Waterveiligheid wordt een urgente mondiale uitdaging. Honderden miljoenen mensen leven al in gebieden met waterschaarste, en de VN voorspellen dat tegen 2030 ongeveer de helft van de wereldbevolking in gebieden met een hoge waterschaarste zal leven. Dit zal een crisis zijn, zelfs voor ontwikkelde landen zoals de VS, waar waterbeheerders in 40 staten de komende 10 jaar zoetwatertekorten verwachten. Naarmate de wereldbevolking en het BBP groeien, net als de vraag naar zoet water. En, met de aanhoudende stijging van de mondiale temperatuur, watertekorten zullen alleen maar erger worden.

Er wordt steeds meer vertrouwd op ontziltingsprocessen om de watervoorziening te vergroten. In feite, de wereldwijde ontziltingscapaciteit zal naar verwachting verdubbelen tussen 2016 en 2030. Maar deze processen zijn duur en kunnen schadelijk zijn voor het milieu. De pekel met ultrahoog zoutgehalte die het bijproduct is van ontzilting, kan meerdere malen hoger zijn dan het zoutgehalte van zeewater en de beheeropties zijn vooral uitdagend voor ontziltingsinstallaties in het binnenland, zoals die in Arizona, Californië, Florida, en Texel.

Het afgelopen jaar, Columbia Engineering-onderzoekers hebben hun onconventionele ontziltingsbenadering voor hypersaline-pekel - temperatuurschommelingsoplosmiddelextractie (TSSE) - die veelbelovend is voor wijdverbreid gebruik, verfijnd. TSSE verschilt radicaal van conventionele methoden omdat het een techniek is op basis van oplosmiddelextractie die geen gebruik maakt van membranen en niet gebaseerd is op faseverandering door verdamping:het is effectief, efficiënt, schaalbaar, en duurzaam aangedreven. In een nieuwe krant online gepubliceerd 23 juni in Milieuwetenschap en -technologie , het team meldt dat hun methode hen in staat heeft gesteld om energie-efficiënte nul-vloeistofontlading (ZLD) van ultrahoog zoutgehalte te bereiken - de eerste demonstratie van TSSE voor ZLD-ontzilting van hypersaline-pekel.

"Zero-liquid lossing is de laatste grens van ontzilting, " zegt Ngai Yin Yip, een assistent-professor aard- en milieutechniek die de studie leidde. "Het verdampen en condenseren van het water is de huidige praktijk voor ZLD, maar het is zeer energie-intensief en onbetaalbaar. We waren in staat om ZLD te bereiken zonder het water af te koken - dit is een grote vooruitgang voor het ontzilten van de pekel met ultrahoog zoutgehalte die laat zien hoe onze TSSE-techniek kan een transformatieve technologie zijn voor de wereldwijde waterindustrie."

Het TSSE-proces van Yip begint met het mengen van een oplosmiddel met een lage polariteit met de pekel met een hoog zoutgehalte. Bij lage temperaturen (het team gebruikte 5 °C), het TSSE-oplosmiddel haalt water uit de pekel, maar geen zouten (die als ionen in de pekel aanwezig zijn). Door de verhouding van oplosmiddel tot pekel te regelen, het team kan al het water uit de pekel in het oplosmiddel halen om de precipitatie van zouten te induceren - het water wordt tenslotte in het oplosmiddel "gezogen", de zouten vormen vaste kristallen en vallen naar de bodem, die vervolgens gemakkelijk kan worden uitgezeefd.

Nadat de onderzoekers de neergeslagen zouten hebben gescheiden, ze verwarmen het met water beladen oplosmiddel tot een matige temperatuur van ongeveer 70 °C. Bij deze hogere temperatuur de oplosbaarheid van het oplosmiddel voor water neemt af en water wordt uit het oplosmiddel geperst, als een spons. Het afgescheiden water vormt een laag onder het oplosmiddel en bevat veel minder zout dan de oorspronkelijke pekel. Het kan gemakkelijk worden overgeheveld en het geregenereerde oplosmiddel kan vervolgens opnieuw worden gebruikt voor de volgende TSSE-cyclus.

"We hadden niet verwacht dat TSSE zo goed zou werken als het deed, " Zegt Yip. "Eigenlijk, toen we het potentieel voor ZLD bespraken, wij dachten juist het tegenovergestelde, dat het proces waarschijnlijk op een gegeven moment zou ophouden wanneer er gewoon te veel zout is om te blijven werken. Dus het was een gelukkige verrassing toen ik hoofdonderzoeker Chanhee Boo overtuigde om het eens te proberen, voor de gek, op een vrijdagmiddag en we hebben zulke geweldige resultaten behaald."

Met een gesimuleerde (in het laboratorium voorbereide) pekeltoevoer van 292, 500 delen per miljoen totaal opgeloste vaste stoffen, De groep van Yip was in staat om meer dan 90% van het zout in de oorspronkelijke oplossing neer te slaan. In aanvulling, de onderzoekers schatten dat het proces slechts ongeveer een kwart van de energie gebruikte die nodig is voor het verdampen van water - een energiebesparing van 75% in vergelijking met het thermisch verdampen van de pekel. Ze hergebruikten het oplosmiddel voor verschillende cycli zonder merkbaar prestatieverlies, wat aantoont dat het oplosmiddel geconserveerd was en niet verbruikt tijdens het proces.

Vervolgens, om de praktische toepasbaarheid van de technologie aan te tonen, het team nam een ​​veldmonster van pekel met een hoog zoutgehalte, het concentraat van irrigatiedrainagewater in Central Valley in Californië, waar irrigatiedrainagewater moeilijk en kostbaar te behandelen is, en behaalde ZLD met TSSE.

Conventionele destillatiemethoden vereisen hoogwaardige stoom en worden vaak aangevuld met elektriciteit om vacuümpompen aan te drijven. Omdat TSSE slechts gematigde temperatuurinvoer vereist, de benodigde laagwaardige thermische energie uit duurzamere bronnen kan komen, zoals industriële restwarmte, ondiepe geothermische, en lage concentratie zonnecollectoren.

"Met het juiste oplosmiddel en de juiste temperatuuromstandigheden, we kunnen kosteneffectieve en ecologisch duurzame opties voor concentraatbeheer bieden voor ontziltingsinstallaties in het binnenland, het gebruik van brak grondwater om de huidige en dreigende waterstress te verlichten, "Ja, notities.

Naast het beheer van ontziltingsconcentraten in het binnenland, TSSE kan ook worden gebruikt voor andere pekels met een hoog zoutgehalte, waaronder flowback en geproduceerd water uit olie- en gaswinning, afvalstromen van door stoom aangedreven elektriciteitscentrales, lozingen van kolen-naar-chemische installaties, en percolaat van de stortplaats. Yip's groep blijft de fundamentele werkingsmechanismen van TSSE onderzoeken, to engineer further improvements in its performance. This work includes further testing with real samples from the field, as well as optimization of the overall process.

The study is titled "Zero Liquid Discharge of Ultrahigh Salinity Brines with Temperature Swing Solvent Extraction."