Odsalanie wody morskiej. By słodka woda nie kosztowała zbyt słono
Odsalaniem nazywa się procesy usuwania soli i innych minerałów z wody morskiej, w celu uzyskania słodkiej wody zdatnej do nawadniania lub spożycia. Jak podaje ONZ, w skali globalnej ponad 40 proc. populacji zmaga się z niedoborem wody, a ponad 700 mln nie ma czystej wody zdatnej do picia.
Niestety, choć nasza planeta jest pokryta morzami i oceanami, tylko niewielka część ziemskiej wody, około 2,5 proc., jest słodka a mówiąc precyzyjnie - nie zasolona. Wiele jałowych obszarów Ziemi w ogóle jest pozbawione powierzchniowych zasobów słodkiej wody, takich jak rzeki i jeziora. Zwykle, nawet w takich okolicach, dostępne są pewne zasoby wody podziemnej. Niestety, w miarę postępującego wydobycia wody z warstw wodonośnych, woda w tych źródłach też staje się coraz bardziej zasolona.
Według International Desalination Association, na całym świecie już ponad 300 milionów ludzi otrzymuje wodę z zakładów odsalania. Już kilka lat temu globalna liczba zakładów odsalania wynosiła ok. 20 tys. (ciągle rośnie) a produkcja światowa odsolonej wody wynosi obecnie ok. 100 mld litrów dziennie. Największe na świecie zakłady odsalające znajdują się w Jebel Ali w Zjednoczonych Emiratach Arabskich (2). Uzyskują one 300 milionów metrów sześciennych wody rocznie. Przodujący wcześniej na liście największych zakład Sorek Desalination Plant, znajduje się na południe od Tel Awiwu w Izraelu i produkuje ponad pięćset milionów litrów wody pitnej dziennie. Najważniejsi użytkownicy wody odsalanej znajdują się na Bliskim Wschodzie, (głównie Arabia Saudyjska, Kuwejt, Zjednoczone Emiraty Arabskie, Katar i Bahrajn), gdzie zgromadzono około 70 proc. światowych zdolności produkcyjnych w dziedzinie odsalania, oraz w Afryce Północnej (głównie Libia i Algieria), która wykorzystuje około 6 proc. światowych zdolności produkcyjnych.
Obecnie odsalanie jest wciąż przede wszystkim domeną krajów bardziej zamożnych, zwłaszcza tych, które dysponują dużymi zasobami paliw kopalnych i dostępem do wody morskiej. Poza Bliskim Wschodem i Afryką Północną, odsalanie jest stosunkowo częste w dotkniętych niedoborem wody częściach Stanów Zjednoczonych, zwłaszcza w Kalifornii, oraz w niektórych innych krajach, w tym w Hiszpanii, Australii i Chinach. Odsalanie pozostaje kosztownym sposobem pozyskania wody, ponieważ wymaga ogromnych ilości energii. Aby uczynić je bardziej przystępnym i dostępnym, naukowcy na całym świecie poszukują technik ulepszenia procesów odsalania, przez np. bardziej efektywne i trwałe membrany.
Chodzi o to, by produkować więcej wody na jednostkę energii, oraz lepsze sposoby radzenia sobie z wysoko skoncentrowaną solanką, która jest kłopotliwą, zawierającą nierzadko toksyczne substancje chemiczne, pozostałością po procesach odsalania. Odsalanie wiąże się również z emisją gazów cieplarnianych z powodu dużej ilości zużywanej energii.
Gdy woda zamienia się w parę
Co sprawia, że woda jest słona? Stężenie to ilość (wagowo) soli w wodzie, wyrażona w częściach na milion (ppm). Jeśli woda ma stężenie 10 000 ppm rozpuszczonych soli, to jeden procent masy wody pochodzi z rozpuszczonych soli. Woda słodka ma mniej niż 1000 ppm. Woda lekko zasolona - od 1000 ppm do 3000 ppm. Woda silnie zasolona - od 10 000 ppm do 35 000 ppm. Woda oceaniczna zawiera około 35 000 ppm soli.
Odsalanie jako pomysł na pozyskanie wody pitnej i użytkowej, jest znane w historii od tysiącleci. Arystoteles zauważył w swoim dziele "Meteorologia", że "słona woda, gdy zamienia się w parę, staje się słodka, a para nie tworzy ponownie słonej wody, gdy się skrapla". Wspominał też o membranach filtrujących.
Jest wiele przykładów eksperymentów z odsalaniem ze starożytności i średniowiecza, ale odsalanie nigdy nie było stosowane na dużą skalę aż do ery nowożytnej. Możliwe, że pierwsza większa lądowa instalacja odsalania została zainstalowana w warunkach awaryjnych na wyspie u wybrzeży Tunezji w 1560 roku. Uważa się, że garnizon hiszpańskich żołnierzy, oblegany przez armię turecką w czasie oblężenia korzystał z urządzenia zdolnego do wyprodukowania 40 baryłek słodkiej wody dziennie, choć szczegóły dotyczące tego urządzenia nie są znane. Później Richard Hawkins (1562–1622), który odbył rozległe podróże po morzach południowych, doniósł w swoim powrocie, że zaopatrywał swoich ludzi w słodką wodę za pomocą destylacji na statku.
Od ok. 1800 r. sytuacja zaczęła się bardzo szybko zmieniać w wyniku pojawienia się maszyny parowej, która wymagała wody niezasolonej. W 1852 roku Alphonse René le Mire de Normandy, otrzymał brytyjski patent na pionową rurową jednostkę destylacji wody morskiej, która dzięki prostocie konstrukcji i łatwości wykonania, bardzo szybko zyskała popularność do zastosowań okrętowych.
Proces osmozy przez półprzepuszczalne membrany po raz pierwszy zaobserwował w roku 1748 Jean Antoine Nollet. Zakrojone na szerszą skalę badania nad ulepszeniem metod odsalania wody przeprowadzono w Stanach Zjednoczonych po II wojnie światowej. W 1949 uczeni z Uniwersytetu Kalifornijskiego UCLA jako pierwsi przeprowadzili badania techniki odsalania wody morskiej za pomocą półprzepuszczalnej membrany. W 1950 wraz z badaczami z Uniwersytetu Florydy z powodzeniem wyprodukowali wodę słodką z wody morskiej. Pierwszy przemysłowy zakład odsalania w Stanach Zjednoczonych został otwarty we Freeport w Teksasie w 1961 roku. Badania odbywały się także na uniwersytetach stanowych w Kalifornii, w Dow Chemical Company i DuPont.
Pierwszy komercyjny zakład odsalania metodą odwróconej osmozy, Coalinga, został otwarty w Kalifornii w 1965 roku dla wody słonawej. Kilka lat później, w 1975 roku, uruchomiono pierwszy zakład odsalania wody morskiej również tą metodą.
Energia i membrany
Odsalanie dzieli się, w najbardziej ogólnym ujęciu, na dwa nurty - pierwszy polegający na podgrzewaniu wody morskiej lub innej słonej w celu uzyskania wolnej od zasolenia pary, która następnie jest skraplana do cieczy nadającej się do picia, i drugi nurt, który wykorzystuje filtry i membrany, a obecnie najbardziej popularne są tu metody polegające na odwróconej osmozie.
Na największą skalę stosowana jest destylacja, w szczególności destylacja próżniowa. Destylacja wody to proces stosunkowo prosty i zrozumiały. Rzecz z w tym, aby był też mniej kosztowny energetycznie. Dlatego dąży się do wykorzystania w nim źródeł odnawialnych, głównie słońca. Stany Zjednoczone, Francja i Zjednoczone Emiraty Arabskie pracują nad rozwojem praktycznego odsalania wody za pomocą energii słonecznej, np. WaterStillar firmy AquaDania został zainstalowany w Dahab w Egipcie i w Playa del Carmen w Meksyku. W tym podejściu kolektor słoneczny o powierzchni dwóch metrów kwadratowych może destylować od 40 do 60 litrów dziennie z dowolnego lokalnego źródła wody, pięć razy więcej niż konwencjonalne destylatory. W środkowej Kalifornii startup WaterFX opracowuje zasilaną energią słoneczną metodę odsalania, która może umożliwić wykorzystanie lokalnej wody, w tym wody odpływowej, która może być oczyszczona i ponownie wykorzystana.
W ostatnich latach następuje szybki rozwój metod opartych na odwróconej osmozie (3), głównie dzięki rozwojowi membran półprzepuszczalnych i oszczędniejszych pomp wysokociśnieniowych. Odwróconą osmozą nazywa się metodę polegającą na wymuszonej dyfuzji rozpuszczalnika przez błonę półprzepuszczalną umieszczoną pomiędzy dwoma roztworami o różnym stężeniu. W przeciwieństwie do osmozy spontanicznej, odwrócona osmoza zachodzi od roztworu o wyższym stężeniu substancji rozpuszczonej do roztworu o stężeniu niższym, czyli prowadzi do zwiększenia różnicy stężeń obu roztworów. Odwrócona osmoza, w odróżnieniu od spontanicznej, musi być wymuszana przez wysokie ciśnienie, działające w kierunku przeciwnym niż ciśnienie osmotyczne naturalnie występujące w układzie.
odwróconej osmozy w arabskiej Dżuddzie
Do czasu opracowania techniki tworzenia asymetrycznej membrany charakteryzującej się cienką warstwą, wysoce porowatą i z grubszym podłożem membrany, proces ten nie był zbyt wydajny. Udoskonalenie i kolejne wynalazki wpłynęły na rozwój i upowszechnienie tej techniki. Główną zaletą tej metody jest stosunkowo małe zużycie energii, gdyż proces zachodzi bez przemiany fazowej.
Najnowszym nurtem w dążeniach do obniżenia zużycia energii i kosztów produkcji słodkiej wody w procesie odsalania technika odwróconej osmozy jest rozwój nanostrukturalnych membran, które zapewniają bardziej efektywny transport wody w porównaniu do istniejących konwencjonalnych cienkowarstwowych elementów membranowych. Ponadto, nanostrukturalne membrany mogą mieć podwyższoną selektywność w odrzucaniu określonych jonów. Nanofiltracja odbywa się pod ciśnieniem ok. 1–3 MPa. Procesy nanofiltracyjne ze względu na charakter membran znajdują zastosowanie w częściowym odsalaniu wody, dekarbonizacji i zmiękczaniu.
Oczywiście destylacja i osmoza nie są dziś jedynymi znanymi i stosowanymi metodami odsalania. Można wymienić wiele innych, pokrewnych do wymienionych lub zupełnie nowych technik, często dopiero w fazie badań.
Wywodzące się pierwotnie z badań nad konwersją energii cieplnej w oceanach, niskotemperaturowe odsalanie termiczne (LTTD) wykorzystuje gotowanie wody pod niskim ciśnieniem, nawet w temperaturze otoczenia. System wykorzystuje pompy do stworzenia środowiska o niskim ciśnieniu, w którym woda wrze przy temperaturach 8-10 °C. Powstała wskutek procesu skroplona para wodna jest oczyszczona z soli. Pierwszy zakład LTTD został otwarty w 2005 roku w Kavaratti na wyspach Lakshadweep u wybrzeży Indii. Wydajność zakładu wynosi 100 tys. litrów na dzień.
Technologie odsalania napędzane termicznie są często kojarzone z niskotemperaturowymi źródłami ciepła odpadowego. Podłączenie technologii odsalania termicznego np. do układu wydechowego silnika wysokoprężnego wykorzystuje ciepło do odsalania a zarazem aktywnie chłodzi silnik zasilający generator, poprawiając jego wydajność i zwiększając produkcję energii elektrycznej. Przykładowa instalacja tego typu została uruchomiona przez holenderską firmę Aquaver w marcu 2014 r. na Malediwach.
Opisany wyżej pomysł zalicza się do układów kogeneracyjnych. Większość obecnych i planowanych kogeneracyjnych zakładów odsalania wykorzystuje jako źródło energii paliwa kopalne lub energię jądrową. Zaletą zakładów o podwójnym przeznaczeniu jest to, że mogą one być bardziej efektywne pod względem zużycia energii, dzięki czemu odsalanie staje się bardziej opłacalne. Najnowszym dążeniem w obiektach dwufunkcyjnych jest tworzenie konfiguracji hybrydowych, w których odsalanie metodą odwróconej osmozy występuje w tandemie z odsalaniem termicznym, czyli łączy się dwa lub więcej procesów odsalających z produkcją energii elektrycznej. Takie obiekty zostały wdrożone w Arabii Saudyjskiej w Dżuddzie i Yanbu.
Techniki odsalania wody morskiej mogą być też stosowane w połączeniu z uprawami zielonymi. Tak jest w zastosowanej m.in. w Egipcie technice odsalania w szklarni IBTS (ang. skrót od Integrated Biotectural System). IBTS to z jednej strony instalacja odsalająca, a z drugiej szklarnia działająca zgodnie z naturalnym obiegiem wody. Procesy parowania i kondensacji zachodzą częściowo pod ziemią i w budynku szklarni. Taki zintegrowany system biotechniczny jest stosowany do zazieleniania pustyni na dużą skalę (4), ponieważ destylacja i nawadnianie upraw odbywa się tu na dużych powierzchniach.
połączonego z odzyskiwaniem terenów pustynnych
Odsalanie oparte na absorpcji opiera się na zdolności wchłaniania wilgoci przez niektóre materiały, np. żel krzemionkowy. Hydrożel odbiera roztwór innym składzie jonowym z wodnego roztworu soli. Ściskanie żelu w układzie zamkniętym prowadzi do zmiany stężenia soli, natomiast ściskanie w układzie otwartym, gdy żel wymienia jony z masą, prowadzi do zmiany liczby jonów. Następstwo ściskania i pęcznienia w warunkach układu otwartego i zamkniętego naśladuje odwrotny cykl Carnota maszyny chłodniczej. Jedyna różnica polega na tym, że zamiast ciepła cykl ten przenosi jony soli z masy o niskim zasoleniu do masy o wysokim zasoleniu. Ponieważ metoda ta nie wymaga stosowania membran osmotycznych, może konkurować z metodą odwróconej osmozy.
Ekstrakcja rozpuszczalnikowa ze zmianą temperatury (TSSE) wykorzystuje rozpuszczalnik zamiast membrany lub wysokiej temperatury. Ekstrakcja rozpuszczalnikowa jest powszechnie stosowana w inżynierii chemicznej. Działa to w ten sposób, że do słonej wody dodaje się rozpuszczalnik, którego rozpuszczalność zmienia się w zależności od temperatury. W temperaturze pokojowej rozpuszczalnik odciąga cząsteczki wody od soli. Następnie rozpuszczalnik z wodą jest podgrzewany, co powoduje, że rozpuszczalnik uwalnia pozbawioną soli wodę. W ten sposób można odsalać niezwykle słone solanki, nawet siedmiokrotnie bardziej słone niż woda w oceanie. Można ją aktywować w niskiej temperaturze (poniżej 70 °C, co może nie wymagać aktywnego ogrzewania). W jednym z testów metoda TSSE usunęła do 98,4 procent soli w solance.
Kolejna rodzina metod odsalania bazuje na zjawiskach elektrycznych, np. elektrodializa. W 2008 roku firma Siemens Water Technologies opracowała technikę, która wykorzystuje pole elektryczne, odsalając jeden metr sześcienny wody przy zużyciu zaledwie 1,5 kWh energii. Od 2012 r. działała demonstracyjna instalacja tego typu w Singapurze. W tym procesie za pomocą elektrokinetycznych fal uderzeniowych aniony i kationy w słonej wodzie są wymieniane na aniony węglanowe i kationy wapnia, które reagują, tworzą węglan wapnia, który wytrąca się, pozostawiając odsoloną wodę.
W świecie grafenu, szkieletów metaloorganicznych i nanorurek
W ostatnich latach pojawiło się sporo nowych pomysłów na efektywne energetycznie odsalania wody morskiej. "Młody Technik" pilnie śledzi postępy tych technik.
Pisaliśmy m.in. o pomyśle Amerykanów z Uniwersytetu w Austin i Niemców z uczelni w Marburgu, polegającym na wykorzystaniu niewielkiego chipu z tworzywa, przez który przepływa prąd elektryczny o znikomym napięciu (0,3 wolta). W słonej wodzie przepływającej wewnątrz kanalika, z którego składa się urządzenie, następuje częściowa neutralizacja jonów chloru i wytworzenie pola elektrycznego, podobnie jak w ogniwach chemicznych. Efekt jest taki, że sól podąża w jednym kierunku, zaś słodka woda - w drugim. Następuje wyodrębnienie wody słodkiej.
Sporo zdawał się obiecywać w tej dziedzinie także grafen, o czym również niejednokrotnie wspominaliśmy. Brytyjscy naukowcy z Uniwersytetu w Manchesterze stworzyli w 2017 r. oparte na grafenie sito, które efektywnie miało usuwać sól z wody morskiej. W opublikowanej w "Nature Nanotechnology" pracy naukowcy twierdzili, że do budowy membran odsalających można wykorzystać tlenek grafenu, zamiast trudnego do uzyskania i drogiego grafenu w czystej postaci. Jednowarstwowy grafen potrzebuje wiercenia małych otworów, aby stał się przepuszczalny. Jeżeli wielkość otworu przekracza 1 nm, sole swobodnie przechodzą przez ten otwór, więc wiercone otwory muszą być mniejsze. Jednocześnie badania wykazały, że membrany tlenku grafenu zwiększają grubość i porowatość po zanurzeniu w wodzie.
Zespół badawczy z Arabii Saudyjskiej opracował urządzenie, które, według nich, miało efektywnie przekształcić elektrownię z "konsumenta" w "producenta wody słodkiej". Naukowcy opublikowali kilka lat temu w "Nature" artykuł opisujący tę nową technologię solarną, która może jednocześnie odsalać wodę i produkować energię elektryczną. W skonstruowanym prototypie naukowcy zainstalowali odsalacz wody w tylnej części ogniwa słonecznego. W świetle słonecznym ogniwo wytwarza energię elektryczną i uwalnia ciepło. Zamiast tracić to ciepło w atmosferze, urządzenie kieruje tę energię do instalacji, która wykorzystuje ciepło jako źródło energii do procesu odsalania.
Badacze wprowadzali do destylatora wodę słoną i zawierającą domieszki metali ciężkich, takich jak ołów, miedź i magnez. Urządzenie zamieniło wodę w parę wodną, która następnie przechodziła przez plastikową membranę, która odfiltrowała sól i zanieczyszczenia. Wynikiem tego procesu była czysta woda pitna, spełniająca standardy bezpieczeństwa Światowej Organizacji Zdrowia. Naukowcy twierdzili, że prototyp o szerokości około metra może produkować 1,7 litra czystej wody na godzinę. Idealna lokalizacja dla takiego urządzenia to miejsce o suchym lub półsuchym klimacie, w pobliżu źródła wody.
Nowa nadzieja na opracowanie kosztowo atrakcyjnej metody pozyskiwania wody słodkiej za pomocą usuwania soli morskiej pojawiła się w ostatnich latach, gdy badacze poinformowali o wynikach badań z zastosowaniem materiału typu szkielet metaloorganiczny (MOF) do filtrowania wody morskiej. Opracowana przez zespół z australijskiego Uniwersytetu Monash nowa technika wymaga, jak zapewniają badacze, znacznie mniej energii niż inne metody. Metaloorganiczne szkielety MOF to silnie porowate materiały o dużej powierzchni. Zwinięte w niewielkich objętościach wielkie powierzchnie robocze świetnie nadają się do filtrowania, czyli wychwytywania drobin i cząsteczek w cieczy. Opracowany na Monash nowy typ MOF o nazwie PSP-MIL-53 został wykorzystany do zatrzymywania soli i zanieczyszczeń w wodzie morskiej.
Po umieszczeniu materiału w wodzie selektywnie zatrzymuje jony i zanieczyszczenia na swojej powierzchni. W ciągu 30 minut MOF potrafił zredukować całkowitą zawartość rozpuszczonych substancji stałych (TDS) w wodzie z 2,233 części na milion (ppm) do poziomu poniżej 500 ppm. Jest to wyraźnie poniżej progu 600 ppm, który Światowa Organizacja Zdrowia zaleca dla bezpiecznej wody pitnej. Stosując tę technikę, badacze zdołali wyprodukować aż 139,5 litra niezasolonej wody na kilogram materiału MOF dziennie. Gdy sieć MOF jest już "pełna" cząsteczek, można ją szybko i łatwo oczyścić w celu ponownego użycia.
Badania opisane w "Science" w maju 2022 roku, to nowa metoda oczyszczania wody, która jest 2400 razy szybsza niż nawet eksperymentalne urządzenia odsalające oparte na nanorurkach węglowych. Naukowcy po raz pierwszy z powodzeniem odfiltrowali sól z wody przy użyciu nanostruktur opartych na fluorze, które działają szybciej, wykorzystują mniejsze ciśnienie, są bardziej skutecznym filtrem i zużywają mniej energii. Naukowcy opracowali testowe membrany filtracyjne poprzez chemiczne wytworzenie nanoskopowych pierścieni fluorowych, które zostały ułożone w stos i wszczepione w nieprzenikalną skądinąd warstwę lipidową, podobną do cząsteczek organicznych znajdujących się w ścianach komórkowych. Opracowali oni wiele próbek testowych z nanopierścieniami o wielkości od 1 do 2 nanometrów. Ponieważ fluor jest elektrycznie ujemny, odpycha jony ujemne, takie jak chlor znajdujący się w soli. Ponadto jony rozbijają drobiny zanieczyszczeń.
Okazuje się, że i polska nauka może się pochwalić innowacyjnym projektem w tej dziedzinie. Tytuł Polskiego Produktu Przyszłości uzyskały filtracyjne nanomembrany opracowane przez zespół NanoseenX. Firma deklaruje, że w ciągu dwu minut można uzyskać 200 ml wody, z której usuniętych jest 97 proc. soli. Rozwiązanie NanoseenX posiada również kontrolę mineralizacji i zasolenia wody, przez co może usunąć ponad 99,9 proc. soli. Urządzenie działa bez dostępu do prądu - woda przedostaje się przez filtry za sprawą grawitacji. Ponieważ zanieczyszczenia i sól gromadzą się na membranach, trzeba je co jakiś czas regenerować: na razie to może być choćby oczyszczanie sprężonym powietrzem, przy użyciu energii słonecznej albo dzięki przepłukaniu czystą wodą. Na razie NanoseenX zakłada, że urządzenie będzie można regenerować dziesięć razy (będzie więc mogło pracować przez dwieście dni). Jak deklarują, nanomembrany są biodegradowalne.
Co z pozostałą solanką?
Niezależnie od zastosowanej metody, wszystkie zakłady produkują skoncentrowaną solankę jako produkt odpadowy. Najbardziej rozpowszechnioną obecnie praktyką jest pompowanie solanki z powrotem do morza. Jednak niezwykle słona woda może zaszkodzić trawie morskiej i larwom ryb, a także stworzyć w wodzie warstwy pozbawione tlenu, które mogą zaszkodzić lub zabić inne stworzenia morskie.
Innym podejściem jest próba zrobienia z solanką czegoś innego niż wyrzucenie jej. W rzeczywistości jest to bardzo cenne źródło minerałów. W instytucie badawczym firmy na wybrzeżu Zatoki Perskiej, naukowcy badają sposoby wydobycia niektórych z tych minerałów. Oczywistym celem są wapń i magnez, które występują naturalnie w wodzie morskiej i pozostają w solance w procesie odsalania. Jednak ze względów zdrowotnych oraz w celu zmniejszenia korozji w rurach dystrybucyjnych, minerały te muszą być dodawane z powrotem do odsalanej wody.
Wydobywanie minerałów z wody morskiej jest przedsięwzięciem bardziej przyjaznym dla środowiska niż górnictwo lądowe. W miarę rozwoju technologii korzystnego ponownego wykorzystania solanki, przychody z komercyjnego wydobycia wysokowartościowych minerałów z solanki, takich jak magnez, lit i czysty chlorek sodu, mogą być wykorzystane do zrekompensowania kosztów produkcji wody odsalanej, przekształcając w ten sposób odsalanie z najbardziej kosztownego na najmniej kosztowne, zrównoważone źródło zaopatrzenia w wodę słodką.
Statki ze słodką wodą
Niektórzy inżynierowie twierdzą, że taniej byłoby przeprowadzać procesy odsalania na pełnym morzu, gdzie woda morska mogłaby być łatwiej pompowana na pokład. Chodzi o wykorzystanie statków wyposażonych w systemy odsalania. Zasilane przez reaktory jądrowe, statki taki mogłyby podróżować na wyspy lub wybrzeża dotknięte suszą, przywożąc ze sobą zarówno wodę pitną, jak i energię.
Typowy lotniskowiec w armii USA potrafi wykorzystać energię jądrową do odsalania do 1,5 mln litrów wody dziennie. W przeszłości amerykańska marynarka wojenna świadczyła usługi odsalania wody podczas katastrof, korzystając ze swoich okrętów z napędem jądrowym. Rosja ma we flocie pływającą elektrownię jądrową, która potencjalnie może zasilać instalacje odsalania wody. Arabia Saudyjska odebrała niedawno pierwszą z trzech planowanych w tym kraju barek do odsalania wody, największą, jaką kiedykolwiek zbudowano.
Technikami pływających systemów odsalających zainteresował się biznes. Firma Core Power chce wykorzystać do odsalania statek bardzo podobny do małego kontenerowca, ale na pokładzie umieścić kontenery wypełnione instalacjami odsalającymi (5). Na pokładzie pracowałby reaktor jądrowy, który zapewniałby ogromną ilość potrzebnej energii. Pływające statki do odsalania wody z elektrowni jądrowych mogłyby mieć różną moc, od pięciu megawatów do około 70. Przy mocy pięciu megawatów statek mógłby codziennie wypompować 35 tys. metrów sześciennych słodkiej wody, czyli czternaście basenów olimpijskich.
Inna firma, Oisann Engineering, która opracowała system o nazwie Waterfountain, ma różne projekty pływających systemów odsalających, od dużych statków po małe boje, ale wszystkie działają na tej samej zasadzie. Jednak zamiast korzystać z energii jądrowej, wszystkie wykorzystywałyby coś, co nazywa się odsalaniem podwodnym, rozwiązanie nienowe, sprzed kilkudziesięciu lat. System Waterfountain jako całość wykorzystuje wyższe ciśnienie na dnie morza do przemieszczania wody, bez ponoszenia wysokich kosztów energetycznych pompowania. Przedstawiciele firmy szacują, że technologia ta może być o około 30 proc. bardziej wydajna energetycznie niż tradycyjna lądowa instalacja odsalania. Firma buduje obecnie miniaturową wersję jednego ze swoich projektów i ma nadzieję założyć pierwszą komercyjną instalację na Filipinach w 2023 roku.
Jednak pływające odsalanie ma też i wady. Nadal istnieją wyzwania związane z pompowaniem odsolonej wody na ląd oraz znalezieniem siły roboczej posiadającej zarówno doświadczenie w pracy na morzu, jak i wiedzę na temat odsalania.
Najbardziej znaczącym zastosowaniem dla pływających systemów odsalania może być pomoc w przypadku katastrof, uważa Greg Pierce ekspert z Uniwersytetu Kalifornijskiego. Obecnie, jak mówi w jednym z wywiadów "latamy na miejsce i wozimy butelkowaną wodę... to najbardziej nieefektywna działalność z możliwych. Jeśli pływające odsalanie może rozwiązać ten problem, jestem jak najbardziej za".
Odsalać to tak jak sprowadzać wodę z daleka
Obecnie większość zakładów odsalania na świecie zasilana jest energią wytwarzaną z paliw kopalnych. Równolegle do wspominanych poszukiwań alternatywnych źródeł energii odnawialnej nie tylko do technik destylacyjnych ale bardziej zaawansowanych jak system pasywnego odparowywania słonecznego (6), który na początku 2022 roku zaprezentowali naukowcy z MIT, wiodące światowe ośrodki badawcze w USA, Arabii Saudyjskiej i Europie pracują nad rozwojem nowej generacji urządzeń do odzyskiwania energii, pomp wysokociśnieniowych i membran, których celem jest obniżenie całkowitego zużycia energii w zakładach odsalania do poziomu poniżej 2,5 kWh/m3 pozyskanej wody, a zapotrzebowania na energię w samym systemie odsalania metodą odwróconej osmozy poniżej 1,8 kWh/m3. Specjaliści liczą na zmniejszenie całkowitego zużycia energii i śladu węglowego zakładów odsalania o ponad 30 proc.
Ze względu na energochłonność technik odsalania oraz związane z nim koszty środowiskowe, odsalanie jest zazwyczaj ustawiane w hierarchii metod pozyskiwania wody dość nisko, po zwykłym oszczędzaniu życiodajnego płynu. Nie wszędzie jednak taka hierarchia obowiązuje. Obecnie zdarza się, że niskie koszty odsalania wynoszą te metodę na czoło sposobów pozyskiwania wody.
Zużycie energii przy odsalaniu wody morskiej obniżyło się ostatnio ogólnie do poziomu nawet trzech kWh/m³, wliczając w to filtrowanie wstępne i pracę urządzeń pomocniczych. Poziom ten jest zbliżony do zużycia energii przez inne źródła wody słodkiej z transportem na duże odległości, choć wciąż jest wyraźnie wyższy niż wody z lokalnych źródeł wody słodkiej, które zużywają 0,2 kWh/m3 lub mniej.
W ostatnim czasie w niektórych miejscach zużycie energii w odsalaniu zeszło do poziomu 2 kWh/m3 przy zastosowaniu techniki membranowej odwróconej osmozy. To znaczący postęp w ciągu ostatnich dekad. W latach 70. XX wieku zużycie energii w odwróconej osmozie wynosiło mniej więcej 16 kWh/m3.
Tak czy inaczej, jak obliczono w Stanach Zjednoczonych, zaopatrzenie wszystkich gospodarstw domowych w USA w wodę poprzez odsalanie zwiększyłoby zużycie energii w gospodarstwach domowych około 10 proc., co odpowiada mniej więcej ilości energii zużywanej przez domowe lodówki.
Jedni lubią innowacje inni są w stanie konieczności
Globalny rynek technologii odsalania osiągnie 22,5 miliarda dolarów do 2026 roku. Rynek technologii odsalania w USA jest szacowany na 1,6 miliarda dolarów w roku 2020. Chiny, druga co do wielkości gospodarka świata, ma osiągnąć prognozowaną wielkość rynku odsalania na poziomie 2,6 miliarda dolarów do roku 2027. Wzrosty znaczenia tej metody pozyskiwania wody przewiduje w się na całym świecie (7). Czasami z chęci szukania innowacji, czasami z konieczności.
Na przykład przedłużająca się wojna o wodę w Afryce, między Egiptem a Etiopią wokół projektu budowy Wielkiej Tamy Odrodzenia, wpłynęła na przyspieszenie inwestycji Egiptu w odsalanie wody. Ten północno-afrykański kraj chciałby zbudować nowe, miasta z dala od doliny Nilu i stara się uzyskać więcej wody w celu zwiększenia produkcji pszenicy i rolnictwa. Pracuje zbudowanie siedemnastu zakładów odsalania wykorzystujących energię słoneczną do 2025 roku.
Na początku tego roku inny północnoafrykański kraj, Maroko uruchomiło zakład odsalania wody w Agadirze, największy w kraju, z dzienną wydajnością 400 tys. metrów sześciennych odsolonej wody i będzie wykorzystywany do nawadniania blisko 15 tysięcy hektarów, które wcześniej były uzależnione od niewielkich zasobów wód gruntowych.
Namibia, należąca do najsuchszych krajów Afryki, mimo dostępu do morza, współpracuje z sąsiednią Botswaną nad budową zakładu odsalania wody w Walvis Bay, którego odzyskana woda byłaby dzielona między dwa kraje południowej Afryki.
Izrael przetwarza prawie 90 proc. ścieków poprzez oczyszczalnie ścieków i aż 80 proc. wody pitnej w tym kraju pochodzi z odsalania. Zamierza produkować 1,1 mld metrów sześciennych odsalanej wody rocznie do 2025 roku. W 2021 roku rząd Izraela zawarł umowę z cierpiącą na niedobór wody, Jordanią, w ramach której Jordania eksportować ma 600 megawatów energii słonecznej do Izraela, a w zamian otrzymywać 200 milionów metrów sześciennych odsolonej wody.
ACWA Power, saudyjski deweloper i operator zakładów wytwarzania energii i odsalania wody, dostarczył odsoloną wodę 24 milionom ludzi na całym świecie i ma w swoim dorobku zbudowanie 16 zakładów odsalania wody. Odsalanie w instalacjach ACWA Power zapewnia całą słodką wodę dla uniwersytetu Uniwersytetu Króla Abdullaha, międzynarodowego centrum badawczego, które powstało na całkowicie suchej pustej pustyni dekadę temu. Na zewnątrz tamtejszego głównego zakładu odsalania Kaust, który wykorzystuje technologię zwaną odwróconą osmozą, cztery ogromne zbiorniki pełne piasku filtrują zanieczyszczenia z wody morskiej, która dociera do niego rurociągiem. Na początku tego roku firma wygrała przetarg na budowę największego niezależnego zakładu odsalania wody w Arabii Saudyjskiej, który produkowałby 600 tys. metrów sześciennych wody dziennie. Odsalana woda stanowi około połowy zasobów słodkiej wody w tym 33-milionowym kraju, jednym z najbardziej zagrożonych niedoborem wody na Ziemi.
Małe jest piękne
Odsalanie wody to nie tylko wielkie zakłady z wydajnościami liczonymi w setkach tysięcy litrów dziennie. Jest nurt badań i odkryć dotyczący uzdatniania na małą, domową skalę lub specjalne potrzeby np. dla ludzi żeglujących po oceanach (8), np. berliński startup Boreal Light pracuje nad takim niewielkim systemem nazwie WaterKiosk (9). W zeszłym roku dwadzieścia trzy kenijskie szpitale zaopatrzono w zasilane energią słoneczną systemy odsalania, które zapewniają łącznie ponad milion litrów bezpiecznej wody pitnej dziennie. Firma rozszerzyła swoje usługi na inne kraje, w tym Somalię, Tanzanię i Madagaskar.
małych ilości wody morskiej
Naukowcy z MIT opracowali niedawno przenośne urządzenie do odsalania wody wielkości walizki, ważące mniej niż dziesięć kilogramów, wymaga do działania mniej energii niż ładowarka do telefonu komórkowego, a ponadto może być napędzane przez mały, przenośny panel słoneczny. Dostępne na rynku przenośne urządzenia do odsalania wody zazwyczaj wymagają pomp wysokociśnieniowych do przepychania wody przez filtry, które są bardzo trudne do zminiaturyzowania bez obniżenia wydajności energetycznej urządzenia. Zamiast tego, ich urządzenie opiera się na technice zwanej polaryzacją stężenia jonów (ICP) i polega na zastosowaniu pola elektrycznego do membran umieszczonych powyżej i poniżej kanału wodnego. Membrany odpychają dodatnio lub ujemnie naładowane cząstki, w tym cząsteczki soli, bakterie i wirusy. Ponieważ wymaga tylko pompy niskociśnieniowej, ICP zużywa mniej energii niż inne techniki. Jednak ICP nie zawsze usuwa wszystkie sole, więc badacze dołączyli układ do elektrodializy, aby usunąć pozostałe jony soli. Wyeliminowanie konieczności wymiany filtrów znacznie zmniejsza wymagania dotyczące długoterminowej konserwacji. Dzięki temu urządzenie może być stosowane w odległych miejscach, na małych wyspach lub na pokładach morskich statków.
Henry Glogau, nowozelandzki architekt opracował z kolei system Solar Desalination Skylight, który emituje światło, produkuje wodę pitną, a następnie wykorzystuje resztki solanki do generowania energii. Ten świetlik (10) odsalający wodę wykonany jest z plastiku. Ma kształt kopuły, która z łatwością można przymocować do sufitu. Lampa wykorzystuje niewielki panel fotowoltaiczny, który ładuje ją w ciągu dnia. W urządzeniu znajduje się również 12 baterii solnych, które umieszczone są w rurkach z cynku i miedzi. Woda morska pompowana do świetlika zawiera w sobie naturalnie występująca sól. Sól wchodzi w reakcję chemiczną zwaną jonizacją z pierwiastkami znajdującymi się w rurach, dostarczając energię, by zasilić lampę w nocy. Ręcznie pompowana do środka woda morska poprzez wytwarzaną przez system solarny energię jest podgrzewana. System w rezultacie odparowuje wodę, osadzając na ściankach świetlika zawartą w niej sól. Odsolona woda skrapla się ponownie i spływa na samo dno naczynia, gdzie może zostać swobodnie wypompowana na zewnątrz.
Jak nietrudno wywnioskować, podejmować wysiłek i niemały wydatek związany z odsalaniem opłaca się wszędzie tam, gdzie z wodą krucho. To wysiłek krajów i ludzi, którym dostęp do niej nie przychodzi łatwo, sprawia, że techniki odsalania wciąż są doskonalone i spadają ich koszty. Jeśli uda im się im jak mają nadzieję jeszcze bardziej obniżyć koszty pozyskiwania w ten sposób wody, to być może zainteresuje to także tych, którzy uważają, że mają wody pod dostatkiem.
Mirosław Usidus
