Energie & Umwelt

Wird die Umwandlung von Meerwasser in Trinkwasser zu Wasserknappheit führen?

Wird die Umwandlung von Meerwasser in Trinkwasser zu Wasserknappheit führen?

Ob Sie es glauben oder nicht, aber es gibt in vielen Teilen der Welt ein wachsendes Problem damit, sauberes, trinkbares Süßwasser zu erhalten. Durch eine Kombination aus menschlichen Aktivitäten und Klimawandel sagen viele voraus, dass bald eine ernsthafte globale Wasserkrise auf uns zukommen wird.

Aus diesem Grund suchen Forscher nach Lösungen, um Süßwasser künstlich zu erzeugen. Könnte Salzwasser wie Meerwasser die Lösung sein, nach der wir gesucht haben?

Was ist die Süßwasserkrise?

Unser "Blauer Planet" trägt den passenden Namen. Mit ungefähr 70% Von seiner mit Wasser bedeckten Oberfläche scheint es unerklärlich, dass Wasser in vielen Teilen der Welt, die nicht einmal Wüstengebiete sind, als knappe Ressource angesehen werden kann.

Das Problem ist, dass das meiste Wasser Meerwasser ist, das nicht gerade trinkbar ist, da es buchstäblich mit Salz gesättigt ist. Vom Erdwasser nur herum 3% davon ist frisch und sicher zu trinken.

Aber nur herum 1% des verfügbaren Süßwassers ist für den menschlichen Gebrauch tatsächlich leicht zugänglich. Die überwiegende Mehrheit des Restes ist in Gletschern, Eiskappen, Permafrost eingeschlossen oder tief im Boden vergraben.

Dies bedeutet, dass nur um 0.007% Das Wasser auf der Erde steht unserer ständig wachsenden Weltbevölkerung zur Verfügung. Ein weiteres Problem ist, dass dieses leicht zugängliche Süßwasser nicht gleichmäßig auf der ganzen Welt verteilt ist.

VERBINDUNG: DIE SÜSSWASSERKRISEN- UND Entsalzungsanlagen

Da Trinkwasser für das Leben auf der Erde unerlässlich ist, ist dies nicht ideal für Orte, die in "Wasserknappheit" existieren. Wir verwenden Wasser aber auch zur Herstellung von Lebensmitteln, Kleidung, zum Bau von Computern und Autos sowie zur Hygiene, um nur einige Dinge zu nennen.

Es ist wichtig für alle Aspekte des menschlichen Lebens.

National Geographic erklärt, warum "aufgrund von Geografie, Klima, Ingenieurwesen, Regulierung und Wettbewerb um Ressourcen einige Regionen relativ bündig mit frischem Wasser zu sein scheinen, während andere von Dürre und schwächender Umweltverschmutzung betroffen sind. In weiten Teilen der Entwicklungsländer ist sauberes Wasser beides schwer zu bekommen oder eine Ware, die mühsame Arbeit oder bedeutende Währung erfordert, um zu erhalten. "

Ein weiteres Problem ist, dass die Menge an Süßwasser auf dem Planeten seit Milliarden von Jahren relativ konstant ist.

Tatsächlich ist es möglich, dass Sie irgendwann in Ihrem Leben Wassermoleküle aufgenommen haben, die auch von den Dinosauriern Julius Caesar oder einer anderen historischen Figur getrunken wurden. Ein bemerkenswerter Gedanke.

Steigende globale Temperaturen in den letzten Jahrzehnten scheinen auch die Wahrscheinlichkeit extremer Wetterereignisse zu erhöhen, einschließlich Dürren in anfälligen Gebieten der Welt. Für die betroffenen Gebiete ist Wasserknappheit ein sehr ernstes Problem.

Da die Bevölkerung jedes Jahr wächst und die bereits schwindende Wasserversorgung für Dinge wie Landwirtschaft oder Einweg-Konsumgüter überbeansprucht wird, sind einige Teile der Welt mit einer sehr realen "Süßwasserkrise" konfrontiert.

Aber die Menschheit ist nichts als genial. Können wir unsere Technologie einsetzen, um die Auswirkungen dieser Krise zu begrenzen? Vielleicht sogar Süßwasser "erschaffen"?

Lass es uns herausfinden.

Ist es sicher, Salzwasser aus dem Meer zu trinken?

Die kurze Antwort lautet natürlich nein. Das Trinken von Salzwasser wie Meerwasser kann für Menschen (und viele andere Organismen) tödlich sein.

Meerwasser enthält, wie Sie sicher mehr als wissen, viele Salze. Wenn Sie es trinken, nehmen Sie sowohl Wasser (was gut ist) als auch diese Salze auf.

Während Sie eine kleine Menge Salz sehr gerne konsumieren können, ist der Gehalt an Meerwasser erheblich höher, als Ihr Körper effektiv verarbeiten kann.

Die Zellen Ihres Körpers hängen von Natriumchlorid (Speisesalz) ab, hauptsächlich vom Natriumgehalt, um das chemische Gleichgewicht und die Reaktionen des Körpers aufrechtzuerhalten. Aber zu viel davon kann tödlich sein.

Dies liegt daran, dass Ihre Nieren, insbesondere die Nephrone, nur Urin produzieren können, der weniger salzig als Meerwasser ist. Dies bedeutet, dass wenn Sie ausschließlich Meerwasser trinken würden, mehr Wasser benötigt würde, um das Salz zu verdünnen und herauszupinkeln, als das Wasser, das Sie durch das Trinken erhalten haben.

Mit anderen Worten, Sie hätten einen Nettowasserverlust. Aus diesem Grund würden Sie irgendwann an Dehydration sterben (und mit der Zeit immer durstiger werden), wenn Ihre einzige Wasserquelle Meerwasser wäre.

Aus diesem Grund sollten Sie niemals nennenswerte Mengen Meerwasser trinken.

Welche Methoden gibt es, um Wasser zu entsalzen?

Mit einem so geringen Prozentsatz des gesamten verfügbaren Wassers der Erde als Süßwasser fragen Sie sich vielleicht, ob es eine Möglichkeit gibt, das enorme Reservoir anderer Wasserquellen auf der Erde wie das Meer zu erschließen. Wie sich herausstellt, können wir dies, wenn auch mit großem Aufwand.

Derzeit gibt es mindestens drei Hauptmethoden zur Entsalzung:

  • Thermische Entsalzung (Destillation).
  • Elektrische Entsalzung.
  • Druckentsalzung (Umkehrosmose).

Thermische Entsalzung, aka Destillation, ist bei weitem die älteste der drei und wird tatsächlich seit Tausenden von Jahren verwendet. Salzwasser wird gekocht, dann wird der Dampf abgekühlt und als frisches Wasser kondensiert, wobei die Salzkristalle im erhitzten Gefäß zurückbleiben.

Diese Methode erfordert jedoch eine erhebliche Investition in Energie, um zu erreichen. Laut der Stanford University verwenden modernere Methoden "verschiedene Techniken wie Niederdruckbehälter, um die Siedetemperatur des Wassers und damit die zum Entsalzen erforderliche Energiemenge zu senken".

Diese Form der Entsalzung wird häufig in Ländern wie dem Nahen Osten eingesetzt, wo die reichlich vorhandenen Kohlenwasserstoffressourcen dazu beitragen, die Kraftstoffkosten zu senken. Die thermische Entsalzung besteht in der Regel aus drei großen thermischen Großprozessen.

Diese sind:

  • Mehrstufige Flash-Destillation (MSF).
  • Multi-Effekt-Destillation (MED).
  • Dampfkompressionsdestillation (VCD).

Es gibt auch eine andere thermische Methode; Solardestillation, Dies wird typischerweise für sehr kleine Produktionsraten verwendet. Es wird auch häufig zur Herstellung von Salz zum Essen verwendet, indem Meerwasser in flache Becken gegeben wird und darauf gewartet wird, dass das Süßwasser auf natürliche Weise verdunstet - wobei Meersalz zurückbleibt.

Eine andere Möglichkeit, Salz aus dem Meerwasser zu entfernen, besteht darin, die Salze mit einer Membran abzutrennen. Dies kann entweder mit elektrischem Strom oder Druck erreicht werden.

Wiederum werden diese Methoden hauptsächlich an Orten mit reichlich vorhandenen Energiequellen wie den Vereinigten Staaten angewendet.

Elektrische EntsalzungEin Beispiel für die Entsalzung auf Membranbasis nutzt elektrischen Strom, um die Salz- und Wassermoleküle zu trennen. Bei diesem Verfahren treibt ein elektrischer Strom Ionen über eine selektiv durchlässige Membran, die das Salz mit sich führt.

Eine selektiv durchlässige Membran ist eine Membran, die es bestimmten Molekülen ermöglicht, unter Ausschluss anderer durch sie hindurchzugehen. Synthetische oder polymere Membranen wurden für verschiedene Forschungs- und industrielle Prozesse entwickelt.

Es gibt zwei Hauptmethoden zur Entsalzung elektrischer Membranen:

  • Elektrodialyse (ED).
  • Umkehrung der Elektrodialyse (EDR).

Beide Entsalzungsmethoden erfordern je nach Salzgehalt der Wasserquelle unterschiedliche Energiemengen. Obwohl es für niedrigere Salzkonzentrationen geeignet ist, ist es für die Verwendung auf Meerwasser viel zu energieintensiv.

Umkehrosmose ist eine andere Form der Entsalzung, bei der mit Druck Wasser durch eine selektiv durchlässige Membran getrieben wird. Dieser Prozess trennt wie die anderen das Salz aus der Lösung.

Angeblich ähnlich wie bei der elektrisch angetriebenen Entsalzung hängt die für die Umkehrosmose in großem Maßstab erforderliche Energiemenge vom anfänglichen Salzgehalt des Wassers ab. Für Meerwasser bedeutet der Energiebedarf, dass es in den meisten Situationen nicht wirtschaftlich ist.

Als häufigste Form der Entsalzung kann es sich lohnen, diesen Prozess genauer zu untersuchen.

Was ist Umkehrosmose und funktioniert Umkehrosmose?

Wie bereits erwähnt, ist die Umkehrosmose ein Entsalzungsprozess, bei dem durch Druck Wassermoleküle buchstäblich durch eine Membran gedrückt werden. Im Gegensatz zur regulären Filtration (bei der bestimmte Verunreinigungen aufgrund ihrer Größe ausgeschlossen sind) beinhaltet die Umkehrosmose eine Lösungsmitteldiffusion über eine Membran, durch die nur Wasser hindurchtreten kann.

Regelmäßige Osmose beinhaltet die natürliche Bewegung eines Lösungsmittels von einem Bereich niedriger Konzentration gelöster Stoffe (hohes Wasserpotential) zu hoher Konzentration gelöster Stoffe (niedriges Wasserpotential), bis ein Gleichgewicht erreicht ist. Bei der Umkehrosmose wird, wie der Name schon sagt, Wasser aus einer hohen Konzentration an gelöstem Wasser (wie Meerwasser) durch Druck extrahiert, um den natürlichen Fluss des Lösungsmittels während der Osmose umzukehren.

Neben dem Druck ist die Verwendung einer selektiv durchlässigen Membran eine der Hauptkomponenten des Umkehrosmoseprozesses.

Diese Membran lässt bestimmte Partikel durch, hauptsächlich Wasser, und hinterlässt gelöste Stoffe (wie Salz) und andere Verunreinigungen. Bei der Umkehrosmose wird zu diesem Zweck eine Dünnschicht-Verbundmembran (TFC oder TFM) eingesetzt.

Diese Membranen werden hauptsächlich für Wasserreinigungs- und Entsalzungssysteme hergestellt. Sie haben auch bestimmte Eigenschaften, die sie für die Verwendung in bestimmten Batterien und Brennstoffzellen nützlich machen.

Diese Membranen bestehen im Allgemeinen aus zwei oder mehr Materialschichten. Die semipermeablen anisotropen Membranen wurden von Professor Sidney Loeb und Srinivasa Sourirajan entwickelt und bestehen normalerweise aus Polyamiden.

Dieses Material hat einige sehr nützliche Eigenschaften, einschließlich seiner Affinität zu Wasser und seiner relativen Undurchlässigkeit gegenüber bestimmten gelösten Verunreinigungen wie Salzionen und anderen kleinen Molekülen.

In typischen Umkehrosmoseanlagen fließt Speisewasser unter hohem Druck durch ein konzentrisches Spiralmuster von Membranen, die abwechselnd Wasser und Verunreinigungen trennen, bevor das Wasser in einem Produktwasserrohr in der Mitte gesammelt wird. Für maximale Effizienz sind mehrere Membraneinheiten in Reihe geschaltet.

Könnte die Umwandlung von Meerwasser in Trinkwasser bei Wasserknappheit helfen?

Kurz gesagt, ja. Aber es ist mit erheblichen Kosten verbunden.

Mit der abnehmenden Verfügbarkeit von hochwertigem Süßwasser wenden sich immer mehr Gemeinden der Entsalzung zu, um Trinkwasser aus Brackwasser und Salzwasser zu produzieren. Bestehende Lösungen sollen das Wasser extrahieren und möglichst viel Salz zurücklassen.

Aktuelle Technologien haben je nach standortspezifischen Einschränkungen und Anforderungen sowohl Vor- als auch Nachteile. Während einige Methoden vielversprechend sind, ist eine stärkere technologische Entwicklung erforderlich, um die Produktion von Süßwasser in großem Maßstab rentabel zu machen.

Die Texas A & M University erklärt, dass "die Entsalzung von Brackwasser in kleinem Maßstab mit Solarstills eine vielversprechende Methode an abgelegenen Orten ist, an denen kein qualitativ hochwertiges Trink- und Kochwasser verfügbar ist. Für eine umfassendere Implementierung erfordern Entsalzungsprozesse technologische Verbesserungen und mehr Energie Effizienz. "

Das Hauptproblem sind die Kosten der Prozesse - insbesondere der Energiebedarf, der zur Erzeugung von Frischwasser in großen Mengen erforderlich ist. Aus diesem Grund werden bestehende Lösungen hauptsächlich in Regionen eingesetzt, in denen es keine anderen Mittel zum Import von Süßwasser gibt, auf zivilen und militärischen Schiffen sowie in bestimmten Raumfahrzeugen.

Es gibt jedoch einige interessante Entwicklungen bei der Reduzierung der Prozesskosten. So haben Forscher der University of Texas, Austin, vor einigen Jahren eine innovative Alternative zu herkömmlichen Methoden entwickelt.

Eine weitere vielversprechende Lösung heißt kapazitive Deionisierung und Batterieelektroden-Deionisierung. Diese Lösungen sind jedoch derzeit bei weitem nicht kommerziell realisierbar.

Aber es sind nicht nur finanzielle Kosten. Bestehende Entsalzungsanlagen sind ebenfalls umweltschädlich.

Die meisten tippen direkt auf Meerwasser als Quellwasser, das Fische und andere kleine Meerestiere töten oder schädigen kann, wenn sich der Wasserstand um die Pflanze ändert. Das Verfahren neigt auch dazu, stark salzhaltigen Abfall zu produzieren, der entsorgt werden muss.

Aus diesem Grund verwenden die meisten Entsalzungsanlagen eher Brackwasser als Meerwasser. Der Bau großer Entsalzungsanlagen ist ebenfalls teuer und kostet normalerweise irgendwo in der Region hunderte Millionen ein Stück.

Trotzdem investieren viele Unternehmen stark in die Technologie. Einige Orte wie Israel produzieren bereits genug Wasser, um das halbe Land zu versorgen.

Für wasserarme Regionen bieten diese Pflanzenarten jedoch eine Art Versicherungspolice für die Wassersicherheit. Kalifornien zum Beispiel baut bereits eine Reihe von Anlagen.

Viele Experten glauben, dass die einzige Möglichkeit, eine umfassende Entsalzung praktikabel zu machen, darin besteht, erneuerbare Energiequellen einzubeziehen, um sie mit Strom zu versorgen. Nur durch die Senkung der relativen Betriebskosten werden sie wirtschaftlich rentabel.

Mit steigenden globalen Temperaturen und der zunehmenden Wahrscheinlichkeit von Dürren in vielen Teilen der Welt wird die Entsalzung wahrscheinlich häufiger auftreten. Wenn wir die Energie- und Umweltkosten des Prozesses überwinden können, kann die Entsalzung möglicherweise ein wichtiger Bestandteil der Lösung zur Lösung der Wasserknappheit werden.


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