De Verenigde Staten en vele andere delen van de wereld wankelen onder de gevolgen van ernstige droogte. Een mogelijke oplossing is het ontzilten van zeewater, maar is het een zilveren kogel?

Het westen van de Verenigde Staten ervaart momenteel wat een paleoklimatoloog 'mogelijk de ergste droogte in 1' noemde. 200 jaar." De regio heeft in het verleden veel droogtes gehad, inclusief "megadroogtes" die decennia duren, maar klimaatverandering maakt droge jaren droger en natte jaren natter. Hogere temperaturen verwarmen de grond en de lucht sneller, en de verhoogde verdamping droogt de grond uit en vermindert de hoeveelheid neerslag die reservoirs bereikt. Opwarming leidt er ook toe dat er minder sneeuw nodig is om rivieren aan te vullen, stromen, reservoirs en bevochtig de grond in het voorjaar en de zomer.

Ongeveer 44 procent van de VS ervaart een zekere mate van droogte met bijna 10 procent in 'uitzonderlijke droogte'. Bosbranden woeden momenteel in 13 staten, verergerd door de hete en droge omstandigheden. Er zijn ongekende wateronderbrekingen geweest in de Colorado-rivier - die water levert aan zeven staten - en sluitingen van waterkrachtcentrales. De watervoerende lagen van steden die afhankelijk zijn van bronwater zijn uitgeput, bewoners te dwingen om in het water te rijden. Normaal gesproken, de landbouw verbruikt meer dan 90 procent van het water in veel westerse staten, maar door de droogte zijn de opbrengsten gedaald; sommige boeren hebben hun areaal verkleind of gewassen veranderd in minder waterintensieve, terwijl anderen waarschijnlijk failliet gaan. Ranchers moeten delen van hun kuddes verkopen. Maar zelfs als de lokale bevolking met deze moeilijkheden kampt, meer mensen verhuizen naar het gebied.

Tussen 1950 en 2010 de groei in het zuidwesten was twee keer zo hoog als in de rest van het land. De Amerikaanse bevolking zal naar verwachting blijven groeien tot 2040, met meer dan de helft van die groei in gebieden die de afgelopen tien jaar te maken hebben gehad met ernstige droogte. Veel mensen blijven verhuizen naar een gebied dat naar verwachting de komende jaren nog droger zal worden, net zoals het laatste IPCC-rapport voorspelt dat klimaatverandering de droogte in deze regio's zal intensiveren.

Elk ander continent in de wereld heeft ook te maken met ernstige droogte, behalve Antarctica. En de VN heeft gewaarschuwd dat tegen 2100 nog 130 landen te maken kunnen krijgen met droogte als we niets doen om de klimaatverandering te beteugelen. Maar al in 2025, tweederde van de wereldbevolking zou te maken kunnen krijgen met watertekorten, volgens het Wereld Natuur Fonds. Dit kan leiden tot conflicten, politieke instabiliteit, en de ontheemding van miljoenen mensen.

De schaarste aan zoet water kan het ook moeilijker maken om de samenleving koolstofarm te maken - iets wat we moeten doen om catastrofale klimaatverandering te voorkomen - omdat sommige strategieën om dit te doen de watervoorraden verder zouden kunnen belasten. Groene waterstof, gezien als de sleutel tot het elimineren van emissies door de luchtvaart, Verzending, vrachtwagen, en zware industrie, wordt geproduceerd door elektrolyse, die water splitst in waterstof en zuurstof. Echter, het proces vereist grote hoeveelheden gezuiverd water. Een schatting is dat er negen ton nodig is om één ton waterstof te produceren, maar eigenlijk vereist het behandelingsproces dat wordt gebruikt om het water te zuiveren twee keer zoveel onzuiver water. Met andere woorden, Er is echt 18 ton water nodig om één ton groene waterstof te produceren. Nucleaire energie, door het IPCC gezien als een belangrijk instrument om onze klimaatdoelen te bereiken, ook afhankelijk van zoet water voor koeling, maar naarmate het watertekort toeneemt, kerncentrales kunnen worden gedwongen hun capaciteit te verminderen of te sluiten.

Waar water is

Terwijl het grootste deel van onze planeet bedekt is met water, slechts drie procent daarvan is zoet water en slechts een derde daarvan is beschikbaar voor mensen, aangezien de rest bevroren is in gletsjers of diep onder de grond ontoegankelijk is. In de tussentijd, de opwarming van de aarde blijft elk jaar meer gletsjers doen smelten en de verdamping doen toenemen, onze zoetwatervoorraden verminderen.

Als gevolg van waterschaarste, sommige delen van de wereld zijn overgegaan op ontzilting voor drinkwater. Ontzilting (ontzilting) omvat het verwijderen van zout en mineralen uit zout water, meestal zeewater. Dit proces vindt van nature plaats als de zon de oceaan verwarmt - zoet water verdampt van het oppervlak en valt dan als regen. Droge regio's zoals het Midden-Oosten en Noord-Afrika zijn lange tijd afhankelijk geweest van ontzoutingstechnologie voor hun zoet water. Tegenwoordig hebben meer dan 120 landen ontziltingsinstallaties, waarbij Saoedi-Arabië meer zoet water produceert door middel van ontzouting dan enig ander land. De Verenigde Staten hebben ook een aantal ontzoutingsinstallaties, waarvan de grootste op het westelijk halfrond zich in Carlsbad bevindt, CA. Een nieuwe ontmantelingsfabriek van $ 1,4 miljard in Huntington Beach, CA zal waarschijnlijk binnenkort worden goedgekeurd.

ontzilting benaderingen

Desal wordt meestal op twee manieren gedaan. Bij thermische destillatie wordt zeewater gekookt, die stoom produceert die het zout en de mineralen achterlaat. De stoom wordt vervolgens verzameld en door koeling gecondenseerd om zuiver water te produceren. De tweede methode is membraanfiltratie waarbij zeewater door membranen wordt geperst die aan één kant het zout en de mineralen vasthouden en zuiver water doorlaten.

Vóór de jaren tachtig, 84 procent van de ontginning gebruikte de thermische destillatiemethode. Vandaag, ongeveer 70 procent van 's werelds ontzouting wordt gedaan met een membraanfiltratiemethode die omgekeerde osmose wordt genoemd, omdat dit de goedkoopste en meest efficiënte methode is. Bij natuurlijke osmose, moleculen bewegen spontaan door een membraan van een oplossing met minder opgeloste stoffen naar een meer geconcentreerde oplossing, gelijk maken van de twee partijen. Maar bij omgekeerde osmose, Zouter water beweegt door een membraan naar een minder zoute oplossing. Omdat dit natuurlijke osmose tegengaat, omgekeerde osmose vereist hoge druk om water door de semi-permeabele membranen te duwen. Het resulterende verse water wordt vervolgens gesteriliseerd, meestal met ultraviolet licht.

Zorgen over ontzilting

Hoewel ontmanteling voor sommige regio's de enige oplossing kan zijn, het is duur, verbruikt veel energie en heeft nadelige gevolgen voor het milieu.

"Ontzilting van zeewater is een van de duurste manieren om water te krijgen, " zei Ngai Yin Yip, assistent-professor aard- en milieutechniek aan de Columbia University. "Dit heeft gewoon te maken met het feit dat het niet gemakkelijk is om zout uit water te halen. Maar we moeten water hebben - er is gewoon geen vervanging voor water. Dus het kan duur zijn. Maar het feit dat we dat niet kunnen overleven zonder water betekent dat het een noodzakelijke kost is."

Grootschalige ontzoutingsinstallaties zijn erg duur om te bouwen en de centrales verbruiken veel energie. Thermische distillatie-installaties hebben energie nodig om water tot stoom te koken en elektriciteit om pompen aan te drijven. Omgekeerde osmose vereist geen energie om warmte te genereren, maar is afhankelijk van energie voor de elektriciteit om de hogedrukpompen aan te drijven. In aanvulling, de vervuiling van membranen door minder oplosbare zouten, Chemicaliën, en micro-organismen kunnen hun doorlaatbaarheid beïnvloeden en de productiviteit verminderen, toe te voegen aan onderhouds- en operationele kosten.

Volgens Jip, de meest economische manier om ontzilting uit te voeren, is door waterbronnen aan te pakken die minder zout bevatten, zoals grondwater. "Hoe minder zout er is, hoe minder werk je hoeft te doen om het eruit te halen, "zei hij. "Dus vanuit een puur economisch perspectief, grondwater zou zuiniger zijn dan zeewater.” Grondwater ontzilten kan duurzaam op plaatsen waar het overvloedig aanwezig is. Maar waar het afneemt, optrekken van grondwater kan leiden tot bodemdaling, of in kustgebieden, voor het binnendringen van zout water in de aquifer. Als er geen grondwater beschikbaar is, Yip vindt omgekeerde osmose van zeewater de beste technologie om te gebruiken.

Veel Midden-Oosterse planten, echter, gebruik oudere thermische centrales die op fossiele brandstoffen draaien. Als resultaat, ontzoutingsinstallaties zijn momenteel verantwoordelijk voor de uitstoot van 76 miljoen ton CO ₂ elk jaar. Aangezien de vraag naar ontmanteling naar verwachting zal toenemen, wereldwijde uitstoot gerelateerd aan ontmanteling kan oplopen tot 400 miljoen ton CO ₂ per jaar tegen 2050.

Desal heeft ook gevolgen voor het mariene milieu vanwege de hoeveelheid pekel die het produceert. Voor elke eenheid zuiver water die wordt geproduceerd, ongeveer 1,5 eenheden geconcentreerde pekel - twee keer zo zout als zeewater en vervuild met koper en chloor, gebruikt om het water voor te behandelen om te voorkomen dat het de membranen vervuilt - resultaten. wereldwijd, elke dag wordt meer dan 155 miljoen ton pekel terug in de oceaan geloosd. Als pekel vrijkomt in een rustig deel van de oceaan, het zinkt naar de bodem waar het het leven in zee kan bedreigen. Een studie uit 2019 van de ontzoutingsfabriek van Carlsbad in de buurt van San Diego, die de pekel verdunt voordat deze wordt vrijgegeven, ontdekte dat er geen directe gevolgen waren voor het leven in zee, echter, het zoutgehalte overschreed de toegestane limieten en de pekelpluim reikte verder uit de kust dan toegestaan.

Verbetering van ontzilting

Onderzoekers over de hele wereld proberen de uitdagingen van Desal op te lossen. Hier zijn een paar voorbeelden van enkele van hun oplossingen.

Hernieuwbare energie

NEOM is een futuristische, slimme stadstaat van 500 miljard dollar die wordt gebouwd in het noordwesten van Saoedi-Arabië langs de oevers van de Rode Zee. Om de naar schatting één miljoen toekomstige inwoners van water te voorzien, it will construct an innovative solar desal system comprising a dome of glass and steel 25 meters high over a cauldron of water. Seawater is piped through a glass enclosed aqueduct and heated by the sun as it travels into the dome. Daar, parabolic mirrors concentrate solar radiation onto the dome, superheating the seawater. As it evaporates, highly pressurized steam is released and condenses as fresh water, which is piped to reservoirs and irrigation systems. The system is completely carbon neutral and theoretically reduces the amount of brine waste produced. NEOM, expected to be completed in 2025, claims it will produce 30, 000 cubic meters of fresh water per hour at 34 cents per cubic meter.

The U.S. Army and the University of Rochester researchers have developed a simple and efficient method of desalinating water also dependent on the sun's energy. Using a laser treatment, they created a "super-wicking" aluminum panel with a grooved black surface that makes it super absorbent, enabling it to pull water up the panel from a water source. The black material, heated by the sun, evaporates the water, a process made more efficient because of its super-wicking nature. The water is then collected, leaving contaminants behind on the panel, which is easy to clean. It can be reconfigured and also be angled to face the sun, absorbing maximum sunlight, and because it is moveable, could easily be used by military troops in the field. Larger panels would potentially enable the process to be scaled up.

European companies are developing the Floating WINDdesal in the Middle East, a seawater desal plant powered almost entirely by wind energy. The floating semi-submersible plant is being built in three sizes, with the largest expected to be able to produce enough water for 500, 000 people. The plants can be moved by sea, making them easy to mobilize for emergencies and can be deployed in deeper water where brine disposal would have less impact on marine life. Because they float, they will not be affected by rising sea levels.

Membranes

Membrane research is focused on increasing membrane permeability which would reduce the amount of pressure needed, reducing the fouling that occurs, and making membranes more resilient to high pressure.

A discovery by scientists at the University of Texas, Penn State and DuPont could improve the flow of water through membranes and increase their efficiency, which would mean that reverse osmosis would not require as much pressure. Using an electron microscope technique, the researchers discovered that the densely packed polymers that make up even the thinnest membranes could slow the water flow. The most permeable membranes are those that are more uniformly dense at the nanoscale, and not necessarily the thinnest. The discovery could help makers of membranes improve their performance.

Reverse osmosis desal is hindered when microorganisms grow on the membrane surface, slowing the flow of water. Some coatings that have been used to prevent this "biofouling" of membranes are hard to remove, so they result in more energy use as well as more chemicals released into the sea. King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) researchers created a nontoxic coating that adheres to the membrane and can be removed with a flush of high-saline solution.

Desal without membranes

Columbia University engineers led by Yip, developed a method called temperature swing solvent extraction (TSSE) that doesn't use membranes at all to desalinate. The efficient, schaalbaar, and low-cost technique uses a solvent whose water solubility—the amount of a chemical substance that can dissolve in water—changes according to temperature.

At low temperatures, the solvent mixed with salt water draws in water molecules but not salt. After all the water is sucked into the solvent, the salts form crystals that can easily be removed. The solvent and its absorbed water are then heated to a moderate temperature, enabling the solvent to release the water, which forms a separate layer below. The water can then be collected. Yip explained that the process is designed to deal with very salty water, which reverse osmosis cannot handle. Bijvoorbeeld, the water that comes up during oil and gas extraction can be five to seven times saltier than regular seawater. The textile industry also produces very salty water because of the solutions it uses to dye cloth. According to Yip, TSSE is not the best way to obtain drinking water, but it could help replenish our water resources for other needs.

Brine

Brine impacts can be lessened by how much brine is discharged and how the desal process is carried out.

Stanford University researchers have developed a device that can turn brine into useful chemicals.Through an electrochemical process, it splits the brine into positively charged sodium and negatively charged chlorine ions. These can then be combined with other elements to form sodium hydroxide, waterstof, and hydrochloric acid. Sodium hydroxide can be used to pretreat seawater going into the desal plant to minimize fouling of the membranes. It is also involved in the manufacture of soap, papier, detergents, explosives and aluminum. Hydrochloric acid is useful for cleaning desal plants, producing batteries, and processing leather; it is also used as a food additive and is a source of hydrogen. Turning brine components into chemicals that have other purposes would decrease brine waste and its environmental damage, as well as improve the economic viability of desalination.

Diluting brine can also lessen its impacts. "You take more seawater, and you premix it [with the brine] in an engineered reactor, " said Yip. "Now the salinity of that mix is not two times saltier than seawater. It's still saltier than seawater, but it's lower. And instead of discharging it at one point, you discharge it at several points with diffusers. These are engineering approaches to try to minimize the impacts of brine, " hij legde uit.

Other solutions for the drought

Despite improvements in desal's environmental and economic profile, echter, it is still an expensive solution to water scarcity. This is especially so given that most water in the U.S. is used for agriculture, taking showers, and flushing toilets. Newsha Ajami, the director of urban water policy at Stanford, said "I disagree with using tons of resources to clean the water up just to flush it down the toilet."

Water recycling

Paulina Concha Laurrari, a senior staff associate at the Columbia Water Center, said "Water reuse definitely has to be an important part of the solution. Our wastewater can get treated, either to potable standards, like it's been done in other parts of the world and even in California, or to a different standard that can be used for agriculture or other things."

Recycling the approximately 50 million tons of municipal wastewater that is discharged daily around the U.S. into the ocean or an estuary could supply 6 percent of the nation's total water use. Recycled water can be used for irrigation, watering lawns, parks and golf courses, for industrial use and for replenishing aquifers. The House of Representatives is considering a bill that would direct the Secretary of the Interior to establish a program to fund water recycling projects and build water recycling facilities in 17 western states through 2027.

The technology to recycle water has been around for 50 years. Wastewater treatment facilities add microbes to wastewater to consume the organic matter. Membranes then are used to filter out bacteria and viruses, and the filtered water is treated with ultraviolet light to kill any remaining microbes. The water can be used for agriculture or industry, or it can be pumped into an aquifer for storage. When it is needed for drinking water, it can be pumped out and repurified. If the water is for human consumption, some minerals are added back in to make it more drinkable.

Waste not

Every year in the U.S., approximately 9 billion tons of drinking water are lost due to leaking faucets, pipes and water mains, and defective meters. President Biden's $1.2 billion infrastructure plan includes substantial sums for upgrading clean drinking water and wastewater infrastructure.

In de VS, 42 billion tons of untreated stormwater enter the sewage system and waterways and ultimately the ocean each year. This means that the rainwater that could soak into the ground to replenish groundwater supplies is lost. Green infrastructure, such as green roofs, rain gardens, trees, and rain barrels, would reduce some of this water waste.

Sensible water use

It's also important to figure out how to put the water that's available to the best use in a particular area. "Bijvoorbeeld, having a better planning strategy of what is the best use for water, like what to plant where, " said Laurrari. "Instead of using it, zeggen, for alfalfa, how do we use it for higher value crops? Or even tell farmers, "I will pay you not to use this water' and the state can have it to replenish our aquifers or to source cities or something else."

Determining the most reasonable and economical uses for water would help everyone understand and appreciate its true value. "In some of these places where they're having droughts, there are still people who are watering their lawns, and happily paying the fine, " said Yip. "So really, there's a mismatch between what is happening and what the reality is. We need to adjust our activities such that we are not putting that kind of a human-imposed strain on the water supply. We need to be thinking about how we make drastic wholesale changes to the way we organize our activities that actually make sense."

Israel's example

Israel is located in one of the driest regions of the world and has few natural water resources, echter, it is considered "the best in the world in water efficiency" according to Global Water Intelligence, an international water industry publisher.

Israeli children are taught about water conservation beginning in preschool, and adults are reminded not to waste water in television ads. Low-flow showerheads and faucets are mandatory, and Israeli toilets usually have two different flushing options for urine and bowel movements. The country adopted drip irrigation, which uses half the water than does traditional irrigation while producing more yield. Israel also resolutely attends to small leaks in pipes before they become large. In aanvulling, 75 percent of its wastewater is recycled, more than that of any other country. And because Israelis pay for their water themselves, they are careful about how much they use and readily adopt water-saving technology. Als resultaat, it's estimated that the average Israeli consumes half as much water each day as the average American.

Israel began desalination in the 1960s. Today it has five desal plants with two more on the way and will soon get 90 percent of its water from desal.

While Israel has invested a lot of money in desal, it has also made huge investments in water awareness and water efficiency. These other measures enabled the country to delay building desal plants and build them more economically and smaller than they would otherwise have needed to be because the citizens were already conserving water.

101 things you can do

Here are 100 ways to conserve water.

And one more. "Become more actively involved with the decisions that government makes in terms of investments of infrastructure, " said Laurrari, "Because yes, you can conserve water at home, but what is really going to matter is what's done at the larger scale by politicians. So having a more active role, knowing where your water comes from, and what your local issues are is important."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan Earth Institute, Columbia University http://blogs.ei.columbia.edu.