Atsāļošana no izmisuma

Pat sausuma skartajā Kalifornijā Sandjego izceļas. Lietus ir mazāk nekā izžuvušajā Losandželosā vai Fresno. Reģionā ir mazāk gruntsūdeņu nekā daudzās citās štata daļās. Un vairāk nekā 80 procenti ūdens mājām un uzņēmumiem tiek importēti no avotiem, kas tiek pakļauti arvien lielākam stresam. Kolorādo upe ir tik pārslogota, ka tā reti sasniedz jūru; ūdeni, kura izcelsme ir Sakramento upes deltā, vairāk nekā 400 jūdzes uz ziemeļiem, štata amatpersonas šogad noteica, atņemot dažus Kalifornijas Centrālās ielejas lauksaimniekus no viņu galvenā apūdeņošanas avota. Sandjego apgabals, kas ir karsts, sauss un arvien apdzīvotāks, piedāvā priekšskatījumu par to, kurp virzās liela daļa pasaules. Tāpat arī nesenais apgabala valdības lēmums: tā būvē lielāko jūras ūdens atsāļošanas iekārtu rietumu puslodē, kuras izmaksas ir 1 miljards ASV dolāru.

Milzīgajā projektā Karlsbādā strādā gandrīz 500 strādnieku dzeltenās cepurēs. Kad tas tiks paveikts nākamajā gadā, tas katru dienu uzņems vairāk nekā 100 miljonus galonu Klusā okeāna ūdens un saražos 54 miljonus galonu svaiga, dzeramā ūdens. Lai gan tas veido tikai 10 procentus no apgabala ūdens piegādes vajadzībām, tas noteikti būs uzticams un izturīgs pret sausumu — nodrošinās pret iespējami sliktākiem laikiem.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2015. gada janvāra numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Apgabals ir derīgs par modernas inženierijas un gadu desmitiem vecas atsāļošanas tehnoloģijas apvienojumu. Cauruļu tranšeja, kas tiek būvēta, ved uz tuvējo lagūnas ieplūdi; 18 mājas izmēra betona tvertnes gaida smilšu un ogļu kravas, lai apstrādātu sālsūdeni, pirms tas ir gatavs atsāļošanai; spiediena paaugstinājumi noved pie nerūsējošā tērauda caurules viena metra diametrā. Šī pēdējā mirdzošā aparatūras daļa novadīs ūdeni zem augsta spiediena 2000 stikla šķiedras caurulēs, kur tas tiks izspiests caur puscaurlaidīgām polimēru membrānām. Tas, kas tiks cauri, būs saldūdens, atstājot sālījumu.

Procesu sauc par reverso osmozi (RO), un tas ir galvenais liela mēroga atsāļošanas iekārtu balsts visā pasaulē. Kad ūdens tiek izspiests cauri membrānai, polimērs ļauj ūdens molekulām iziet cauri, vienlaikus bloķējot sāļus un citus neorganiskos piemaisījumus. Kopš 2000. gada globālā atsāļošanas produkcija ir trīskāršojusies: visā pasaulē darbojas un darbojas 16 000 rūpnīcu, un ir paredzams, ka būvniecības temps palielināsies, kamēr tehnoloģija turpinās pilnveidoties. Piemēram, Carlsbad ir aprīkots ar vismodernākajām komerciālajām membrānām un uzlabotām spiediena atgūšanas sistēmām. Taču rūpnīcu celtniecība un darbība joprojām ir dārga.

Jūras ūdens atsāļošana faktiski ir viens no dārgākajiem saldūdens avotiem. Atkarībā no vietas apstākļiem ūdens tiek pārdots par USD 1000 līdz USD 2500 par akrpēdu (summa, ko izmanto divas piecu cilvēku ASV mājsaimniecības gadā). Carlsbad produkts tiks pārdots par aptuveni 2000 USD, kas ir par 80 procentiem vairāk, nekā apgabals maksā par attīrītu ūdeni no ārpuses. Viens no iemesliem ir milzīgais enerģijas daudzums, kas nepieciešams, lai izspiestu ūdeni caur membrānām. Un Carlsbad, tāpat kā lielākā daļa atsāļošanas iekārtu, tiek būvēta ar papildu sūkņiem, attīrīšanas jaudu un membrānas caurulēm, jo ​​labāk garantē darbības laiku. Tā kā tas ir ļoti svarīgs reģionam, pastāv milzīgs atlaišanas apjoms, lai nodrošinātu augstu uzticamību, saka Džonatans Lavlends, rūpnīcas īpašnieka Poseidon Water viceprezidents. Ja kāds gabals neizdodas, kaut kas cits pacels atslābumu.

Jau tagad aptuveni 700 miljoni cilvēku visā pasaulē cieš no ūdens trūkuma, taču paredzams, ka šis skaits tikai 10 gadu laikā pieaugs līdz 1,8 miljardiem. Dažas valstis, piemēram, Izraēla, jau tagad lielā mērā paļaujas uz atsāļošanu; vairāk sekos piemēram. Daudzās vietās mēs jau esam pie atjaunojamo ūdens resursu robežas, taču mēs turpinām augt, saka Džons Lienhards, mehānikas inženieris un MIT Tīra ūdens un tīras enerģijas centra direktors. Turklāt mums ir globālā sasilšana ar karstākiem un sausākiem apstākļiem daudzās jomās, kas, iespējams, vēl vairāk samazinās pieejamā atjaunojamā ūdens daudzumu. Lai gan saglabāšana un pārstrāde palīdzēs, jūs nevarat pārstrādāt to, kas jums nav. Piekrastes pilsētām augot, viņš saka, ka jūras ūdens atsāļošanas vērtība strauji pieaugs, un, visticamāk, mēs redzēsim plašu izmantošanu.

Uz šī drūmā fona ir dažas labas ziņas. Īsāk sakot, atsāļošana ir gatava tehnoloģiskiem uzlabojumiem. Sensoru vadītas optimizācijas un automatizācijas, kā arī jaunu membrānu veidu kombinācija galu galā varētu nodrošināt atsāļošanas iekārtas, kas ir uz pusi mazākas un patērē proporcionāli mazāk enerģijas. Papildus citām priekšrocībām nelielas, mobilas atsāļošanas iekārtas varētu izmantot lauksaimniecības reģionos simtiem jūdžu attālumā no okeāna, kur pieprasījums pēc ūdens ir liels un aug.

Gudrais ūdens

Ik pēc divām nedēļām Jorams Koens, ķīmijas inženieris, kurš vada Ūdens tehnoloģiju pētniecības centru Kalifornijas Universitātē Losandželosā, dodas ceļā uz sausuma skarto Sanhoakinas ieleju. Daļa no štata plašās lauksaimniecības vidusdaļas, kurā tiek audzēta liela daļa valsts produkcijas, reģions ir smagi cietis. Pagājušais 2014. gads bija trešais pēc kārtas sausuma gads — laikā, kad pieprasījums pēc ūdens ir sasniedzis visu laiku augstāko līmeni. Es pievienojos Koenam nesenā izbraucienā: braucienā ar automašīnu no viņa laboratorijām UCLA uz mazo ielejas pilsētiņu Firebaugh vienā no vissmagāk cietušajiem lauksaimniecības reģioniem štatā. Gar I-5, automaģistrāli, kas savieno Kalifornijas dienvidu krasta pilsētas ar tās centrālo ieleju, mēs redzējām milzīgas ūdens inženierijas celtnes, kas celtas 1950. gados, tostarp četras milzīgas caurules, kas šķērso Tehačapi kalnus, un ar cementu izklātais Kalifornijas akvedukts, kas pārgriež serpentīna ceļš cauri ielejas dibenam. Štata ūdensapgādes sistēma, kas aptuveni 80% ir veltīta lauksaimniecībai un 20% pilsētām, joprojām nogādā ūdeni, kas tiek sūknēts no Sakramento upes deltas caur 444 jūdžu garo Kalifornijas akveduktu. Ūdens infrastruktūra padarīja Kalifornijas dienvidu daļu tādu, kāda tā ir šodien.

Bet tā ir sistēma, kas pakļauta lielam stresam. Kalifornijas pastāvīgais nokrišņu trūkums nozīmē, ka 80 procentos štata šobrīd valda ārkārtējs vai ārkārtējs sausums, kas liek ierobežot ūdens daudzumu pilsētās un dažiem lauksaimniekiem. Rezultāti ir skaidri redzami: izkaltušas lauksaimniecības zemes platības atrodas tikko pamestas; ceļa zīmes mirgo, brīdinot par ārkārtēju sausumu; zīmes aizbildinās Ūdens = Jobs. Saskaņā ar neseno Kalifornijas universitātes Deivisas pētījumu, sausums 2014. gadā vien radīja lauksaimniecības zaudējumus 1,5 miljardu dolāru apmērā.

Joprojām tiek būvēts, Kalifornijas štata Karlsbādas atsāļošanas rūpnīca būs lielākā šāda veida iekārta Amerikas Savienotajās Valstīs. Uzstādīšanas objektā gaida nerūsējošā tērauda turbīnu sūkņi, kas ietīti ar aizsargājošu Mylar, kas tiks izmantoti tīrā ūdens sūknēšanai.

Izraēlā dzimušais Koens skaidro, ka, neskatoties uz šo spiedienu, atsāļošana nav būtiski mainījusies kopš 1980. gadiem. Laiks, kas nepieciešams, lai plānotu lielus projektus (Karlsbāda aizņēma 14 gadus), investoriem ir grūti sagaidīt lielu atdevi no jaunajām tehnoloģijām, un ASV federālais pētniecības finansējums ir novirzīts uz citām prioritātēm. Turklāt ir bijis iespējams pārstrādāt vai saglabāt ūdeni, lai dārgā atsāļošana būtu mazāk nepieciešama. Koens saka, ka atsāļošanu tagad var pārveidot ar tādiem pašiem sensoru, automatizācijas un algoritmu kontrolētiem procesiem, kas pārveido citas nozares. Es drīz redzētu, par ko viņš runā.

Kad oktobra vēlu saule noriet, garas ēnas klāja garo zemi augstā reljefā. Mēs izbraucām no I-5, nobraucām deviņas jūdzes un nogriezāmies pa labi uz cietas netīrumu joslas starp pistāciju kokiem. Bija krēsla, un priekšējo lukturu stari pazuda līdzenajā tuksneša nebūtībā. Tomēr, atverot logu, es satvēru kaut ko tādu, kas neskaidri smaržoja pēc sāļa gaisa piekrastē. Priekšējie lukturi atklāja vainīgo: caurule izveda daudz atkārtoti izmantotas lauksaimniecības noteces. Tas sākās Sakramento deltā kā saldūdens. Bet tas kļuva arvien vairāk koncentrēts, iztvaicējot akveduktu sistēmā, un vēl jo vairāk, jo tas tika uzklāts uz kultūraugiem, savāca minerālus zemē un atkal tika uzklāts uz kultūraugiem. Tagad tas bija gandrīz tikpat sāļš kā jūras ūdens, kā arī piesārņots ar dažādiem minerāliem un mēslošanas līdzekļiem.

Lai izspiestu ūdeni cauri membrānām, ir nepieciešams daudz enerģijas.

Koens aizveda mani uz tuvējo piekabi, kurā dzīvoja divi maģistrantūras studenti un milzīga tvertne, caurules, vārsti, caurules un datori. Tā bija pilnībā automatizēta sistēma, kas varēja izmantot jebkuru iesāļu vai piesārņotu produktu, ko ražo Firebaugh lauksaimnieki, un dienā saražot 30 000 dzeramo galonu. Datora ekrānā tika parādīts reāllaika melnbalts attēls, kas izskatījās pēc Mēness ainavas. Tas bija šāviens no poliamīda membrānas gabala procesa centrā. Attēlā tika atklāti daži balti gabaliņi: minerālu zvīņošanās sākums, membrānu pāri. Attēlu analīzes programmatūra var noteikt šo notikumu, un algoritms var novirzīt vārstu, lai atvērtu un ievadītu pretkaļķošanas šķīdumu sistēmā, apsteidzot problēmu. Citi sensori un vadības sistēmas var veikt izmaiņas, lai novērstu citas piesārņojuma problēmas, mainot spiedienu vai pirmapstrādei izmantoto ķīmisko piedevu devu.

Koens sniedzās pēc plastmasas caurules un pagrieza nelielu pieskārienu. Izplūda dzidrs ūdens; viņš pastiepa roku, lai kādu notvertu, pacēla to pie mutes, mazliet iedzēra un pārējo ieberza sejā. Ja mēs varam izdomāt automašīnu, kurai nav nepieciešams vadītājs, kāpēc mēs nevaram izdomāt, kā vadīt RO rūpnīcu bez operatoriem? viņš teica.

Ietaupījumi varētu būt ievērojami: tādas automatizētas sistēmas kā šīs, iespējams, varētu ietaupīt no vienas trešdaļas līdz pusei tradicionālo atsāļošanas iekārtu izmaksu, saka Koens. Bet vēl vairāk, piekabes izmēra iekārta, kas var pielāgoties dažādām vietām un apstākļiem katru stundu, varētu vienkārši ripot apkārt un palīdzēt lauksaimniekiem iegūt svaigu ūdeni neatkarīgi no tā, ar ko viņi sāk.

Burvju membrānas

Pat tad, ja sistēmas kļūst gudrākas, reversā osmoze joprojām ir enerģijas cūka. Karlsbāda patērēs vairāk nekā 35 megavatus elektroenerģijas (kas varētu darbināt aptuveni 30 000 māju), un ikgadējais rēķins būs 30 miljoni USD. Apmēram divas trešdaļas no tā tiks novirzītas ūdens spiedienam, kas nepieciešams, lai tehnoloģija darbotos. (Otra trešdaļa galvenokārt tiks novirzīta ūdens sūknēšanai 10 jūdzes kalnup līdz rezervuāram, kā arī pirmapstrādei un ieplūdes sūknēšanai.) Kārlsbādes īpašnieki lēš, ka iekārta patērēs 2,8 kilovatstundas uz kubikmetru vien atsāļošanai. Dažas mazas reversās osmozes sistēmas, kurās izmanto atšķirīgi konfigurētus procesus (palaižot ūdeni pa partijām, nevis nepārtraukti sūknējot), sasniedz 1,5 līdz 1,7 kilovatstundas, saka Lienhards. Bet tehnoloģija nav pierādīta lielākos mērogos.

Kāda ir problēma? Ir nepieciešams daudz darba, lai izspiestu ūdeni cauri membrānām — spiediens, kas nozīmē lielu enerģijas patēriņu. Šīs salīdzinoši biezās poliamīda membrānas, lai gan tālu no ideālas, ir labākās, kādas mums šobrīd ir. Taču dažas grupas cenšas izstrādāt efektīvākus materiālus. MIT mašīnbūves inženiera Rohita Karnika komanda būvē viena atoma biezas membrānas, lai palīdzētu ūdens molekulām vienkārši izkļūt cauri. Pētnieki izsmidzina grafēnu ar jonu stariem un mazgā to ķimikālijās, lai iegravētu poras, kas ir mazākas par nanometru.

Teorētiski tāda būtībā divdimensiju membrāna kā šī nodrošina vismazāko iespējamo pretestību. Džefrija Grosmena materiālu zinātnes un inženierzinātņu grupas MIT datormodeļi parādīja, ka grafēna membrānas var samazināt reversajā osmozē izmantoto enerģiju par 15 līdz 46 procentiem. Vēl labāk, ja augstā caurlaidība var nozīmēt, ka darba veikšanai ir nepieciešams daudz mazāks virsmas laukums, tāpēc visa iekārta varētu būt uz pusi mazāka.

Līdz šim Karniks ir izgatavojis viena kvadrātcentimetra grafēna membrānu, izurbis tajā caurumus un parādījis, ka tā var selektīvi aizturēt noteiktus jonus. Bet viņam vēl nav pierādīts, ka tas faktiski var atsāļot jūras ūdeni, pat uz laboratorijas stenda. Kad viņš vai cita grupa to panāk, nākamais izaicinājums ir uzticami izgatavot jūdzes no membrānas materiāliem ar konsekventām īpašībām. Karniks ir optimistisks, ka viņš tur nokļūs, taču viņš saka, ka paies gadi, līdz grafēna membrānas būs gatavas.

Esošie membrānu materiāli var kļūt labāki, pateicoties citām nanoinženierijas pieejām. Nelielā Firebaugh treilera daļā Koens veic eksperimentu ar savas grupas izdomātu membrānu. Pamatnes slānis ir izgatavots no poliamīda. Bet tad viņš pievieno taustekļiem līdzīgu suku slāni, kas izgatavots no polimēriem, kas ir hidrofili, kas nozīmē, ka tās piesaista ūdeni. Sākotnējie pētījumi liecina, ka šīs hibrīdās membrānas var daudz labāk pretoties netīrumiem, jo ​​sukas, ko viņš pielīdzina brūnaļģēm, kas šūpojas uz zemūdens akmens, attur lietas no pielipšanas. Tas varētu nozīmēt mazāku dīkstāvi, mazāk nomaiņu un ātrāku caurlaidspēju. Bet Koens, malku no grāvja ūdens, mudina reālismu. Cilvēkiem ir tāda fiksācija, ka kaut kādā veidā būs maģiska membrāna, kas samazinās atsāļošanas izmaksas līdz gandrīz nekādai, un es domāju, ka tas ir nedaudz maldinoši, viņš saka.

Pagaidām Kalifornijas piekrastes pašvaldībās jūras ūdens joprojām ir pēdējā iespēja pēc notekūdeņu saglabāšanas, pārstrādes un pat attīrīšanas un atkārtotas izmantošanas. Lai gan daudzi sver atsāļošanu, pilsēta, kas, visticamāk, sekos Sandjego pēdās, ir Santabarbara. Tas ir tāpēc, ka tā jau 90. gadu sākumā pēc piecus gadus ilga sausuma uzcēla RO rūpnīcu, lai ātri to slēgtu, kad pāris gadus ilgas ziemas lietus piepildīja rezervuārus. Pilsēta nesen sāka finansēt dārgu objekta rehabilitāciju, lai vajadzības gadījumā to varētu atjaunot. Citas pašvaldības ir nolēmušas, ka tas ir pārāk dārgi vai ekoloģiski problemātiski (iekārtas neizbēgami iznīcina zivju ikri un citus jūras dzīvniekus, ja vien ieplūdes caurules netiek apraktas zem smiltīm par lielu cenu).

Taču šis novērtējums var apgriezties otrādi. Ūdens, kas iegūts rezervuāros vai sūknēts no tālām deltām, kļūst dārgāks, un šādas alternatīvas rada savas vides izmaksas. Tā kā avoti izžūst un uzņēmumi, lauksaimnieki un pilsētas konkurē par ūdeni, mēs neizbēgami pievērsīsimies jūras ūdenim un citiem sāļiem avotiem. Tas varētu nebūt lielisks risinājums, taču būtība ir tāda, ka mums paliek arvien mazāk izvēles iespēju ūdens badā.

paslēpties