Løsningen: Forskere tvinger drikkevand ud af bølger og afføring

Klodens salte oceaner er potentielt gigantiske drikkevandslagre for menneskeheden, men teknologier til at afsalte havvandet har hidtil krævet alt for meget energi. Nu har forskere udviklet nye metoder, der ikke alene presser dråberne mere energieffektivt ud af havets bølger – men også af knastør ørkenluft og menneskelig afføring.

Klodens salte oceaner er potentielt gigantiske drikkevandslagre for menneskeheden, men teknologier til at afsalte havvandet har hidtil krævet alt for meget energi. Nu har forskere udviklet nye metoder, der ikke alene presser dråberne mere energieffektivt ud af havets bølger – men også af knastør ørkenluft og menneskelig afføring.

Shutterstock

Selv fra 6 mia. kilometers afstand kan Jorden med sin dybblå farve ikke skjule, at den rummer uanede mængder af vand.

På ultrafjernbilleder taget af Voyagersonden på sin vej ud af Solsystemet fremstår Jorden stadig som en blå plet.

Hele 71 pct. af vores planet er dækket af vand, og blev det alt sammen tappet, ville det svare til 2670 milliarder millarder halv­liters flasker rent drikkevand.

Desværre er 97 pct. af klodens vand bundet i salte oceaner og dermed u­drik­ke­ligt for mennesker.

Afsaltningsanlægget i Carlsbad, USA, benytter omvendt osmose til at forsyne 400.000 beboere i San Diego med rent drikkevand.

© Don Bartletti/Getty

Alligevel er havvandet en livsvigtig kilde til drikkevand flere steder i verden, hvor afsaltningsanlæg forvandler de salte dråber til klart drikkevand.

I fremtiden kan afsaltning vise sig at blive en vigtig del af løsningen på Day Zero i Australien og det generelle pres på grundvandet rundt omkring i verden.

Afsaltning sluger energi

Grunden til, at vi ikke bare kan drikke et glas havvand, er, at selvom kroppen består af ca. 60 pct. vand, har vi kun brug for salt i små mængder.

Menneskekroppen optager 5-6 g salt om dagen, mens nyrerne udskiller resten med urinen. Nyrerne kan kun udskille salt i mængder, som er mindre end saltindholdet i havvand, dvs. ca. 35 g pr. liter.

Hvis vi drak et glas saltvand, ville kroppen for at komme af med saltet skulle skille sig af med en større mængde urin end den mængde vand, der var i glasset. Derfor ville vi til sidst dø af dehydrering.

© Khalili Engineers

Flydende afsaltningsværk skal forsyne byer med drikkevand

Det flydende afsaltningsværk The Pipe skal fjerne både skidt og salt fra havvand ved en proces kaldet elektromagnetisk filtrering. Her skal et elektromagnetisk felt adskille stoffer fra hinanden ved at tiltrække ioner. Ifølge udviklerne kan The Pipe afsalte 4,5 mia. liter vand om året.

Elektromagneter renser vandet

Under The Pipes overflade cirkulerer havvand gennem et rørsystem, hvor elektromagneter tiltrækker ioner i snavs og salt, så det skilles fra vandet.

Overfladen består af stål og solpaneler

Anlæggets overflade er dækket med paneler af genbrugt stål samt solcelle­paneler, der leverer strøm til den elektromagnetiske afsaltning.

Drikkevand ledes direkte ind til land

En rørledning sender det afsaltede drikkevand til byens vandforsyning. Den maksimale længde af The Pipe er 428 gange 60 meter.

Intet sted afsaltes så meget vand som i Saudi-Arabien.

Landets 28 afsaltningsanlæg leverer 6,6 mia. liter rent vand om dagen, hvilket svarer til 22 pct. af alt afsaltet vand i verden.

I Perth i Australien bliver omkring 45 mia. liter havvand årligt til drikkevand, hvilket svarer til 18 pct. af storbyens behov.

Selvom tallene kan lyde store, er det blot omkring én procent af verdens samlede behov for ferskvand, der i dag bliver dækket med afsaltningsanlæg.

En af forklaringerne er det store forbrug af elektricitet og afbrænding af for eksempel olie eller gas, som afsaltningsprocesserne kræver.

Derudover er det mange steder langt nemmere at pumpe grundvand op. Et andet problem med afsaltning er spildproduktet kaldet brine – saltvand, der har højere koncentration af salt end almindeligt havvand.

Brine bliver typisk ledt ud i havet igen, men den høje saltkoncentration skader dyr og planter.

Restaffaldet ved afsaltning af havvand er en stærkt koncentreret saltlage kaldet brine. Stoffer som kaustisk soda og lithium kan udvindes af lagen.

© Ritzau Scanpix

Her øjner forskere dog en ny mulighed for at udvinde metaller og salte som for eksempel magnesium, kalcium, litium og natriumklorid til brug i forskellige industriprocesser og landbruget.

Forskere fra Massachusetts Institute of Technology, MIT, i Boston har bl.a. udviklet en metode til at udvinde natriumhydroxid – også kaldet kaustisk soda – fra saltvandet.

1,1 mia. liter havvand skal dagligt afsaltes i Dubai fra 2030.

Kaustisk soda indkøbes i dag i store mængder til afsaltningsanlæg for at forbehandle havvand, der skal afsaltes, så de membraner, der afsalter vandet, ikke bliver tilstoppet.

Dermed vil en del af spildproduktet fra afsaltningen kunne genbruges i processen.

Omvendt osmose driver saltet ud

Groft sagt kan teknikkerne til afsaltning opdeles i to hovedkategorier: termisk og membranbaseret afsaltning.

Termisk afsaltning var frem til år 2000 mest udbredt og foregår ved en metode kaldet multi-stage flash distillation (MSF).

Her flyder havvandet igennem flere kamre med forskelligt tryk, temperatur og varmevekslere, hvilket leder til fordampning og kondensering af vandet uden salt, mens brine bliver tilovers.

Processen kræver store mængder energi, og derfor har en anden membranbaseret teknik kaldet omvendt osmose i de seneste år overhalet termisk afsaltning.

Processen er det modsatte af osmose – et naturligt fænomen, som opstår, når ferskvand er adskilt fra saltvand. Det kan for eksempel være pga. en cellemembran, der kun tillader, at vandmolekyler passerer.

I et forsøg på at udligne forskellen i saltkoncentration på hver side af membranen bevæger vandmolekyler sig over i saltopløsningen.

Ved omvendt osmose presses saltvand under højt tryk ligeledes gennem en membran, fremstillet af fx celluloseacetat, og over til den modsatte side, hvor der er normalt atmosfærisk tryk.

Membranen tillader vandmolekylerne at passere, men ikke saltmolekylerne eller andre molekyler. Dermed når kun de rene vandmolekyler igennem.

Grafenmembran er mere effektiv

Selvom omvendt osmose ikke er så energislugende som termisk afsaltning, bruger teknikken stadig store mængder elektricitet på at drive pumperne, der sætter havvandet under tryk.

Derfor arbejder forskere nu på at få vedvarende energi ind i afsaltningsprocessen.

Efter planen skal omvendt osmose udelukkende drevet af strøm fra solceller i 2030 producere over 1,1 milliarder liter drikkevand om dagen i Dubai.

Video: Forstå omvendt osmose på 4 minutter

En anden løsning på energiproblemet er at skabe nye typer membraner, der lettere lader vandmolekylerne passere, samtidig med at de blokerer salt og urenheder effektivt.

Ét af de mest lovende materialer er grafen – todimensionelle ark af karbon, der kun er et atom tykke.

Forskere fra The University of Manchester har udviklet en metode, hvor grafenoxid bliver brugt som membranmateriale, så forskerne kan styre størrelsen af porerne i membranen helt nøjagtigt.

Forskerne udnytter, at saltmolekylerne omgiver sig med en “skal” af vandmolekyler og dermed bliver for store til at smutte igennem porerne i membranen sammen med de almindelige vandmolekyler.

©

3 teknikker fjerner salt fra havvand

Et kollektiv af havbøjer, som sætter vand under pres, samt ultratynde skiver af grafen og træ – nye miljø­venlige metoder skal gøre omvendt osmose mere klimavenlig og havets salte dråber drikkelige.

© The Uni. of Manchester

Grafenmembraner gør omvendt osmose miljøvenligere

Membraner til omvendt osmose blokerer i dag 90-99 pct. af saltet i havvand. Til gengæld kræver de meget energi, da
vandet skal presses gennem membranen under højt tryk. Kinesiske forskere har udviklet en membran af grafen, som leder vandet 100 gange bedre og dermed kræver et lavere tryk og mindre strøm.

© University of Maryland

Træmembran filtrerer salt effektivt

Forskere fra Princeton University har skabt en 500 mikrometer tyk membran af træ. Membranen er vandskyende, men damp passerer let igennem. Ved at opvarme den ene side af træet fordamper vandet og bevæger sig igennem porerne til den modsatte kolde side, hvor vandet kondenserer. Saltet efterlades på den varme side.

© atmocean.com

Bølgeskvulp sætter vandet under tryk

Firmaet Atmocean har udviklet en pumpe, der er monteret på en bøje og drives af havets bølger. I takt med bølgeslagene suger pumpen vand ind og presser det ud igen under højt tryk. Et anlæg bestående af 15 pumper skaber et vandtryk, som er så højt, at det kan drive et omvendt osmose-anlæg uden brug af ekstra strøm.

Fordi forskerne kan styre størrelsen på porerne helt præcist, kan membranen også mere effektivt lede vandet igennem, så afsaltningen ikke kræver så højt et tryk og dermed strømforbrug som andre afsaltningsmetoder.

Elektrisk gitter fanger vanddamp

Afsaltning af havvand kan også ske helt uden brug af membraner.

Forskere fra MIT har udviklet en metode, der kan adskille salt, snavs og pesticider fra det rene vand. Fordelen ved at afsalte uden membraner er, at membranerne over tid bliver fyldt med snavs og bakterier og derfor skal rengøres eller udskiftes.

Under processen kaldet chok-elektrodialyse flyder havvandet gennem et porøst glasmateriale med elektroder på hver side.

Ved at lade en elektrisk strøm løbe mellem elektroderne, der er positivt og negativt ladede, deler saltvandet sig op i en saltrig region på den ene elektrode og saltfattig region på den anden.

Når strømstyrken når et kritisk punkt, skabes der en form for chokbølge gennem væsken, hvor de to regioner adskiller sig næsten fuldstændigt fra hinanden.

Ifølge forskerne kan metoden fjerne op til 99,99 pct. af saltet i vandet.

© Claus Lunau & Mathieu Prévot/UC Berkeley

Porøst metal trækker vand ud af ørkenluft

Et porøst materiale kaldet MOF (metal-organic framework) er hovedingrediens i en vandhøster udviklet af forskere fra University of California, Berkeley.

Materialets bittesmå porer har så stort et overfladeareal, at et gram MOF svarer til arealet af en fodboldbane. Materialet binder vandmole­kylerne, og 1 kg MOF kan dagligt trække 1,3 liter vand ud af luften.

Ventilator suger luft ind

Vandhøsteren suger luft ind med en ventilator, der drives af elektricitet fra solceller. Maskinen har også et batteri, så
ventilatoren kan køre om natten.

Filtre binder vandet

Rammer indeholdende MOF ligger stablet inde i apparatet. Gennem en proces kaldet adsorption bliver luftens vandmolekyler optaget i MOF-materialet.

Varme driver vandet ud

Varmelegemer varmer vandet i materialet op. Med ventilatorer drives vandet videre som damp igennem et rør, inden det afkøles og kondenserer. Vandet er så rent, at det kan drikkes uden yderligere behandling.

Strøm indgår også i et andet vandkoncept på MIT. Her skal strømmen ikke drive drikkevand ud af havvand, men ud af damp.

Forskerne har udviklet en metode til at høs­te vanddamp fra kraftværker. I dag bliver 39 procent af ferskvandet i USA brugt til at afkøle kraftværker under produktion af strøm.

En stor del af vandet udledes til atmosfæren som vanddamp, og dermed går enorme mængder drikkevand tabt.

Det vil forskerne bag konceptet Infinite Cooling lave om på.

De har udviklet en teknologi, hvor et gitternet opfanger dråber fra vanddampen.

Normalt vil denne metode opsamle omkring en-tre procent af vandet i den udledte damp i form af vanddråber, men forskerne har opdaget, at de ved at lade en svag elektrisk strøm løbe igennem gitteret kan ionisere luften, så den bliver elektrisk ladet.

Dermed tiltrækker gitteret en langt større del af vanddampen, som ellers ville suse forbi og forsvinde ud i atmosfæren.

Det opsamlede vand kan både genbruges i kraftværkets kølesystem og ledes ud til vandforsyningen i en nærliggende by.

Et sammensurium af stålrør forvandler kloakslam til rent drikkevand. Omniprocessoren genererer desuden rigeligt strøm til at dække sit eget forbrug, mens resten kan overføres til elnettet.

© SHUTTERSTOCK & LOTTE FREDSLUND

Afføring tørres

Kloakslammet føres via et transportbånd ind i en tørreovn, hvor slammet bliver kogt tørt for vand. Vanddampen fra slammet skilles ud fra tørreovnen via et rør.

© SHUTTERSTOCK & LOTTE FREDSLUND

Slam brændes af

Slammet føres ind i et fyr, hvor det brændes af og opvarmer en kedel med vand. Dampen fra kedlen føres ind i en dampmotor og en generator, som skaber strøm til hele processen.

© SHUTTERSTOCK & LOTTE FREDSLUND

Damp genbruges til strøm

Den overskydende damp fra dampmotoren føres ind i tørreovnen, hvor energien bruges til opvarmning og tørring af slammet. Herefter kondenserer dampen til vand og føres tilbage til kedlen.

© SHUTTERSTOCK & LOTTE FREDSLUND

Vanddamp filtreres og kondenseres

Det fordampede vand fra slammet føres gennem et filter, hvor det renses for urenheder. Derefter føres dampen videre gennem en varmeveksler, hvor den kondenserer og bliver til vand. Det destillerede vand er nu 99,9 pct. rent og kan enten bruges til kunstvanding eller som drikkevand efter tilsætning af
mineraler, bl.a. kalk.

Og jagten på de læskende dråber stopper ikke her. Selv indholdet af fugt i menneskelige efterladenskaber kan udvindes til drikkevand.

I 2015 blev prototypen på en såkaldt omniprocessor bygget i Senegals hovedstad, Dakar.

Video: Dakars slam omdannes til vand og strøm

Byen er uden kloakering og har store problemer med spildevand og slam fra primitive toiletter.

Men takket være omniprocessoren bliver afføring fra 50.000-100.000 indbyggere i dag omdannet til rent drikkevand.

Sammen med de øvrige tekniske løsninger skal omniprocessoren sikre en fremtid, hvor ingen behøver at tørste.

Microsoft-milliardæren Bill Gates testsmager vand udvundet af afføring.

© Youtube