A água salgada pode saciar nossa sede crescente?

A água salgada pode saciar nossa sede crescente?

Um mundo cada vez mais estressado dá uma nova olhada na dessalinização. Parece bastante simples: tirar o sal da água para que seja potável.

Mas é muito mais complexo do que parece à primeira vista. Também é cada vez mais crucial em um mundo onde os recursos de água doce são progressivamente sobrecarregados pelo crescimento populacional, desenvolvimento, secas, mudanças climáticas e muito mais. É por isso que pesquisadores e empresas dos Estados Unidos para a Austrália estão ajustando um conceito centenário que pode ser o futuro de saciar a sede do mundo.

"Quando se trata de aumentar o suprimento de água, você tem quatro opções: aumentar sua reutilização, aumentar o armazenamento, conservá-la ou transformar-se em uma nova fonte", diz Tom Pankratz, consultor de dessalinização e atual editor da publicação semanal de comércio. Relatório de dessalinização de água. "E para muitos lugares ao redor do mundo, a única nova fonte é a dessalinização".

Processo caro

A tecnologia de dessalinização existe há séculos. No Oriente Médio, as pessoas evaporaram por muito tempo águas subterrâneas ou marinhas salobras, depois condensaram o vapor para produzir água sem sal para beber ou, em alguns casos, para irrigação agrícola.

Com o tempo, o processo tornou-se mais sofisticado. A maioria das instalações modernas de dessalinização usa osmose reversa, na qual a água é bombeada a alta pressão através de membranas semipermeáveis ​​que removem o sal e outros minerais.

Mundialmente, cerca de 300 milhões de pessoas recebem água doce de mais de 17,000 usinas de dessalinização nos países 150. Os países do Oriente Médio dominaram esse mercado por necessidade e disponibilidade de energia, mas com ameaças de escassez de água doce se espalhando pelo mundo, outros estão rapidamente se juntando a suas fileiras. A capacidade da indústria está crescendo cerca de 8 por cento ao ano, de acordo com Randy Truby, controller e ex-presidente da Associação Internacional de Dessalinização, um grupo da indústria, com “explosões de atividade” em lugares como Austrália e Cingapura.

Nos Estados Unidos, uma usina de US $ 1 bilhões está sendo construída em Carlsbad, na Califórnia, para fornecer cerca de 7 por cento das necessidades de água potável para a região de San Diego. Quando estiver on-line no final da 2015, será o maior da América do Norte, com uma capacidade 50 de milhões de litros por dia. E a Califórnia atualmente tem cerca de propostas de usinas de dessalinização 16 nas obras.


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A maior parte da água na Terra é encontrada nos oceanos e outros corpos de água salgada.

Mas a dessalinização é cara. Mil galões de água doce de uma usina de dessalinização custam ao consumidor norte-americano médio 2.50 para US $ 5, diz Pankratz, em comparação com US $ 2 para água doce convencional.

É também um porco energético: as plantas de dessalinização em todo o mundo consomem mais de 200 milhões de quilowatts-hora por dia, com custos de energia estimados em 55 por cento dos custos totais de operação e manutenção das plantas. É preciso a maioria das plantas de osmose reversa sobre 3 para 10 quilowatts-hora de energia para produzir um metro cúbico de água doce a partir da água do mar. As estações tradicionais de tratamento de água potável normalmente usam bem abaixo de 1 kWh por metro cúbico.

E isso pode causar problemas ambientais, desde o deslocamento de criaturas que habitam o oceano para alterar adversamente as concentrações de sal ao seu redor.

A investigação sobre um conjunto de melhorias de dessalinização de água do mar está em andamento para tornar o processo mais barato e mais amigo do ambiente - incluindo a redução da dependência de energia fóssil derivado do combustível, o que perpetua o ciclo vicioso, contribuindo para a mudança climática que contribui para água doce escassez em primeiro lugar.

Atualização de Membrana

A maioria dos especialistas afirma que a osmose reversa é tão eficiente quanto é obtida. Mas alguns pesquisadores estão tentando espremer mais, melhorando as membranas usadas para separar o sal da água.

As membranas utilizadas atualmente para a dessalinização são principalmente filmes de poliamida finos enrolados em um tubo oco através do qual a água absorve. Uma maneira de economizar energia é aumentar o diâmetro das membranas, o que está diretamente relacionado com a quantidade de água doce que elas podem produzir. As empresas estão cada vez mais se deslocando de membranas 8-inch para 16-inch, que têm quatro vezes a área ativa.

"Você pode produzir mais água, reduzindo a pegada para o equipamento", diz Harold Fravel Jr., diretor-executivo da Associação Americana de Tecnologia de Membrana, uma organização que promove o uso de sistemas de purificação de água.

Muita pesquisa de membrana é focada em nanomateriais - materiais sobre 100,000 vezes menores que o diâmetro de um cabelo humano. Pesquisadores do Massachusetts Institute of Technology relataram no 2012 que uma membrana feita de uma folha de átomos de carbono de um átomo de espessura chamada grafeno poderia funcionar tão bem e requer menos pressão para bombear a água do que a poliamida, que é cerca de mil vezes mais espessa. Menos pressão significa menos energia para operar o sistema e, portanto, menores contas de energia.

O grafeno é não só durável e incrivelmente fino, mas, ao contrário de poliamida, que não é sensível a compostos de tratamento de água, como o cloro. Em 2013, Lockheed Martin patenteou a membrana Perforene, que é um átomo de espessura com furos pequenos o suficiente para sal armadilha e outros minerais, mas que permitem que a água passar.

Outra solução popular de nanomateriais são os nanotubos de carbono, diz Philip Davies, pesquisador da Universidade de Aston, especializado em sistemas de eficiência energética para tratamento de água. Os nanotubos de carbono são atraentes pelas mesmas razões que o grafeno - material forte e durável embalado em um pacote minúsculo - e pode absorver mais do que 400 por cento do seu peso em sal.

As membranas precisam ser trocadas, portanto a durabilidade dos nanotubos de carbono e a alta taxa de absorção podem reduzir a freqüência de substituição, economizando tempo e dinheiro.

A tecnologia de membrana "parece sexy, mas não é fácil", diz Pankratz. "Há desafios de engenharia quando se faz algo tão fino que ainda mantém a integridade."

O grafeno e os nanotubos de carbono estão a décadas de uso generalizado, diz Wendell Ela, professora de engenharia química e ambiental da Universidade do Arizona. "Eu vejo eles tendo um impacto, mas é uma saída."

Truby disse que as barreiras à comercialização incluem a engenharia de pequenos materiais e a compatibilização de novas membranas com as atuais plantas e infra-estrutura.

"Será fundamental atualizar sistemas sem derrubá-los e construir uma nova fábrica", diz ele.

Osmose

Outros estão olhando além da osmose reversa para outro processo conhecido como osmose direta. Na osmose frontal, a água do mar é atraída para o sistema por uma solução que contém sais e gases, o que cria uma alta diferença de pressão osmótica entre as soluções. As soluções passam por uma membrana juntas, deixando os sais para trás.

Ela diz que a osmose para a frente “provavelmente será mais eficiente como pré-tratamento e não como um tratamento autônomo em plantas comerciais de água do mar”, porque a osmose reversa funciona melhor em larga escala. Como pré-tratamento, a osmose dianteira pode prolongar a vida útil das membranas de osmose reversa e promover a saúde geral do sistema, reduzindo os desinfetantes necessários e outras opções de pré-tratamento.

O processo deve usar menos energia do que a osmose inversa, Ela diz, uma vez que é impulsionado pela termodinâmica. Mas último verão MIT cientistas relataram que osmose para a frente para a dessalinização pode revelar-se mais energia intensiva do que a osmose inversa, devido à alta concentração de sal na solução resultante do primeiro passo.

Empresa britânica água Modern opera a primeira planta comercial de osmose dianteira em Omã, na costa sudeste da Península Arábica. Com 26,000 galões por dia, o sistema tem uma capacidade muito menor do que a maioria dos sistemas de osmose reversa em grande escala. Funcionários da empresa não retornaram pedidos de comentários sobre a planta. No entanto, um relatório da empresa observou que a planta tinha uma redução percentual de energia 42 em comparação com a osmose reversa.

Heather Cooley, diretora do programa de água com o Pacific Institute, uma organização de pesquisa de sustentabilidade sediada na Califórnia, diz que a maior parte da tecnologia de osmose continua ainda em fase de pesquisa e desenvolvimento, e que o uso comercial é de cinco a 10 anos fora.

A solução de diluição

Outra abordagem para reduzir o custo da energia da dessalinização é RO-PRO, ou a pressão de osmose reversa osmose retardada. obras RO-PRO por passar uma fonte de água doce prejudicada, tais como águas residuais, através de uma membrana para o restante solução altamente salina de osmose reversa, que normalmente seriam descarregados para o oceano. A mistura dos dois produz uma pressão e a energia que é usada para alimentar uma bomba de osmose inversa.

Inspirado por um sistema usado por StatkraftA companhia de engenharia ambiental Amy Childress, da Universidade do Sul da Califórnia, e seus colegas estão agora pilotando o RO-PRO na Califórnia. Childress diz que estimativas “otimistas” mostram que o RO-PRO pode reduzir a energia necessária para a osmose reversa 30 por cento. Ela observa que algumas empresas não especificadas demonstraram interesse em seu piloto.

Energia Recaptora e Renovável

Fravel diz que muitas plantas estão tentando recuperar a energia de dentro do processo. Os turbocompressores, por exemplo, retiram energia cinética da corrente de saída de água salgada concentrada e reaplicam-na ao lado da água do mar que entra. “Você pode ter 900 [libras por polegada quadrada] no lado da alimentação e o concentrado pode estar saindo em 700 psi. Isso é muita energia no fluxo de concentrado ”, diz ele.

A incorporação de energias renováveis ​​no lado de entrada de energia das coisas é uma abordagem particularmente promissora para aumentar a sustentabilidade da dessalinização. A reciclagem de água antes de ir para as membranas também pode economizar energia. “Quanto melhor você puder limpar a água antes de entrar em osmose reversa, melhor será a sua operação”, diz Fravel. Plantas no Bahrein, Japão, Arábia Saudita e China estão usando pré-tratamento para um processo de osmose reversa mais suave.

Incorporar as energias renováveis ​​no lado da entrada de energia é uma abordagem particularmente promissora para aumentar a sustentabilidade da dessalinização. Atualmente, um percentual estimado de 1 de água dessalinizada é proveniente de energia de fontes renováveis, principalmente em instalações de pequena escala. Mas as usinas maiores estão começando a adicionar energias renováveis ​​ao seu portfólio de energia.

Após anos lutando contra a seca, a Austrália trouxe seis usinas de dessalinização on-line da 2006 para a 2012, investindo mais de US $ 10 bilhões. Todas as usinas usam algumas fontes renováveis ​​de energia, principalmente por meio de parques eólicos que colocam energia na rede, diz Pankratz. E a usina de dessalinização da Sydney Water, que fornece cerca de 15 por cento de água para a cidade mais populosa da Austrália, é alimentada por compensações do parque eólico Capital de turbinas 67, cerca de 170 milhas ao sul.

A energia solar é atraente para muitos países de dessalinização pesada - especialmente aqueles no Oriente Médio e no Caribe, onde o sol é abundante. Em um dos projetos mais ambiciosos, a Masdar, empresa de energia dos Emirados Árabes Unidos, anunciou na 2013 que está trabalhando na maior usina de dessalinização movida a energia solar do mundo, capaz de produzir mais de 10 milhões de litros por dia, com um lançamento planejado na 22.

Impactos ambientais

Planos para usar a água do mar, é claro, devem considerar as implicações para a vida marinha. Muitas instalações de dessalinização usam captações oceânicas abertas; Estes são frequentemente rastreados, mas o processo de dessalinização ainda pode matar organismos durante a ingestão ou dentro das fases de tratamento da planta, diz Cooley. Novas entradas de subsolo, que vão abaixo da areia para usá-lo como um filtro natural, podem ajudar a aliviar essa preocupação.

Além disso, há o problema de como se livrar de muita água muito salgada após a dessalinização. Cada dois galões que uma instalação consome significa um galão de água potável e um galão de água que é quase duas vezes mais salgado do que quando entrou. A maioria das plantas descarrega isso de volta no mesmo corpo de água que serve como fonte de ingestão.

Ela diz que plantas menores, como a planta de osmose dianteira em Omã, poderiam ser o futuro da tecnologia de dessalinização. A tecnologia RO-PRO oferece uma maneira de reduzir a concentração de sal na descarga, que pode prejudicar criaturas que vivem no fundo. Outro método que está ganhando popularidade é o uso de difusores, uma série de bicos que aumentam o volume de água do mar misturada com a descarga concentrada, evitando manchas de alto teor de sal.

Em um dos mais recentes estudos recentes sobre a descarga oceânica, Davies, da Universidade de Aston, esquentou uma descarga salina com energia solar para converter cloreto de magnésio em óxido de magnésio, que ele chama de "um bom agente para absorver o dióxido de carbono". estágios nascentes, mas pode ter o duplo benefício ambiental de reduzir a descarga e remover CO2 do oceano usando energia solar para zapar o concentrado.

Tamanho Sábio

Ela diz que plantas menores, como a planta de osmose dianteira em Omã, podem ser o futuro da tecnologia de dessalinização. Muitas das inovações mais recentes poderiam fazer sentido econômico em menor escala, e as empresas não teriam que investir tanto em infraestrutura, diz ele.

"Em vez de grandes plantas, poderíamos descer para 10,000 galões por dia de plantas de dessalinização", diz Ela. “Eu vejo a descentralização e pequenas usinas de dessalinização servindo pequenas comunidades”.

Isso também proporcionaria benefícios ambientais, como permitir que as energias renováveis ​​desempenhassem um papel maior, já que é muito mais fácil alimentar pequenas usinas com energia solar e eólica do que as grandes, diz ele.

Pankratz diz dessalinização será sempre mais caro do que o tratamento de água doce. Ainda assim, inovações ajudará a dessalinização se uma opção cada vez mais viável como a demanda por água doce cresce em um mundo cada vez mais sedento.

Ver página da Ensia Este artigo foi publicado originalmente em Ensia

Sobre o autor

Bienkowski brianBrian Bienkowski é editor do Environmental Health News e de seu site irmão, The Daily Climate. Ele possui mestrado em jornalismo ambiental e bacharelado em marketing pela Michigan State University. Ele mora com seu dachshund miniatura, Louie, em Lansing, Michigan.

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