Un mondo sempre più stressato dall'acqua rivede la desalificazione. Sembra abbastanza semplice: togli il sale dall'acqua, quindi è potabile.

Ma è molto più complesso di quanto sembri a prima vista. È anche sempre più cruciale in un mondo in cui le risorse di acqua dolce sono progressivamente tese dalla crescita della popolazione, dallo sviluppo, dalla siccità, dai cambiamenti climatici e altro ancora. Ecco perché ricercatori e aziende dagli Stati Uniti all'Australia stanno mettendo a punto un concetto vecchio di secoli che potrebbe essere il futuro per estinguere la sete del mondo.

"Quando si tratta di aumentare le forniture di acqua, hai quattro opzioni: aumentare la quantità di riutilizzo, aumentare lo spazio di archiviazione, conservarlo o trasformarlo in una nuova fonte", afferma Tom Pankratz, consulente di dissalazione e attuale editor della pubblicazione commerciale settimanale Rapporto sulla desalinizzazione dell'acqua. "E per molti luoghi in tutto il mondo, l'unica nuova fonte è la desalinizzazione."

Processo costoso

La tecnologia di desalinizzazione è in circolazione da secoli. In Medio Oriente, le persone hanno a lungo evaporato acque salmastre salmastre o acqua di mare, quindi hanno condensato il vapore per produrre acqua senza sale per bere o, in alcuni casi, per irrigazione agricola.

Nel tempo il processo è diventato più sofisticato. La maggior parte dei moderni impianti di dissalazione utilizza l'osmosi inversa, in cui l'acqua viene pompata ad alta pressione attraverso membrane semipermeabili che rimuovono il sale e altri minerali.

In tutto il mondo circa 300 milioni di persone ricavano acqua dolce da più di 17,000 impianti di dissalazione nei paesi 150. I paesi del Medio Oriente hanno dominato quel mercato per necessità e disponibilità di energia, ma con le minacce di penuria di acqua dolce che si diffondono in tutto il mondo, altri si stanno rapidamente unendo ai loro ranghi. La capacità dell'industria sta crescendo di circa il 8 per cento all'anno, secondo Randy Truby, controllore e past president della Associazione internazionale di dissalazione, un gruppo industriale, con "raffiche di attività" in luoghi come l'Australia e Singapore.

Negli Stati Uniti, a Carlsbad, in California, viene costruito un impianto da $ 1 miliardi per fornire circa il 7 del fabbisogno di acqua potabile per la regione di San Diego. Quando andrà online nel tardo 2015 sarà il più grande del Nord America, con una capacità di 50-million-gallon-per-day. E la California ha attualmente delle proposte di impianti di desalinizzazione 16 nelle opere.

La maggior parte dell'acqua sulla Terra si trova negli oceani e in altri corpi di acqua salata.

Ma la desalinizzazione è costosa. Un migliaio di litri di acqua dolce proveniente da un impianto di desalinizzazione costa il consumatore medio americano da $ 2.50 a $ 5, dice Pankratz, rispetto a $ 2 per l'acqua dolce convenzionale.

È anche un maiale energetico: consumano le piante di dissalazione in tutto il mondo più di 200 milioni di chilowattora al giorno, con i costi energetici si stima una percentuale di 55 del totale delle operazioni e dei costi di manutenzione degli impianti. Per produrre un metro cubo di acqua dolce dall'acqua di mare, la maggior parte degli impianti di osmosi inversa va da 3 a 10 di kilowattora di energia. I tradizionali impianti di trattamento dell'acqua potabile utilizzano generalmente 1 kWh per metro cubo.

E può causare problemi ambientali, spostando le creature che vivono nell'oceano a alterare negativamente le concentrazioni di sale intorno a loro.

La ricerca in una serie di miglioramenti della desalinizzazione dell'acqua di mare è in corso per rendere il processo più economico e più rispettoso dell'ambiente, compresa la riduzione della dipendenza dall'energia derivata dai combustibili fossili, che perpetua il circolo vizioso contribuendo al cambiamento climatico che contribuisce in primo luogo alla carenza di acqua dolce.

Aggiornamento a membrana

La maggior parte degli esperti afferma che l'osmosi inversa è efficiente quanto lo sarà. Ma alcuni ricercatori stanno cercando di spremere di più migliorando le membrane utilizzate per separare il sale dall'acqua.

Le membrane attualmente utilizzate per la dissalazione sono principalmente pellicole di poliammide sottili arrotolate in un tubo cavo attraverso il quale l'acqua assorbe. Un modo per risparmiare energia è aumentare il diametro delle membrane, che è direttamente correlato alla quantità di acqua dolce che possono produrre. Le aziende si stanno sempre più spostando da membrane con diametro 8-pollice a 16, che hanno quattro volte l'area attiva.

"È possibile produrre più acqua riducendo l'ingombro delle attrezzature", afferma Harold Fravel Jr., direttore esecutivo del American Membrane Technology Association, un'organizzazione che promuove l'uso dei sistemi di depurazione delle acque.

Gran parte della ricerca sulle membrane è focalizzata sui nanomateriali: materiali su 100,000 volte più piccoli del diametro di un capello umano. I ricercatori del Massachusetts Institute of Technology hanno riferito in 2012 che una membrana fatta di un foglio di atomi di carbonio con grafene spesso chiamato atomene potrebbe funzionare altrettanto bene e richiede meno pressione per pompare acqua attraverso della poliammide, che è circa mille volte più spessa. Meno pressione significa meno energia per il funzionamento del sistema e, quindi, minori costi energetici.

Il grafene non è solo resistente e incredibilmente sottile, ma, a differenza del poliammide, non è sensibile ai composti per il trattamento delle acque come il cloro. In 2013, Lockheed Martin ha brevettato la membrana Perforene, che ha un atomo di spessore con fori abbastanza piccoli da intrappolare il sale e altri minerali ma che consente all'acqua di passare.

Un'altra soluzione di nanomateriale diffusa è il nanotubi di carbonio, afferma Philip Davies, un ricercatore della Aston University specializzato in sistemi energeticamente efficienti per il trattamento delle acque. I nanotubi di carbonio sono attraenti per le stesse ragioni del grafene: materiale resistente e duraturo confezionato in una confezione minuscola e in grado di assorbire più del 400 percentuale del loro peso in sale.

Le membrane devono essere sostituite, quindi la durabilità dei nanotubi di carbonio e l'alto tasso di assorbimento potrebbero ridurre la frequenza di sostituzione, risparmiando tempo e denaro.

La tecnologia a membrana tutto "sembra sexy, ma non è facile", dice Pankratz. "Ci sono sfide ingegneristiche quando si realizza qualcosa di così sottile che mantiene ancora l'integrità."

I nanotubi di grafene e di carbonio sono lontani decenni dall'uso diffuso, afferma Wendell Ela, professore di ingegneria chimica e ambientale dell'Università dell'Arizona. "Li vedo avere un impatto, ma è una via d'uscita."

Truby ha detto che le barriere alla commercializzazione includono la progettazione di materiali così piccoli e la creazione di nuove membrane compatibili con gli impianti e le infrastrutture attuali.

"Sarà fondamentale aggiornare i sistemi senza abbattere [loro] e costruire un impianto completamente nuovo", afferma.

Osmosi in avanti

Altri guardano oltre l'osmosi inversa a un altro processo noto come osmosi diretta. Nell'osmosi diretta, l'acqua di mare viene assorbita nel sistema da una soluzione contenente sali e gas, che crea un'alta differenza di pressione osmotica tra le soluzioni. Le soluzioni passano attraverso una membrana insieme, lasciando i sali dietro.

Ela dice che l'osmosi diretta "sarà probabilmente più efficiente come pretrattamento e non come trattamento autonomo negli impianti di acqua di mare" perché l'osmosi inversa funziona meglio su larga scala. Come pretrattamento, l'osmosi diretta può allungare la durata della vita dell'osmosi inversa e promuovere la salute generale del sistema riducendo i disinfettanti necessari e altre opzioni di pretrattamento.

Il processo dovrebbe usare meno energia dell'osmosi inversa, spiega Ela, dal momento che è guidato dalla termodinamica. Ma la scorsa estate gli scienziati del MIT hanno riferito che l'osmosi diretta per la desalinizzazione potrebbe rivelarsi più energivora rispetto all'osmosi inversa a causa dell'elevata concentrazione di sale nella soluzione risultante dal primo passaggio.

Compagnia britannica Acqua moderna gestisce il primo impianto commerciale ad osmosi in avanti in Oman, nella costa sud-orientale della penisola arabica. A galloni 26,000 al giorno, il sistema ha una capacità molto più piccola rispetto alla maggior parte dei sistemi di osmosi inversa su larga scala. I funzionari della compagnia non hanno risposto alle richieste di commenti sull'impianto. Tuttavia, un rapporto aziendale ha rilevato che l'impianto aveva una riduzione percentuale di 42 di energia rispetto all'osmosi inversa.

Heather Cooley, direttore del programma idrico con il Pacific Institute, un'organizzazione di ricerca sulla sostenibilità con sede in California, afferma che la maggior parte della tecnologia di osmosi avanzata è ancora in fase di ricerca e sviluppo e che l'uso commerciale è di cinque anni per 10.

Soluzione di diluizione

Un altro approccio per ridurre il costo energetico della desalinizzazione è RO-PRO, o osmosi inversa a pressione osmotica inversa. RO-PRO funziona passando una fonte d'acqua dolce compromessa, come l'acqua di scarico, attraverso una membrana nella soluzione altamente salina residua dall'osmosi inversa, che normalmente verrebbe scaricata nell'oceano. La miscelazione dei due produce pressione ed energia che viene utilizzata per alimentare una pompa ad osmosi inversa.

Ispirato da un sistema usato da Statkraft, una società di energia idroelettrica e di energia rinnovabile con sede in Norvegia, la professoressa di ingegneria ambientale della University of Southern California, Amy Childress e colleghi, stanno ora sperimentando RO-PRO in California. Childress dice che stime "ottimistiche" mostrano RO-PRO in grado di ridurre l'energia necessaria per l'osmosi inversa 30 per cento. Nota che alcune aziende non specificate hanno mostrato interesse per il loro pilota.

Recapturing and Renewable Energy

Fravel dice che molte piante stanno cercando di recuperare l'energia dall'interno del processo. I turbocompressori, ad esempio, assorbono energia cinetica dal flusso in uscita di acqua salata concentrata e la riapplicano sul lato dell'acqua di mare in ingresso. "Si potrebbe avere 900 [libbre per pollice quadrato] sul lato alimentazione e il concentrato potrebbe uscire con 700 psi. "C'è molta energia nel flusso concentrato", dice.

Incorporare le energie rinnovabili nel lato di input energetico delle cose è un approccio particolarmente promettente per migliorare la sostenibilità della desalinizzazione. Anche il pretrattamento dell'acqua prima di passare alle membrane può risparmiare energia. "Quanto meglio si può pulire l'acqua prima che entri nell'osmosi inversa, tanto meglio funziona", afferma Fravel. Le piante in Bahrain, Giappone, Arabia Saudita e Cina utilizzano il pretrattamento per un processo di osmosi inversa più fluido.

Incorporare le energie rinnovabili nel lato di input energetico delle cose è un approccio particolarmente promettente per migliorare la sostenibilità della desalinizzazione. Attualmente una percentuale stimata di 1 di acqua desalinizzata proviene da energia da fonti rinnovabili, principalmente in strutture di piccole dimensioni. Ma gli impianti più grandi stanno iniziando ad aggiungere energie rinnovabili al proprio portafoglio energetico.

Dopo anni di lotta con la siccità, l'Australia ha portato sei impianti di dissalazione online da 2006 a 2012, investendo più di $ 10 miliardi. Le centrali utilizzano tutte energia rinnovabile per la produzione di energia elettrica, principalmente attraverso i vicini impianti eolici che immettono energia nella rete, afferma Pankratz. E l'impianto di dissalazione di Sydney Water, che fornisce circa il 15 di acqua alla città più popolosa dell'Australia, è alimentato dalle compensazioni della 67-turbine Capital Wind Farm sulle miglia 170 a sud.

L'energia solare è interessante per molti paesi di dissalazione pesante, in particolare quelli in Medio Oriente e nei Caraibi, dove il sole è abbondante. In uno dei progetti più ambiziosi, la società energetica degli Emirati Arabi Uniti Masdar ha annunciato in 2013 che sta lavorando al più grande impianto di dissalazione solare al mondo, in grado di produrre più di 22 milioni di galloni al giorno, con un lancio pianificato in 2020.

Impatto ambientale

I piani per utilizzare l'acqua di mare, ovviamente, devono considerare le implicazioni per la vita marina. Un sacco di impianti di desalinizzazione utilizzano prese d'aria oceaniche aperte; questi sono spesso schermati, ma il processo di dissalazione può ancora uccidere organismi durante l'assunzione o all'interno delle fasi di trattamento della pianta, dice Cooley. Nuove prese del sottosuolo, che vanno sotto la sabbia per usarlo come un filtro naturale, potrebbero contribuire ad alleviare questa preoccupazione.

Inoltre, c'è il problema di come sbarazzarsi di molta acqua molto salata dopo la desalinizzazione. Ogni due galloni di una struttura contiene un gallone di acqua potabile e un gallone di acqua che è circa due volte più salato di quando è entrato. La maggior parte delle piante lo scarica nello stesso corpo idrico che funge da fonte di assunzione.

Ela dice che le piante più piccole, come l'impianto di osmosi in avanti in Oman, potrebbero essere il futuro della tecnologia di desalinizzazione. La tecnologia RO-PRO offre un modo per ridurre la concentrazione di sale nello scarico, che può danneggiare le creature che vivono sul fondo. Un altro metodo che sta guadagnando popolarità è l'uso di diffusori, una serie di ugelli che aumentano il volume di acqua marina mescolando con lo scarico concentrato che impedisce la formazione di macchie di sale elevato.

In uno dei più recenti recenti studi che affrontano la scarica oceanica, Davies of Aston University ha riscaldato la scarica brillante con l'energia solare per convertire il cloruro di magnesio in ossido di magnesio, che definisce "un buon agente per assorbire il biossido di carbonio". La ricerca è ancora fasi nascenti, ma potrebbe avere il doppio vantaggio ambientale di ridurre lo scarico e rimuovere CO₂ dall'oceano usando l'energia solare per zappare il concentrato.

Dimensione Saggia

Ela dice che le piante più piccole, come l'impianto di osmosi in avanti in Oman, potrebbero essere il futuro della tecnologia di desalinizzazione. Molte delle innovazioni più recenti potrebbero avere un senso economico su una scala più piccola, e le aziende non dovrebbero investire così tanto nelle infrastrutture, dice.

"Invece di grandi impianti, potremmo arrivare agli impianti di desalinizzazione dei galloni 10,000 al giorno", afferma Ela. "Vedo decentralizzazione e piccoli impianti di desalinizzazione che servono piccole comunità".

Ciò fornirebbe anche benefici ambientali, come ad esempio consentire alle energie rinnovabili di svolgere un ruolo più ampio, dal momento che è molto più semplice alimentare le piccole centrali con il solare e l'eolico rispetto a quelle di grandi dimensioni, afferma.

Pankratz afferma che la desalinizzazione sarà sempre più costosa del trattamento dell'acqua dolce. Tuttavia, le innovazioni aiuteranno la desalinizzazione a diventare un'opzione sempre più praticabile in quanto la domanda di acqua dolce cresce in un mondo sempre più assetato.

Questo articolo è originariamente apparso su Ensia

Circa l'autore

Brian Bienkowski è editore di Environmental Health News e del suo sito gemello, The Daily Climate. Ha conseguito un master in giornalismo ambientale e una laurea in marketing presso la Michigan State University. Vive con il suo bassotto in miniatura, Louie, a Lansing, nel Michigan.

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