Hvad er den seneste udviklingsretning for afsaltning af havvand?

En nylig tendens, der sigter mod at reducere omkostningerne ved ferskvandsproduktion, er brugen af ​​havvands-omvendt osmose-systemer (SWRO), som kan øge den samlede genvindingsgrad for afsaltning fra den typiske 40-50% til 55-60%.

Baseret på nylige omfattende test af højgenvindingssystemer var energiforbruget for SWRO-systemer 2,1 kWh/m³og 2,9 kWh/m³ved havvandssalinitet på henholdsvis 35,000 mg/L og 43,000 mg/L.

Dette energiforbrug kan sammenlignes med det for traditionelle SWRO-systemer, der bruger trykvekslere til at genvinde havvand, men den vigtigste forskel er, at det bæredygtige genvindingsområde for højgenvindingssystemer er 10-20 % højere.

Design af vandanlægsindtag og forbehandlingssystemer til højere genvindingsgrader kan spare betydelige kapital- og vandproduktionsomkostninger til nye vandanlæg og kan øge ferskvandsproduktionskapaciteten i eksisterende vandanlæg med relativt lave kapitalinvesteringer.
 

Den seneste trend i bestræbelserne på at reducere energiforbruget til afsaltning og produktionsomkostningerne for ferskvand er at udvikle nanostrukturerede (NST) omvendt osmose-membraner, der har højere vandgennemstrømningseffektivitet end eksisterende konventionelle membranelementer.

NST-membraner er i det væsentlige RO-membraner, der indeholder individuelle lineære kanaler i nanostørrelse (rør/partikler) tilfældigt indlejret i membranens polymermatrix, eller de kan udelukkende være lavet af klyngede kanaler i nanostørrelse (nanorør).

NST-membranteknologien har udviklet sig hurtigt over de sidste 10 år, og nyligt udviklede NST-membraner inkorporerer enten uorganiske nanopartikler i konventionelle membraner eller er lavet af højt strukturerede porøse membraner bestående af tætpakkede nanorør-arrays.

Disse NST-membraner rapporteres at have højere specifikke permeabiliteter end konventionelle RO-membraner ved næsten samme høje afvisningshastigheder.

Derudover har NST-membraner sammenlignelige eller lavere tilsmudsningshastigheder end konventionelle og RO-membraner, der opererer under de samme betingelser, og kan designes til at øge retentionsselektiviteten af ​​specifikke ioner.

Den cirkulære økonomi er den eneste vej til bæredygtig global økonomisk vækst. For eksempel ved anvendelse af den cirkulære økonomi-model kan saltlage produceret af afsaltningsanlæg bruges som en kilde til højværdimineraler, såsom calcium, magnesium og natriumchlorid. Sjældne jordarters grundstoffer - herunder lithium, strontium, thorium og rubidium - kan også udvindes fra saltlage.

For nylig har det globale markedspres for sjældne jordarter bragt sjældne metallers tilgængelighed og forsyning på forkant med diskussioner om bæredygtig udvikling og forskningsdagsordener. Disse metaller bruges til at fremstille nøglekomponenter i mange produkter, herunder fly, biler, smartphones og biomedicinsk udstyr.

Der er en voksende erkendelse af, at udvikling og udbredelse af rene energiteknologier og bæredygtige produkter, processer og fremstilling vil kræve store mængder sjældne metaller og ædle elementer, herunder platingruppemetaller som lithium, kobber, kobolt, sølv og guld.

De nyeste teknologitrends viser, at magnesium erstatter aluminium i bil-, computer- og mobiltelefonindustrien, fordi magnesium er mere end 30 % lettere. Selvom der er begrænsede kilder til magnesium i verden, indeholder havvand en stor mængde magnesium, som kan genvindes ved at koncentrere det i afsaltet saltlage og derefter udvinde det gennem selektiv adsorption.
I løbet af de sidste par år har afsaltningsindustrien udviklet en række forskellige saltlagekoncentrations- og mineraludvindingsteknologier for at muliggøre fremstilling af kommercielt værdifulde produkter fra saltlage.

At udvinde mineraler fra havvand er en mere miljøvenlig virksomhed end minedrift på land.

Havvandsminedrift kræver ikke ferskvand til forarbejdning og producerer ikke store mængder forurenet vand eller affald, der kræver bortskaffelse.

Derudover kan disse nye brinekoncentrationsteknologier reducere eller helt eliminere udledningen af ​​saltlage i havet betydeligt.

Efterhånden som brineressourceteknologien udvikler sig, kan indtægterne fra kommerciel udvinding af højværdimineraler (såsom magnesium, lithium og rent natriumchlorid) fra saltlage opveje omkostningerne ved at producere afsaltet vand og derved omdanne afsaltet vand fra den mest kostbare bæredygtige kilde til ferskvandsforsyning til den laveste omkostningskilde til ferskvandsforsyning.
Genvinding af saltlageressourcer kan også være nøglen til at løse energibæredygtighedsudfordringen ved afsaltning. Den næste generation af atomkraftværker vil bruge thorium og rubidium i stedet for uran som atombrændsel.

Små atomkraftværker med en effekt på mellem 10 og 50 megawatt kan levere strøm til store og mellemstore afsaltningsanlæg. Den største fordel ved denne nye energikilde er, at tilstrækkelige mængder råmaterialer kan udvindes direkte fra afsaltningsanlæggets saltlage. Ud over at de let kan udvindes fra saltlage, er en anden fordel ved disse sjældne jordarters grundstoffer, at de ikke kan bruges til at fremstille atomvåben, hvilket gør afsaltningslage til et nyt råmateriale til fredelig brug af atomenergi og giver større fordele for menneskeheden.

De kemikalier, der bruges til at rense brak- og havvandsmembraner med omvendt osmose, er ofte de samme kemikalier, der bruges i tandpasta, sæbe og kommercielle rengøringsmidler. Tilbageskylnings- og membranvaskevand behandles ofte for at fjerne faste stoffer eller andre forurenende stoffer, før det tilsættes det afsaltede koncentrat til udledning. De state-of-the-art afsaltningsprocesser, der anvendes i moderne afsaltningsanlæg, bruger meget begrænsede kemikalier.

Alle kemikalier, der tilsættes under de forskellige afsaltningsbehandlingsprocesser, er fødevaregodkendte, biologisk nedbrydelige og specifikt screenet for at være ikke-giftige for vandlevende organismer. Udledninger fra afsaltningsanlæg er også ugiftige og harmløse for livet i havet og er designet til at nedbrydes hurtigt uden at forårsage permanente ændringer i det omgivende marine økosystem.

For nylig er afsaltning skiftet mod kemikaliefri afsaltning og genvinding af værdifulde mineraler og sjældne metaller fra koncentratet, hvor afsaltning forventes at blive et af de mest miljøvenlige og bæredygtige vandforsyningsalternativer i dette århundrede.

I de seneste fem år er mange lande med store afsaltningsanlæg, såsom Australien, Spanien, Saudi-Arabien og andre dele af Mellemøsten, begyndt at implementere omfattende grønne afsaltningsprogrammer, der har til formål at reducere mængden og variationen af ​​kemikalier, der bruges til afsaltning. produktionsproces. Disse planer vil drage fordel af de seneste fremskridt inden for afsaltningsteknologi og forskning for i sidste ende at konvertere alle eksisterende faciliteter til kemikaliefrie afsaltningsanlæg.

Afsaltningsanlæg har historisk brugt natriumhypochlorit til at klorere indkommende vand for at hæmme væksten af ​​marine organismer i indløbsrørene og på omvendt osmosemembranerne.

De fleste operatører af afsaltningsanlæg opgav denne praksis for næsten et årti siden og bruger nu kun klorering en eller to gange om måneden i 6 til 8 timer hver gang.

Derudover bruger nogle afsaltningsanlægsledere ikke nogen desinfektionsmidler på det indkommende havvand, fordi de foretrækker at bruge afsaltningsanlæggets forbehandlingssystem til at kontrollere biobegroning frem for kemikalier.

Ferrichlorid og ferrisulfat er i øjeblikket de mest almindeligt anvendte koaguleringsmidler til havvandsforbehandling. Tidligere blev disse kemikalier tilsat med en konstant hastighed og i relativt høje mængder.

Afsaltningsindustrien har indført automatisk overvågning af tørstofindholdet i havvandet og justerer automatisk koagulantdoseringen i forhold til det faktiske suspenderede tørstofindhold i vandet.

De fleste fabrikker rundt om i verden har taget denne driftsstrategi over de sidste 10 år, hvilket har reduceret brugen af ​​koagulanter til mindre end halvdelen af, hvad det plejede at være.

Indtil for et årti siden brugte mange afsaltningsanlæg syrer og flokkuleringsmidler til at optimere vandbehandlingskemien.

I dag bruger de fleste avancerede afsaltningsanlæg og erfarne ingeniører ikke længere syrer og flokkuleringsmidler til forbehandling, men er afhængige af optimerede forbehandlingssystemer og operationer til at styre vandbehandlingskemien.

Indtil 2010 blev antiskaleringsmidler og natriumhydroxid almindeligvis brugt i mange afsaltningsanlæg, hovedsageligt for at forhindre skældannelse forårsaget af fjernelse af bor fra det afsaltede vand. I 2011 hævede Verdenssundhedsorganisationen den vejledende grænse for bor i drikkevand fra 0,5 mg/L til 2,4 mg/L, og siden da er de fleste afsaltningsanlæg holdt op med at tilsætte natriumhydroxid og antiscalants.

Det næste skridt i at tage nye teknologier i brug, som er kemikaliefri og baseret på vedvarende energi, er at efterbehandle det afsaltede vand ved hjælp af calcium udvundet fra saltlage, frem for at bruge kommercielt tilgængelige calciumforbindelser såsom kalk.

At adskille salt fra havvand kræver en stor mængde energi for at overvinde det naturligt forekommende osmotiske tryk på omvendt osmosemembranen. Selvom kulstofaftrykket ved at producere drikkevand fra afsaltet vand er højere end ved at producere drikkevand fra traditionelle ferskvandskilder, er det lavere end andre menneskelige aktiviteter, der forbedrer livskvaliteten, såsom nedkøling af mad, opvarmning af badevand, kørsel i privat bil eller flyvning i et fly.

I øjeblikket bruger de fleste afsaltningsanlæg fossile brændstoffer til at generere elektricitet. Imidlertid er flere nyere vindkraftprojekter i Australien blevet implementeret på SWRO-afsaltningsanlæg, som genererer lige så meget elektricitet, som afsaltningsanlæggene bruger. Flere mellemøstlige og nordafrikanske lande har taget initiativ til at udvikle en stærk portefølje af vedvarende energikraftværker til at levere elektricitet til afsaltning.

Mens de udforsker vedvarende energialternativer, udvikler verdensførende forskningscentre i USA, Saudi-Arabien og Europa en ny generation af energigenvindingsanordninger, højtrykspumper og membraner, der har til formål at reducere det samlede energiforbrug ved afsaltning til mindre end 2,45 kWh/m³og energibehovet ved omvendt osmose afsaltning til mindre end 1,8 kWh/m³. Disse fremskridt vil reducere afsaltningsanlæggenes samlede energiforbrug og CO2-fodaftryk med mere end 30 %.

Siden introduktionen af ​​den første trykveksler i 2001 har denne forstyrrende teknologi øget effektiviteten af ​​genvinding af afsaltningsenergi fra 75 % til 96 %. Der er dog stadig mulighed for at øge energigenvindingen til det teoretiske maksimum på 99 %.