材料を設計し、現在の工場やインフラストラクチャと互換性のある新しいメンブレンを作ることが含まれると述べた。

「システムを壊したり、新しいプラント全体を建設したりすることなく、システムをアップグレードすることは重要です。

前方浸透

他の人々は、逆浸透を超えて前方浸透として知られる別のプロセスに目を向けている。 前方浸透では、海水は塩とガスを含む溶液によって系内に引き込まれ、溶液間に高い浸透圧差が生じる。 溶液は一緒に膜を通過し、塩が残る。

Ela氏は、逆浸透は大規模で良好に機能するため、前方浸透は「おそらく前処理として最も効率的であり、商業用海水プラントでは独立型処理ではない」と述べている。 前処理として、前方浸透は逆浸透膜の寿命を延ばし、必要な消毒剤および他の前処理オプションを減らすことによって全体的なシステムの健康を促進することができる。

それは熱力学によって駆動ですので、プロセスは、エラは言い、逆浸透より少ないエネルギーを使用する必要があります。 しかし、昨年の夏にMITの科学者は、淡水化のための正浸透が原因で最初のステップから得られた溶液中の高塩濃度に逆浸透よりも集中的に多くのエネルギーを証明するかもしれないことを報告しました。

英国の会社 現代の水 アラビア半島の南東部の海岸で、オマーンで最初の商業用前方浸透プラントを運営しています。 1日あたりの26,000ガロンでは、システムは大部分の大規模逆浸透システムよりもはるかに容量が小さい。 同社の関係者は、プラントに対するコメントを求めなかった。 しかし、同社の報告によると、プラントは逆浸透に比べて42のエネルギー削減率がありました。

ヒーザー・クーリー、水のプログラムディレクター 太平洋研究所、カリフォルニア州の持続可能性研究機関は、ほとんどのフォワード浸透技術はまだ研究開発段階にあり、商業的利用は10年に5回であると述べている。

希釈液

脱塩のエネルギーコストを低減する別のアプローチは、RO-PRO、または逆浸透圧遅浸透です。 通常は海に排出される逆浸透、より高度に生理食塩液の残りの中に膜を介して、このような廃水として、減損淡水源を通過させることにより、RO-PRO作品。 両者の混合は、逆浸透ポンプに電力を供給するために使用される圧力およびエネルギーを生成します。

によって使用されるシステムに触発される スタットクラフト、ノルウェーに拠点を置く水力発電会社、再生可能エネルギー会社である南カリフォルニア大学環境工学教授エイミーチルドレス（Amy Childress）教授らは現在、カリフォルニア州でRO-PROのパイロットを行っています。 チルドレスはRO-PROが逆浸透30パーセントに必要なエネルギーを減らすことができるという "楽観的な"推定値を述べている。 彼女は、いくつかの不特定企業がパイロットに関心を示していると指摘する。

再捕獲と再生可能エネルギー

Fravelは、多くの工場がプロセス内からエネルギーを取り戻そうとしていると言います。 例えば、ターボチャージャーは、濃縮された塩水の流出流から運動エネルギーを取り出し、それを流入する海水の側に再適用する。 "フィード側に900 [ポンド/平方インチ]があり、濃縮物が700 psiで出てきている可能性があります。 それは濃縮液の流れの中で多くのエネルギーです」と彼は言います。

エネルギーの入力側に再生可能エネルギーを取り入れることは、淡水化の持続可能性を強化するための特に有望なアプローチです。メンブレンに行く前に水を汲み上げることで、エネルギーを節約することもできます。 「逆浸透になる前に水をきれいにすればするほど、より良い水が出るようになる」とFravel氏は語る。 バーレーン、日本、サウジアラビア、中国の工場では、前処理をよりスムーズな逆浸透プロセスに使用しています。

エネルギーの投入側に再生可能エネルギーを取り入れることは、淡水化の持続可能性を高めるための特に有望なアプローチです。 現在、脱塩水の推定1％は、主に小規模施設での再生可能エネルギー源からのエネルギーに由来します。 しかし、大規模な工場ではエネルギーポートフォリオに再生可能エネルギーを追加し始めています。

数年間にわたり干ばつに苦しんだオーストラリアは、2006から6つの淡水化プラントを2012にオンラインで持ち込み、10億ドル以上を投資しました。 発電所には電力のためのいくつかの再生可能エネルギーが使われていますが、主に近くの風力発電所を利用してエネルギーを供給しています。 オーストラリアで最も人口の多い都市に15％の水を供給するシドニー水淡水化プラントは、67タービンキャピタルウインドファームから170マイルについて南側にオフセットされています。

太陽エネルギーは、多くの重質淡水化国、特に太陽が豊富な中東およびカリブ海での魅力的な国です。 より野心的なプロジェクトの1つである、マスダールは、2013で発表したアラブ首長国連邦のエネルギー会社である22では、2020で計画されている1日当たり100万ガロン以上のエネルギーを生産できる世界最大の太陽光発電用淡水化プラントに取り組んでいます。

環境への影響

海水を使用する計画は、もちろん、海の生命への影響を考慮する必要があります。 多くの淡水化施設は海洋摂取量を利用しています。 これらはしばしばスクリーニングされますが、淡水化プロセスは摂取中や植物の処理段階で生物を殺す可能性があります。 天然のフィルターとして使用するために砂の下にある新しい地下吸収は、この懸念を緩和するのに役立ちます。

また、淡水化の後に非常に多くの水を取り除く方法の問題があります。 施設内で2ガロンは、1ガロンの飲料水と1ガロンの水を意味します。これは、それが入ったときの約2倍の塩分です。ほとんどの工場では、これを摂取源として機能する同じ水域に排出します。

エラは、オマーンの前方浸透プラントのようなより小型のプラントが淡水化技術の未来になる可能性があると述べています。RO-PRO技術は、底質生物を害する可能性がある排出物中の塩濃度を低減する方法を提供します。 人気を得ている別の方法は、高塩濃度の濃縮物排出防止斑点との海水混合量を増加させる一連のノズルである散布器の使用である。

アストン大学のデイヴィスは、海洋排水に関連する最近の新しい研究の1つでは、太陽光で塩水を加熱して塩化マグネシウムを酸化マグネシウムに変換し、「二酸化炭素を吸収する優れた作用物質」と呼んでいます。排出期を短縮し、COを除去するという2つの環境上の利点を有する可能性がある₂ 太陽光発電を利用して海から濃縮物を溶かす。

サイズワイズ

エラ氏によると、オマーンの前方浸透プラントなどのより小型のプラントは、淡水化技術の未来になる可能性があるという。 新しいイノベーションの多くは、経済的には小規模になり、企業はインフラにそれほど投資する必要はないと同氏は述べています。

「大きな植物の代わりに、1日当たりの10,000ガロンに達する可能性があります」とEla氏は言います。 「私は小規模なコミュニティにサービスを提供する地方分譲と小型の淡水化施設を見ています。

これはまた、大規模なものよりも小さな植物に太陽光や風力を供給することがはるかに容易であるため、再生可能エネルギーに大きな役割を果たすなどの環境上のメリットをもたらすだろう、と彼は言います。

Pankratzは、淡水化は常に淡水の治療よりも高価になるだろうと言います。 それでも、技術革新は淡水の需要がますますのどが渇いて世界に育つよう淡水化がますます実行可能な選択肢になるのに役立ちます。

この記事はもともとに登場しました Ensia

著者について

Brian Bienkowskiは、Environmental HealthNewsとその姉妹サイトであるTheDailyClimateの編集者を務めています。 ミシガン州立大学で環境ジャーナリズムの修士号とマーケティングの学士号を取得しています。 彼はミシガン州ランシングにミニチュアダックスフントのルイと住んでいます。

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