Nová metoda odsolování

Stovky milionů lidí již dnes žijí v oblastech s nedostatkem vody. OSN předpovídá, že do roku 2030 bude až polovina světové populace žít v oblastech s vysokým nedostatkem vody. Krize má nastat i ve vyspělých zemích. Např. vodohospodářští manažeři v USA očekávají nedostatek sladké vody již během příštích 10 let ve 40 unijních státech. S růstem světové populace i HDP roste poptávka po sladké vodě a s pokračujícím růstem globálních teplot se bude nedostatek vody jen zhoršovat. Zvýšení dodávek vody se stále více spoléhá na odsolování slané, zejména mořské vody. Předpokládá se, že se v letech 2016 až 2030 globální kapacita odsolování zdvojnásobí. Odsolovací procesy jsou drahé a mohou být škodlivé pro životní prostředí. Solanky s ultravysokou salinitou, které jsou vedlejším produktem odsolování, mohou mít několikanásobně vyšší slanost než mořské vody a jsou zvláště problematické pro vnitrozemská odsolovací zařízení, např. v Arizoně, Kalifornii, Floridě a Texasu. Jak se s nimi vypořádat, aby nezhoršovaly citlivou vodní bilanci?

Vědci ze společnosti Columbia Engineering zvolili nekonvenční přístup k odsolování hypersalinických solanek - extrakci rozpouštědlem s teplotním výkyvem (temperature swing solvent extraction, TSSE). Metoda se ukazuje být velmi slibnou pro široké použití. TSSE se radikálně liší od konvenčních metod, protože je to technika založená na extrakci rozpouštědlem, která nepoužívá membrány ani změnu fáze odpařováním: je účinná, škálovatelná a trvale udržitelná. V novém článku, publikovaném online 23. června v Environmental Science & Technology, vědecký tým uvádí, že jejich metoda jim umožnila dosáhnout energeticky účinného vypouštění zbytků s nulovou tekutinou (zero-liquid discharge , ZLD) ze zpracování ultraslaných solných roztoků. „Vypouštění neslané kapaliny je poslední metou odsolování,“ říká Ngai Yin Yip, odborný asistent environmentálního inženýrství, který studii vedl. „Současnou praxí je buď reverzní osmóza, nebo odpařování a kondenzace vody, což ale je velmi energeticky náročné a neúměrně nákladné. Dokázali jsme dosáhnout nulových kapalných výpustí bez varu vody - to je hlavní pokrok v odsolování ultraslané vody. Naše technika TSSE se může stát přelomovou technologií pro globální vodní průmysl.“

Šťastný experimentální pátek

Yipův TSSE proces začíná smícháním rozpouštědla s nízkou polaritou se solankou s vysokou slaností. Při nízkých teplotách (tým používal 5 °C), rozpouštědlo extrahuje ze solanky vodu, ale nikoliv soli, které jsou přítomny v solance jako ionty. Řízením poměru rozpouštědla k solance se může extrahovat veškerá voda. Tím se vyvolá vysrážení solí - sole tvoří pevné krystaly a klesají na dno, odkud je lze snadno prosít. Poté, co se oddělí vysrážené soli, zahřeje se vodou nasycené rozpouštědlo na mírnou teplotu kolem 70 °C. Při této vyšší teplotě se rozpustnost snižuje a voda se dá vytlačit z rozpouštědla jako z houby. Oddělená voda obsahuje mnohem méně soli než původní solanka a vytvoří vrstvu pod rozpouštědlem. Lze ji snadno odčerpat a regenerované rozpouštědlo se pak může znovu použít pro další cyklus TSSE. „Neočekávali jsme, že TSSE bude fungovat tak dobře,“ říká Yip. „Ve skutečnosti, když jsme o tom diskutovali, mysleli jsme si naopak, že proces se pravděpodobně dostane do určitého okamžiku, kdy už nebude moci dál pokračovat pro přílišný obsah soli. Takže když jsem přesvědčil vedoucího výzkumníka Chanhee Boo, aby to v pátek odpoledne zkusil, a vyšly tak dobré výsledky, bylo to skvělé překvapení!“

Klíčové je rozpouštědlo

Ve studii zpracování vysoce slaných solí simulovaných roztoky NaCl byly použity tři druhy aminových rozpouštědel: diisopropylamin (DIPA), N-ethylcyklohexylamin (ECHA) a N, N-dimethylcyklohexylamin (DMCHA). Mezi rozpouštědly vykazovala DIPA nejvyšší účinnost extrakce vody, zatímco ECHA a DMCHA zanechávaly vodu s nejnižším obsahem soli, respektive zbytky rozpouštědla. Nakonec byla prokázána vysoká regenerace vody (> 50 %) pro odsolování pomocí DIPA v experimentech s více extrakčními cykly.

Významná úspora energie

Ze simulovaného (laboratorně připraveného) solného roztoku s celkovým množstvím rozpuštěných pevných látek 292 500 ppm Yipova skupina vysrážela více než 90 % soli. Kromě toho vědci odhadli, že tento proces spotřeboval pouze asi čtvrtinu energie potřebné pro odpařování vody při konvenčních metodách odsolování - tj. 75% úspora energie. Rozpouštědlo bylo možné znovu použít několik dalších cyklů bez výrazné ztráty výtěžnosti. Poté, aby demonstroval praktickou použitelnost technologie, tým odebral vzorek koncentrované zasolené zavlažovací drenážní vody v Kalifornském centrálním údolí, kde se jinak drenážní voda ze zavlažování ošetřuje jen obtížně a nákladně. Podařilo se dosáhnout ZLD - odpadu s nulovou tekutinou.

Využití odpadního tepla pro zpracování odpadní vody

Běžné způsoby odsolování destilací vyžadují vysoce kvalitní páru, navíc potřebují elektřinu pro napájení vakuových čerpadel. Protože TSSE vyžaduje pouze mírné teploty na vstupu, může potřebná nízká tepelná energie pocházet např. z průmyslového odpadního tepla, geotermální studny či solárních kolektorů. Se správnými podmínkami pro rozpouštědlo a správnou teplotou může TSSE nabídnout nákladově efektivní a ekologicky udržitelnou metodu odsolování odpadních vod ve vnitrozemí, nebo brakických podzemních vod. Lze takto zpracovávat i jiné slané vody včetně odpadních vod z těžby ropy a plynu, odpadních toků z elektráren, výpustí z chemických zařízení a výluhů ze skládek. Skupina Yipův tým dále zkoumá základní pracovní mechanismy TSSE, navrhuje další vylepšení a optimalizaci celého procesu.

Zdroj: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.estlett.9b00182