Nieuw onderzoek suggereert dat er een grote onaangeboorde hulpbron is voor veel van de steeds meer waterbeperkte regio's van de VS en de rest van de wereld:brak grondwater, die, in theorie althans zou veel minder energie nodig hebben om te ontzilten dan zeewater.

De hoeveelheid brak grondwater in de Verenigde Staten is ongeveer 800 keer groter dan de totale hoeveelheid grondwater die landelijk wordt onttrokken voor alle toepassingen, volgens een studie van de U.S. Geological Survey. Dus, het gebruik van zelfs maar een fractie van die hulpbron zou de vooruitzichten voor door water uitgehongerde gemeenschappen drastisch kunnen verbeteren, vooral omdat drinkwater schaarser wordt, zoals klimaatveranderingsmodellen voorspellen. Terwijl ongeveer een vijfde van de watervoorziening van het land afkomstig is van zoet grondwater, momenteel is minder dan 1 procent afkomstig uit brak grondwater.

De bevindingen, gebaseerd op analyse van een enorme dataset van watermonsters uit het hele land, verschijnt in het journaal Wateronderzoek , in een paper van Yvana Ahdab SM '17, een MIT-afgestudeerde student, met John Lienhard, de Abdul Latif Jameel hoogleraar water en voedsel, en drie anderen.

"Tot voor kort, brak grondwater is een grotendeels over het hoofd geziene hulpbron, ondanks het potentieel om de toenemende druk op de zoetwatervoorziening te verlichten, ', zegt Ahdab.

Het project begon toen Lienhard een USGS-wetenschapper ontmoette op een conferentie in 2015 en hoorde over een verzameling van meer dan 100, 000 grondwatermonsters uit putten, die zojuist door dat bureau was genomen. "Ik was gefascineerd, en ik vroeg me af wat we weten over hoe de samenstelling van grondwater het ontziltingsproces beïnvloedt, " herinnert hij zich. Hij besprak deze vraag met Ahdab, die al snel ontdekten dat hoewel de samenstelling van zeewater over de hele wereld goed was bestudeerd, er zijn geen vergelijkbare onderzoeken naar grondwater uitgevoerd. (De samenstelling van het grondwater varieert veel meer, in zowel zoutheid als de concentratie van andere stoffen zoals calcium en sulfaat.) De USGS-dataset werd vorig jaar net publiekelijk vrijgegeven, maar het MIT-team kreeg vroege toegang om eraan te werken in samenwerking met wetenschappers van USGS.

Hoewel zeewater over de hele wereld in wezen dezelfde samenstelling heeft met slechts kleine variaties, Ahdab legt uit, "grondwater is veel minder zout, ongeveer een tiende zoveel, en de reeks ionen [geladen atomen of moleculen] is bij elke verschillende put compleet anders."

Door de lagere zoutconcentratie in brak water, sommige technologieën zoals distillatie, wat op sommige plaatsen zinvol kan zijn voor zeewater, zou zeer energie-inefficiënt zijn voor het ontzilten van brak water, zegt Lienhard. "Omgekeerde osmose (RO) of elektrodialyse (ED) zijn de twee technologieën bij uitstek, en zij zijn de twee die het meest worden gebruikt."

Omdat zeewater de belangrijkste grondstof is voor bestaande ontziltingssystemen, de technologie is grotendeels ontwikkeld en geoptimaliseerd voor de samenstelling van zeewater. Omdat brak water zo anders is, Lienhard zegt, "De vraag waarin we geïnteresseerd zijn, is:hoeveel ruimte is er voor verbetering?" De huidige studie onderzoekt niet de specifieke technologieën die kunnen worden gebruikt, die in verder onderzoek aan de orde komen, maar het kijkt wel naar de theoretische grenzen van hoeveel het mogelijk zou zijn om de energie te verminderen die nodig is om brak water met een bepaalde samenstelling te ontzilten.

"We ontdekten dat de composities in vijf klassen vallen, " zegt Ahdab. "Sommige worden gedomineerd door natriumchloride, natriumbicarbonaat, of natriumsulfaat, terwijl andere worden gedomineerd door calciumbicarbonaat of calciumsulfaat. Ze vereisen heel verschillende benaderingen, in termen van het soort voorbehandeling dat u nodig heeft." De nieuwe analyse, die de specifieke samenstelling van het water identificeert tot op het niveau van individuele putten, "zal helpen bij het begeleiden van de ontwikkeling van nieuwe systemen, " ze zegt.

Het team ontdekte dat grondwater dat wordt gedomineerd door natrium veel meer energie nodig heeft om te ontzilten dan grondwater dat wordt gedomineerd door calcium. net als die gedomineerd door chloride in vergelijking met die gedomineerd door sulfaat. die informatie, gekoppeld aan de kaarten van de brakwatersamenstelling in het hele land, kan helpen bij het sturen van plannen om nieuwe waterbronnen te ontwikkelen, zegt Ahdab.

In aanvulling, het team correleerde de locatie van potentieel bruikbare brakke grondwaterbronnen met de regio's die de grootste druk op hun watervoorziening ervaren. De resultaten wijzen op specifieke locaties met de meest kansrijke combinatie van een hoge waterbehoefte en een hoge beschikbaarheid van behandelbaar brak water, inclusief delen van Zuid-Californië, Arizona, en gebieden van het hogere Midwesten. "Er is een enorme hoeveelheid brak grondwater die voor vrij lage hoeveelheden energie kan worden ontzilt, ", zegt Lienhard. Maar er moet meer worden gedaan om die lage behoefte aan energie te vertalen naar praktische ontziltingssystemen die eigenlijk navenant lage kosten hebben, hij zegt.

Hoewel de meest complete dataset gebaseerd was op Amerikaanse bronnen, het team onderzocht ook andere, minder complete sets monsters uit een aantal andere landen, en ontdekte dat de Amerikaanse trends in samenstelling en ontziltingsenergie van behandelbaar brak water waarschijnlijk in de meeste delen van de wereld zullen worden gerepliceerd.

Een groot voordeel van het ontzilten van brak grondwater in plaats van zeewater, zeggen de onderzoekers, is de terugwinningssnelheid:terwijl ontzilting van zeewater doorgaans de helft van het volume in zoet water oplevert, ontzilting van brak water kan maar liefst 90 procent zoet water opleveren. Dat maakt ook het laatste deel van het proces een stuk makkelijker. Omdat de pekel die overblijft na brakke ontzilting veel geconcentreerder is, er is verhoudingsgewijs veel minder van, wat de verwijdering vereenvoudigt. In feite, Lienhard zegt, het kan zelfs mogelijk zijn om het water helemaal weg te krijgen, alleen vast zout achterlatend dat nog gemakkelijker zou zijn om weg te gooien (of om gebruik voor te vinden).

Prakash Rao, een onderzoeker aan het Lawrence Berkeley National Laboratory, die niet bij dit onderzoek betrokken was, zegt:"watertekorten in de VS dreigen, en de wetenschappelijke gemeenschap is nodig om deze uitdaging aan te gaan. Meer gebruik van alternatieve watervoorzieningen, als brak water, om aan de groeiende vraag naar water in de VS te voldoen, is waarschijnlijk. Maar, momenteel wordt brak water in de VS zelden gebruikt. Dit creëert een dringende behoefte om beter te begrijpen hoe we onze enorme brakwatervoorraden het beste kunnen gebruiken. Dit paper levert daar een belangrijke bijdrage aan."

Rao voegt eraan toe:"Met behulp van de benadering die in dit artikel is ontwikkeld, water agentschappen, gemeentelijke waterschappen, en ontwerpers van ontziltingssystemen kunnen beter geïnformeerde beslissingen nemen."

En Rick Stover, directeur van de International Desalination Association, die ook niet bij dit onderzoek betrokken was, zegt:"Volgens mij de belangrijkste betekenis van dit werk is hoe uitgebreid het geografische bereik en de samenstellingsanalyse zijn. Het vertegenwoordigt een routekaart voor brakke ontzilting, vooral in de V.S."

Stover concludeert dat "brakke ontzilting waarschijnlijk een belangrijke bron van watervoorziening zal worden voor locaties in het binnenland over de hele wereld. De informatie in dit document biedt essentiële informatie om die ontwikkeling te begeleiden. Het is zowel belangrijk als actueel."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.