消解的未來:机遇和挑戰

淡水稀缺已成为21世紀最紧迫的全球性挑戰之一。氣候變遷、人口增长和工業需求正在緊缺河流、湖泊和蓄水層等传统水源。淡化-從海水或咸水中移除溶解的盐類和礦物-提供几乎是无限的淡水。在过去的几十年中,海水淡化能力迅速擴大,全球共有2万多家工厂,每天生产1亿立方米以上的水。然而,科技仍然耗能、耗资且在環境上有爭議。淡化的未來要靠克服這些障礙,同时利用新出现的机遇,使它成為全球水管理中可持续、可伸展的部分。

淡化科技的机遇

科技革新正在把海水淡化從最後的解决方案轉而變成更高效、更清洁、更多用途的供水方案。膜科學、能源集成和流程設計的进步正在降低成本,降低環境足跡,在以前無法承受或承受海水淡化的地區開通了更廣泛的通路。

膜科技的进步

反渗透(RO)仍然是海水淡化的最主要的科技, 但由于下一代膜, 其能量需求正在下降。已引入了透水性更高、防污性更強的薄膜- 薄膜, 研究者們正在研發石墨素膜, 可以在高速下滤過鹽, 并需要更少的壓力。 2023年, Massachusetts科技研究所的科學家們[ 證明了一种石墨素氧化膜, 其水渗透性比常规的薄膜高幾倍, 实现了近乎完美地的盐絕食。這些發展將长期將能源消耗降低30%至50% 。

透水法(FO)是另一項新兴技術,它使用抽水溶液把水拉過半透水膜,需要比RO少的液壓。 FO在歷史上受到抽水溶液再生需要的限制,但最近的混合式FO-RO系統在商業上也向诸如水分集中和工業废水處理等利基用途投放希望。使用溫度梯度而不是壓力的Membrane蒸馏也正在探索在离网群體中小型的、太陽化海水淡化。

可再生能源一体化

海水淡化的能源需求高, 历史上它和化石燃料联系在一起, 占全球水处理能源的3%- 5%。整合可再生能源可以打破這一點。太阳能光伏和風能現在正在和RO 工厂搭配, 特别是在日照充足與缺水相配合的中东和北非。在沙烏地阿拉伯, ACWA Power [ Al Khafji 太阳能海水淡化厂使用100%的可再生能源, 每日生产6萬立方米。类似地, 海浪和潮汐能也在對沿海植物進行測試,提供與海水淡化接續運作相匹配的可预测的電源。

混合式的太陽熱和膜蒸馏或風和RO相结合的系統正在變得日益普遍。這些配置可以降低對電网電力的依赖性, 降低溫室氣體的排放量。随着電池的蓄电池成本下降, 現今可以將能量储存在夜间或低風期, 以間歇性可再生電力上, 管理海水淡化廠。結果是水的供應既不碳又隔離化石燃料价格的波动。

能源回收和效率

根據現代海水RO廠的氣壓使用量已減少至每立方公尺3千瓦。氣壓交流器, 如能源回收公司所研制的氣壓交流器, 捕捉出水槽的氣壓, 轉往進水中,

正在优化新兴的低能工序, 如電力解离和電透析逆轉等, 以對待咸水淡化, 咸含量低于海水。這些科技可以大大降低能量( 低於 0. 5 kWh/ m3) , 也對內陸咸水蓄水區是理想的。經營商將海水淡化工序與水源水质相匹配, 就能最大限度地提高效率, 降低成本。

小比例和便携的解决方案

分散式海水淡化正在偏远和受灾地区開通清洁用水。使用太陽電或手動水泵的便携單位現在可以從一些組織中找到, 例如 GivePower, 它們在非洲和亚洲的农村部署太陽電力容器化的RO系統。這些單位每天可以生产達75,000升, 足以供應一個小村莊。与此同时, 研究了幾所大學中手提箱大小的电池驱动、膜基裝置。這些创新可以改變緊急應應應和離網的群水安全。

水金利用和零液体排出

最有希望的一個機會是把海水淡化的副產物-水桶-當做資源而不是廢物。水桶富含镁、钾、锂和稀土元素。公司正在开发提取這些礦物的流程,把水桶的处理转化为收入流。回收所有水和固体的零液态排出系統正在大植物中,特别是与可再生能源结合時,商业上变得可行。世界银行强调水桶开采是减少环境影响、同时创造经济价值的一种方法。如果這些技术成熟,海水淡化可以演化成封闭的循环过程。

面临消沉的挑戰

海水淡化仍面临巨大的阻礙,

环境影响

最大的環境挑戰是洗浴。每生产一個立方公尺的淡水,大约1.5立方米的洗浴被排入海洋。這股洗浴通常比海水咸度高一倍,可能含有從预处理和清洗中产生的残留化學物。洗浴羽可以沉淀在海底,扼殺底栖生物,改變局部的盐度梯度。一份2019年的研究在期刊上《全環科學》[中,估計全球洗浴的产量比淡水产量高50%左右,每天超过1.5亿立方米。在封闭或浅海的海岸區,其影响可能很嚴重。

海洋的開放吸收也影響到海洋生物,如培养浮游生物、魚幼體和成年生物。屏幕和速度上限可以减少但不能消除這些損失。地下吸收(如海灘水井)可以减轻排水量,但依地而定。消盐廠必須投資先进的吸收設計、排水系统以及環境監控,以遵守日益嚴格的监管。該行业正在用可變速泵和排水模式等技术來应对,以优化排水量,最大限度地减少生态危害。

高能耗和碳足跡

即便能回收,海水RO也需要每立方公尺3-5千瓦, 使它成為最耗能的水处理方案。海水淡化廠在化石燃料電源下發出大量的二氧化碳。一年產量50萬立方米/天的大型工厂可能發出1200万吨二氧化碳。可再生能源整合可以缓解這一點, 但大部分现有工厂仍保持电网连接, 并依赖天然气或煤。海水淡化的碳足跡必須降低, 才能符合全球气候目标。这不仅需要可再生能源,而且需要低碳材料和建築措施方面的投资。

經濟障礙

和传统的淡水水源相比,海水消化水仍然很貴。大型海水RO工厂的基建成本通常在每1000立方米容量的50萬至150万美元之间,而操作成本(包括能源、化學、勞工和膜取代)每立方公尺的增價是0.50美元至1.0美元。在很多发展中国家,這些成本是令人望而生畏的。資助海水淡化工程通常需要政府补贴、私人投資或公私营合夥。汇率波动、政局不穩定和缺乏專業性能进一步阻礙了收納。

海水價格自2000年起已減低60%以上, 至於大型廠房, 價值已降至0. 5美元-0. 80美元/立方米。繼續創新材料、自動和能效可能降低成本, 但缩小貧困區域的負擔能力差距仍是個主要挑戰。

管制和公覺

實際上,海水淡化厂的開放需要多年,主要是因為環境影響性评估、公開聽證會和坐場爭議。社區反對者通常會以海洋損害、噪音和視覺缺陷的恐懼為中心。在加州,多家拟议海水淡化厂面临法律挑戰,被延遲或取消。透明交流、強力的環境缓解計劃以及利益攸关方的參與,是取得社會許可權的关键。需要建立明晰的监管框架,平衡水需求与环境保护的關係,以精简审批,同时确保问责制。

基础设施与一体化

海水淡化厂需要大量的基础设施:水管、泵站、蓄水池和供水网的接通。在许多水源充沛的地区,现有的水网是老的或小的,需要成本高昂的更新。海水淡化与其他水源(循环用水、暴雨水捕获)的整合需要先進的规划和運輸系統的投资。如果不小心的整合,海水淡化可能只解决一個問題,比如增加分配成本或降低混合水的质量。

前进之路:革新和政策

實現海水淡化的未來,需要繼續研究、明智的政策以及水管理一体化策略。下個十年可能會有突破,既能应对主要挑戰,又能提升最佳做法。

研究方向

水解素基膜的利用是工业过程中的廢熱, 以及实时流程优化的人工智能。實際型膜顯示, 盐排速率超過99.5%, 能量消耗低于2千瓦/立方米。与此同时, 自然水期刊的研究人员也報導了使用工业流程中浪費熱量的太陽熱膜。這些創意,再加上人工智能, 使海水淡化更有效率、更適應性。

另一個有希望的方面是電化海水淡化,它用電去除离子而沒有高壓。電解离子化(CDI)和电池式海水淡化正在為咸水開發,并最终可以擴大到海水。這些系統在環境壓力下運作,降低機械複雜度,并設計相關的精密設計。如果能源效率繼續提高,電化方法可以补充甚至取代RO,以用于某些用途。