Koji je najnoviji smjer razvoja desalinizacije morske vode?

Nedavni trend usmjeren na smanjenje troškova proizvodnje slatke vode je korištenje sustava reverzne osmoze morske vode (SWRO), koji može povećati ukupnu stopu oporavka desalinizacije s tipičnih 40-50% na 55-60%.

Na temelju nedavnog opsežnog testiranja sustava s visokim povratom energije, potrošnja energije SWRO sustava bila je 2,1 kWh/m³i 2,9 kWh/m³pri salinitetu morske vode od 35,000 mg/L odnosno 43,000 mg/L.

Ova potrošnja energije usporediva je s potrošnjom tradicionalnih SWRO sustava koji koriste izmjenjivače tlaka za obnavljanje morske vode, ali ključna je razlika u tome što je održivi raspon povrata sustava s visokim povratom 10-20% veći.

Projektiranje sustava zahvata vode i predtretmana za veće stope povrata može značajno uštedjeti kapital i troškove proizvodnje vode za nova postrojenja za vodu, te može povećati proizvodni kapacitet slatke vode postojećih postrojenja za vodu uz relativno niska kapitalna ulaganja.
 

Najnoviji trend u potrazi za smanjenjem potrošnje energije desalinizacije i troškova proizvodnje slatke vode je razvoj nanostrukturiranih (NST) membrana reverzne osmoze koje imaju veću učinkovitost prolaska vode od postojećih konvencionalnih membranskih elemenata.

NST membrane su u biti RO membrane koje sadrže pojedinačne linearne kanale nano veličine (cijevi/čestice) nasumično ugrađene u polimernu matricu membrane, ili mogu biti u potpunosti izrađene od grupiranih kanala nano veličine (nanocijevi).

NST membranska tehnologija brzo se razvila u posljednjih 10 godina, a nedavno razvijene NST membrane ili uključuju anorganske nanočestice u konvencionalne membrane ili su izrađene od visoko strukturiranih poroznih membrana koje se sastoje od gusto zbijenih nizova nanocijevi.

Prijavljeno je da ove NST membrane imaju veću specifičnu propusnost od konvencionalnih RO membrana uz gotovo iste visoke stope odbijanja.

Osim toga, NST membrane imaju usporedive ili niže stope onečišćenja od konvencionalnih i RO membrana koje rade pod istim uvjetima, a mogu se dizajnirati za povećanje selektivnosti zadržavanja specifičnih iona.

Kružna ekonomija je jedini put za održiv globalni ekonomski rast. Na primjer, primjenom modela kružnog gospodarstva, salamura proizvedena u postrojenjima za desalinizaciju može se koristiti kao izvor visokovrijednih minerala, poput kalcija, magnezija i natrijevog klorida. Elementi rijetke zemlje - uključujući litij, stroncij, torij i rubidij - također se mogu ekstrahirati iz slane vode.

Nedavno su globalni tržišni pritisci na elemente rijetkih metala doveli dostupnost i ponudu rijetkih metala u prvi plan rasprava o održivom razvoju i istraživačkih agendi. Ti se metali koriste za proizvodnju ključnih komponenti mnogih proizvoda, uključujući zrakoplove, automobile, pametne telefone i biomedicinske uređaje.

Sve je jasnije da će razvoj i primjena tehnologija čiste energije i održivih proizvoda, procesa i proizvodnje zahtijevati velike količine rijetkih metala i plemenitih elemenata, uključujući metale platinske skupine kao što su litij, bakar, kobalt, srebro i zlato.

Najnoviji tehnološki trendovi pokazuju da magnezij zamjenjuje aluminij u automobilskoj industriji, industriji računala i mobilnih telefona jer je magnezij više od 30% lakši. Iako postoje ograničeni izvori magnezija u svijetu, morska voda sadrži veliku količinu magnezija, koji se može povratiti koncentriranjem u desaliniziranoj salamuri i potom ekstrakcijom selektivnom adsorpcijom.
Tijekom proteklih nekoliko godina, industrija desalinizacije razvila je različite tehnologije koncentracije slane vode i ekstrakcije minerala kako bi omogućila proizvodnju komercijalno vrijednih proizvoda iz slane vode.

Vađenje minerala iz morske vode je ekološki prihvatljiviji pothvat od rudarenja na kopnu.

Rudarstvo morskom vodom ne zahtijeva slatku vodu za preradu i ne proizvodi velike količine kontaminirane vode ili otpada koji zahtijeva odlaganje.

Osim toga, ove nove tehnologije koncentracije slane vode mogu značajno smanjiti ili potpuno eliminirati ispuštanje slane vode u ocean.

Kako se tehnologija izvora slane vode razvija, prihod od komercijalne ekstrakcije visokovrijednih minerala (kao što su magnezij, litij i čisti natrijev klorid) iz slane vode može nadoknaditi troškove proizvodnje desalinizirane vode, pretvarajući tako desaliniziranu vodu iz najskupljeg održivog izvora opskrbu slatkom vodom do najjeftinijeg izvora opskrbe slatkom vodom.
Oporaba izvora slane vode također može biti ključ za rješavanje izazova energetske održivosti desalinizacije. Sljedeća generacija nuklearnih elektrana koristit će kao nuklearno gorivo torij i rubidij umjesto urana.

Male nuklearne elektrane snage između 10 i 50 megavata mogu osigurati električnu energiju za velika i srednja postrojenja za desalinizaciju. Glavna prednost ovog novog izvora energije je da se dovoljne količine sirovina mogu ekstrahirati izravno iz slane vode postrojenja za desalinizaciju. Osim što se lako ekstrahiraju iz salamure, još jedna prednost ovih rijetkih zemaljskih elemenata je ta što se ne mogu koristiti za izradu nuklearnog oružja, što slanu vodu za desalinizaciju čini novom sirovinom za miroljubivu upotrebu atomske energije i donosi veće dobrobiti čovječanstvu.

Kemikalije koje se koriste za čišćenje membrana reverzne osmoze boćate i morske vode često su iste kemikalije koje se koriste u pasti za zube, sapunu i komercijalnim deterdžentima. Voda od povratnog ispiranja i ispiranja membrane često se tretira kako bi se uklonile krute tvari ili drugi kontaminanti prije dodavanja u desalinizirani koncentrat za ispuštanje. Najsuvremeniji procesi desalinizacije koji se koriste u modernim postrojenjima za desalinizaciju koriste vrlo ograničenu količinu kemikalija.

Sve kemikalije koje se dodaju tijekom različitih procesa desalinizacije prihvatljive su za hranu, biorazgradive su i posebno provjerene da nisu toksične za vodeni svijet. Ispusti postrojenja za desalinizaciju također su netoksični i bezopasni za morski život te su dizajnirani da se brzo razgrade bez uzroka trajnih promjena u okolnom morskom ekosustavu.

Nedavno se desalinizacija pomaknula prema desalinizaciji bez kemikalija i oporabi vrijednih minerala i rijetkih metala iz koncentrata, pri čemu se očekuje da će desalinizacija postati jedna od ekološki najprihvatljivijih i najodrživijih alternativa vodoopskrbe ovog stoljeća.

U proteklih pet godina mnoge zemlje s velikim postrojenjima za desalinizaciju, poput Australije, Španjolske, Saudijske Arabije i drugih dijelova Bliskog istoka, počele su provoditi sveobuhvatne programe zelene desalinizacije s ciljem smanjenja količine i raznolikosti kemikalija koje se koriste u desalinizaciji proces proizvodnje. Ovi planovi će iskoristiti najnoviji napredak u tehnologiji desalinizacije i istraživanja kako bi se na kraju svi postojeći objekti pretvorili u postrojenja za desalinizaciju bez kemikalija.

Postrojenja za desalinizaciju kroz povijest su koristila natrijev hipoklorit za kloriranje ulazne vode kako bi spriječili rast morskih organizama u ulaznim cijevima i na membranama za reverznu osmozu.

Većina operatera postrojenja za desalinizaciju napustila je ovu praksu prije gotovo deset godina i sada kloriranje koristi samo jednom ili dva puta mjesečno u trajanju od 6 do 8 sati.

Osim toga, neki upravitelji postrojenja za desalinizaciju ne koriste nikakva sredstva za dezinfekciju ulazne morske vode jer radije koriste sustav predtretmana postrojenja za desalinizaciju radi kontrole bioobraštaja nego kemikalija.

Željezov klorid i željezni sulfat trenutno su najčešće korišteni koagulansi za prethodnu obradu morske vode. U prošlosti su se ove kemikalije dodavale konstantnom brzinom i u relativno velikim količinama.

Industrija desalinizacije usvojila je automatsko praćenje sadržaja krutih tvari u morskoj vodi i automatski prilagođava dozu koagulansa proporcionalno stvarnom sadržaju suspendiranih krutih tvari u vodi.

Većina tvornica diljem svijeta usvojila je ovu operativnu strategiju tijekom proteklih 10 godina, smanjujući upotrebu koagulansa na manje od polovice onoga što je bila prije.

Do prije desetak godina mnoga postrojenja za desalinizaciju koristila su kiseline i flokulante za optimizaciju kemije obrade vode.

Danas najnaprednija postrojenja za desalinizaciju i iskusni inženjeri više ne koriste kiseline i flokulante za predtretman, već se oslanjaju na optimizirane sustave predtretmana i operacije za upravljanje kemijom obrade vode.

Do 2010. sredstva protiv kamenca i natrijev hidroksid često su se koristili u mnogim postrojenjima za desalinizaciju, uglavnom za sprječavanje stvaranja kamenca uzrokovanog uklanjanjem bora iz desalinizirane vode. Godine 2011. Svjetska zdravstvena organizacija povećala je graničnu vrijednost bora u vodi za piće s 0,5 mg/L na 2,4 mg/L, a od tada je većina postrojenja za desalinizaciju prestala dodavati natrijev hidroksid i sredstva protiv kamenca.

Sljedeći korak u usvajanju novih tehnologija koje su bez kemikalija i koje se temelje na obnovljivoj energiji je naknadna obrada desalinizirane vode pomoću kalcija ekstrahiranog iz slane vode, umjesto upotrebe komercijalno dostupnih spojeva kalcija kao što je vapno.

Odvajanje soli iz morske vode zahtijeva veliku količinu energije za prevladavanje prirodnog osmotskog tlaka na membrani reverzne osmoze. Iako je ugljični otisak proizvodnje pitke vode iz desalinizirane vode veći od proizvodnje pitke vode iz tradicionalnih izvora slatke vode, niži je od drugih ljudskih aktivnosti koje poboljšavaju kvalitetu života, poput hlađenja hrane, zagrijavanja vode za kupanje, vožnje osobnim automobilom ili letenja u avionu.

Trenutačno većina postrojenja za desalinizaciju koristi fosilna goriva za proizvodnju električne energije. Međutim, nekoliko nedavnih projekata vjetroelektrana u Australiji provedeno je u SWRO postrojenjima za desalinizaciju, koja proizvode onoliko električne energije koliko postrojenja za desalinizaciju iskoriste. Nekoliko bliskoistočnih i sjevernoafričkih zemalja poduzelo je inicijativu za razvoj snažnog portfelja elektrana na obnovljivu energiju za opskrbu električnom energijom za desalinizaciju.

Dok istražuju alternative obnovljive energije, vodeći svjetski istraživački centri u Sjedinjenim Državama, Saudijskoj Arabiji i Europi razvijaju novu generaciju uređaja za povrat energije, visokotlačnih pumpi i membrana kojima je cilj smanjiti ukupnu potrošnju energije za desalinizaciju na manje od 2,45 kWh/m³a potreba za energijom za desalinizaciju reverznom osmozom na manje od 1,8 kWh/m³. Ovaj napredak će smanjiti ukupnu potrošnju energije i ugljični otisak postrojenja za desalinizaciju za više od 30%.

Od uvođenja prvog izmjenjivača tlaka 2001. godine, ova je revolucionarna tehnologija povećala učinkovitost povrata energije desalinizacije sa 75% na 96%. Međutim, još uvijek postoji mogućnost povećanja povrata energije do teoretskog maksimuma od 99%.