Forskare från Australian National University har föreslagit en ny metod för avsaltning av vatten som undviker många av de oönskade bieffekterna av traditionella avsaltningstekniker och som minskar den energi som krävs med cirka 80%.
Sötvatten håller på att bli en kritisk fråga på många platser runt om i världen, och vissa förlitar sig redan på avsaltning – att utvinna sötvatten från havsvatten.
Ungefär en tredjedel av allt sötvatten som släpps ut används idag av människor, vilket beräknas öka till hälften vid mitten av århundradet, särskilt i regioner som Israel, Mexico City, Indien, södra Kalifornien och många andra. Vattentillgången kommer förmodligen att vara den allvarligaste kris som mänskligheten står inför under detta århundrade, vilket förvärras av klimatförändringarna som smälter snötäcken, ökar avdunstningen från ytvatten, förändrar nederbördsmönster och -mängder och ökar mängden vatten i atmosfären.
I en rapport från Världsbanken 2018 konstaterades att cirka 300 miljoner människor i över 150 länder runt om i världen är beroende av avsaltning till en energikostnad av 3 kilowattimmar per kubikmeter (kWh/m3), en minskning med en faktor 10 sedan 1970. Ändå står avsaltning för en fjärdedel av den energi som används för vattenförsörjning, vilket krävde cirka 100 miljarder kilowattimmar energi 2018.
De avsaltningstekniker som hittills använts är antingen materialbaserade metoder, som omvänd osmos där högt tryck används för att separera molekylära ämnen i vatten, eller termiska metoder, som solbaserad avdunstning eller avsaltning genom frysning.
Men dessa system kan ta in och döda mindre havslevande organismer på grund av värme, stress eller kemikalier, eller klämma fast större havslevande organismer mot intagsskärmar. Och de lämnar efter sig saltvatten med en mycket hög salthalt på över 30 procent (havsvatten innehåller cirka 30 till 35 gram salt per kilo vatten, mestadels NaCl) som släpps tillbaka ut i havet, där det sjunker till botten och skadar ekosystemen.
Dessa traditionella avsaltningsanläggningar kräver dyra material som måste rengöras och underhållas, eftersom de är utsatta för nedsmutsning, korrosion och nedbrytning av membranen, samt ett energibehov på 3-7 kWh/m3 för omvänd osmos och upp till 100 kWh/m3 för andra metoder. De är lämpliga för stads- och industrimiljöer, men för stora och kostsamma för utvecklingsländer, landsbygd och avlägsna regioner.
Koncept för termodiffusiv avsaltning och enhetsdesign. Kredit: Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-47313-5
Den nya metoden som publiceras i Nature Communications förlitar sig inte på elektricitet, utan kan använda lågvärdig värme från solljus eller värme som är en biprodukt av en industriell process. Den utnyttjar termodiffusion, ett fenomen där salt överförs till den kallare sidan av en jämn temperaturförändring (temperaturgradient) från varmt till kallt. Vattnet förblir i vätskefas under hela processen.
Under ledning av doktoranden Shuqi Xu pressade forskargruppen havsvatten genom en smal kanal under en topplatta som värmts upp till över 60°C och över en bottenplatta som kylts ned till 20°C. Båda temperaturvärdena för plattorna kan extraheras från miljön, som diskuterats ovan. Vatten med låg salthalt kom från vattnet i den övre delen av kanalen och vatten med hög salthalt från den nedre delen av kanalen.
I gruppens experimentuppställning var kanalen en halv meter lång och en millimeter hög med flöden på mellan 1 och 16 milliliter per minut.
Efter en enda passage genom kanalen avlägsnades kallare, saltare vatten och varmare, mindre salt vatten leddes tillbaka genom kanalen. För varje passage minskade salthalten med 3%. Efter upprepade cykler kan salthalten i havsvatten minskas från 30.000 ppm (parts per million) till mindre än 500 ppm.
”Vår dröm är att möjliggöra ett paradigmskifte inom avsaltningstekniken, baserat på metoder som kan drivas av lågtempererad värme i vår omgivande miljö”, säger Juan Felipe Torres, professor vid Australian National University och huvudansvarig för denna forskning.
”Så vitt vi vet är termodiffusiv avsaltning den första termiska avsaltningsmetoden som inte kräver någon fasförändring. Den fungerar helt och hållet i vätskefas, och vad som är ännu viktigare är att den inte kräver membran eller andra typer av jonadsorberande material för att rena vattnet.”
Termodiffusiv avsaltning är fri från nedsmutsning, ”vilket skulle kunna förändra vårt sätt att bedriva storskalig avsaltning”, fortsätter Torres. Jordbruket, som använder ca 69% av världens sötvatten, behöver vatten som är avsaltat till ca 95% av sitt basvärde.
Sedan proof-of-conceptet har gruppen nu byggt en större flerkanalig enhet för avsaltning av havsvatten som ska användas på ön Tonga i sydvästra Stilla havet, där det råder svår torka. Där kommer apparaten att drivas av en solpanel som är lika stor som ett mänskligt ansikte.
Torres anser att termodiffusiv avsaltning är avgörande för utvecklingsländerna, som i många fall drabbas värst av klimatförändringarna, eftersom avsaltningsprocessen decentraliseras och vattenförsörjningen i dessa områden säkras.
Ytterligare information: Shuqi Xu et al, Thermodiffusive desalination, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-47313-5
