물에 대한 스트레스가 심해지는 세계에서는 담수화에 대한 새로운 시각이 필요합니다. 그것은 충분히 간단하게 보입니다 : 물을 마셔서 물을 마셔서 마실 수있게하십시오.

그러나 언뜻보기에 나타나는 것보다 훨씬 더 복잡합니다. 민물 자원이 인구 증가, 개발, 가뭄, 기후 변화 등에 의해 점차적으로 부담을받는 세계에서도 점점 더 중요 해지고 있습니다. 그래서 미국의 연구자들과 기업들이 세계의 갈증을 진정시킬 수있는 수세기의 개념을 세밀하게 조정하고 있습니다.

"물 공급을 늘릴 때는 재사용 량을 늘리거나 저장 공간을 늘리거나 보존하거나 새로운 출처로 전환 할 수있는 네 가지 옵션이 있습니다"라고 담석 컨설턴트이자 주간지 간행물 편집자 인 Tom Pankratz는 말합니다. 담수화 보고서. "그리고 전세계의 많은 곳에서 유일한 새로운 공급원은 담수화입니다."

값 비싼 프로세스

담수화 기술은 수세기 전부터 존재 해 왔습니다. 중동에서는 사람들이 오래 전부터 기수 해수 나 해수를 증발시킨 후 수증기를 농축하여 마시기 위해 소금물이없는 물을 생산하거나 농업용 관개 용으로 사용하기도합니다.

시간이 지남에 따라 프로세스가 더욱 정교 해졌습니다. 현대식 담수 설비는 역삼 투 방식을 사용합니다. 역삼 투 방식은 소금과 기타 미네랄을 제거하는 반투막을 통해 물을 고압 펌프로 펌핑합니다.

전 세계적으로 300 만 명은 17,000 국가의 150 담수 플랜트에서 담수를 얻습니다. 중동 국가들은 필요성과 에너지 가용성에서 시장을 독점했으나 전 세계에 퍼져 나가는 담수 부족에 대한 위협으로 다른 국가들은 급속도로 가입하고 있습니다. 랜디 트루 비 (Randy Truby)의 전무 이사 겸 전무 이사에 따르면 업계의 생산 능력은 연간 8 퍼센트 증가하고 있다고한다. 국제 담수 협회, 호주 및 싱가포르와 같은 장소에서 활동의 파열과 산업 그룹.

미국에서는 San Diego 지역의 식수 수요의 1 퍼센트를 제공하기 위해 캘리포니아 주 칼스 배드에 $ 7 억 규모의 공장이 건설 중입니다. 늦은 2015에서 온라인 상태가되면 북미 최대 규모가 될 것이며 하루 용량은 50-million-gallon입니다. 그리고 캘리포니아는 현재 16 담수 플랜트에 관한 제안을하고 있습니다.

지구상의 대부분의 물은 바다와 다른 바닷물에서 발견됩니다.

그러나 담수화는 비싸다. 담수화 플랜트의 담수 1 천 갤런은 일반 미국 민간 소비자 2.50에서 5에 이르는 것으로 Pankratz는 말하며 전통적인 민물의 경우 2과 비교합니다.

그것은 또한 에너지 돼지입니다 : 전세계의 담수화 플랜트가 소비합니다 매일 200 백만 킬로와트 - 시간 이상, 에너지 비용은 공장의 전체 운영 및 유지 보수 비용의 55 퍼센트입니다. 바닷물에서 1m3의 담수를 생산하기 위해 3에 대한 대부분의 역 삼투 설비를 10 킬로와트 - 시간의 에너지로 사용합니다. 전통적인 음용수 처리 설비는 일반적으로 입방 미터당 1 kWh 이하에서 잘 사용됩니다.

해양 생물을 옮겨서 주변의 소금 농도를 불리하게 바꾸는 등 환경 문제를 일으킬 수 있습니다.

우선 담수 부족에 기여하는 기후 변화에 기여함으로써 악순환을 지속시키는 화석 연료 유래 에너지에 대한 의존도를 줄이는 등 공정을 저렴하고 친환경적으로 만드는 해수 담수화 개선 방안에 대한 연구가 진행 중입니다.

멤브레인 업그레이드

대부분의 전문가들은 역 삼투압이 얻을 수있는만큼 효율적이라고 말합니다. 그러나 일부 연구자들은 소금과 물을 분리하는 데 사용되는 멤브레인을 개선하여 더 많은 것을 쥐어 짜려고하고 있습니다.

현재 담수화에 사용되는 멤브레인은 주로 얇은 폴리 아미드 필름이 중공 관으로 굴러 들어가서 물이 w굴니다. 에너지를 절약하는 한 가지 방법은 멤브레인의 직경을 증가시키는 것입니다. 멤브레인의 직경은 담수의 양과 직접 관련이 있습니다. 회사는 8-inch에서 16-inch 직경 멤브레인으로 점차 이동하고 있으며, 활성 멤브레인의 4 배가됩니다.

"장비의 공간을 줄이면서 더 많은 물을 생산할 수 있습니다."라고 Harold Fravel Jr. 미국 멤브레인 기술 협회, 정수 시스템의 사용을 향상시키는 조직.

100,000에 대한 물질은 인간의 머리카락 지름보다 작은 나노 물질에 집중되어 있습니다. 매사추세츠 공과 대학 (MIT) 연구원은 2012에서 그라 핀이라고 불리는 탄소 원자 1 원자 두께 시트로 만들어진 멤브레인은 폴리 카보네이트보다 수분을 펌핑하는 데 더 적은 압력을 필요로한다는 것을보고했다. 압력이 낮 으면 시스템을 작동하는 데 필요한 에너지가 적기 때문에 에너지 요금이 절약됩니다.

그래 핀은 내구성이 뛰어나고 얇을뿐 아니라 폴리 아미드와 달리 염소와 같은 수처리 화합물에는 민감하지 않습니다. 2013에서 록히드 마틴은 소금과 다른 미네랄을 잡을 수있을만큼 작은 구멍을 가진 하나의 원자 두께이지만 물이 통과 할 수있게 해주는 페로 포네 막을 특허했습니다.

또 다른 인기있는 나노 소재 솔루션은 탄소 나노 튜브 (carbon nanotubes)라고 Aston University의 수처리 시스템을 전문으로 연구하는 필립 데이비스 (Philip Davies)는 말한다. 탄소 나노 튜브는 그래 핀과 같은 이유로 매력적이며, 견고하고 내구성있는 물질이 작은 패키지로 포장되어 있으며, 400 퍼센트 이상의 소금을 흡수 할 수 있습니다.

멤브레인을 교체해야하므로 탄소 나노 튜브의 내구성과 높은 흡수율로 인해 교체 빈도가 줄어들어 시간과 비용이 절약됩니다.

멤브레인 기술은 모두 섹시하게 들리지만 쉽지는 않습니다. "무결성을 유지하기 위해 너무 얇은 제품을 만들 때 엔지니어링 문제가 있습니다."

Graphene과 탄소 나노 튜브는 널리 사용되는 데 수십 년이 걸렸습니다. 애리조나 대학교의 화학 및 환경 공학 교수 인 Wendell Ela는 말합니다. "나는 그 (것)들이 충격을 가하는 것을보고, 그러나 나가는 방법이다."

Truby는 상업화의 장벽은 이러한 소형 소재의 엔지니어링과 현재의 공장 및 인프라와 호환되는 새로운 멤브레인의 제조를 포함한다고 말했다.

"시스템을 찢어 버리지 않고 완전히 새로운 공장을 짓지 않고 시스템을 업그레이드하는 것이 중요합니다."라고 그는 말합니다.

전방 삼투

다른 사람들은 역삼 투 (reverse osmosis)를 넘어 전방 삼투 (forward osmosis)라고 알려진 다른 과정을 찾고 있습니다. 정 삼투압에서 해수는 소금과 가스를 함유 한 용액에 의해 시스템으로 유입되어 용액간에 높은 삼투압 차이가 발생합니다. 용액은 막을 통과하여 염을 남긴다.

Ela는 역 삼투압이 대규모로 잘 수행되기 때문에 전 삼투는 "아마도 전처리로서 가장 효과적 일 것이고 상업용 해수 공장에서는 독립형 처리가 아닙니다"라고 말했습니다. 전처리로서 정 삼투는 역삼 투 막의 수명을 연장시키고 필요한 소독제 및 기타 전처리 옵션을 줄임으로써 전반적인 시스템 상태를 향상시킬 수 있습니다.

이 과정은 열역학에 의해 추진되기 때문에 역 삼투압보다 적은 에너지를 사용해야한다고 Ela는 말합니다. 그러나 지난 여름 MIT의 과학자들은 담수화를위한 정 삼투압은 첫 단계에서 나온 용액의 높은 염 농도 때문에 역삼 투보다 에너지 집약적 일 수 있다고보고했다.

영국 회사 현대 물 아라비아 반도의 남동부 해안에있는 오만에서 최초의 상업용 삼투압 공장을 운영하고있다. 하루 26,000 갤런에서이 시스템은 대부분의 대규모 역삼 투 시스템보다 용량이 훨씬 적습니다. 회사 관계자는 공장에 대한 의견을 요청하지 않았습니다. 그러나 회사 보고서에 따르면 발전소는 역 삼투압에 비해 에너지가 42 감소한 것으로 나타났습니다.

Heather Cooley, 물 프로그램 디렉터 태평양 연구소, 캘리포니아에 기반을 둔 지속 가능성 연구 조직은 대부분의 삼투 기술은 아직 연구 개발 단계에 있고 상업적 사용은 10 년에 5 년이라는 것을 밝힙니다.

희석액

담수화의 에너지 비용을 줄이기위한 또 다른 접근법은 RO-PRO 또는 역 삼투압 지연 삼투입니다. RO-PRO는 폐수와 같은 손상된 담수 공급원을 멤브레인을 통해 대양으로 배출되는 역 삼투압으로부터 남은 고염수 용액으로 통과시킴으로써 작동합니다. 이 둘을 섞으면 역삼 투 펌프에 동력을 공급하는 데 필요한 압력과 에너지가 생성됩니다.

에 의해 사용 된 시스템에서 영감을 얻었습니다. 스탁 크래프트, 노르웨이 기반의 수력 및 재생 에너지 회사 인 University of Southern California 환경 공학 교수 인 Amy Childress와 동료들은 현재 캘리포니아 주에서 RO-PRO를 조종하고 있습니다. Childress는 RO-PRO가 역삼 투 30 퍼센트에 필요한 에너지를 줄일 수 있다는 "낙관적 인"견적을 발표했다. 그녀는 일부 불특정 기업들이 조종사에 관심을 보였다고 언급했다.

재생 에너지 및 재생 가능 에너지

Fravel은 많은 공장들이 그 과정에서 에너지를 다시 얻으려고하고 있다고 말한다. 예를 들어, 터보 차저는 농축 된 바닷물이 나오는 곳에서 운동 에너지를 가져 와서 들어오는 바닷물쪽에 재 적용합니다. "사료 측에 900 [제곱 인치당 파운드]가있을 수 있으며 농축 물이 700 psi에서 나올 수 있습니다. 집중 스트림에 많은 에너지가 있습니다. "라고 그는 말합니다.

재생 에너지를 에너지 투입면에 통합하는 것은 담수화의 지속 가능성을 향상시키는 데 특히 유망한 접근법입니다. 막에 가기 전에 물을 만들어 내면 에너지를 절약 할 수 있습니다. "물이 역삼투법으로 들어가기 전에 깨끗이 씻어 내면 더 좋을 것입니다."라고 Fravel은 말합니다. 바레인, 일본, 사우디 아라비아 및 중국의 공장에서는보다 부드러운 삼투 공정을 위해 전처리를 사용하고 있습니다.

사물의 에너지 입력 측면에 재생 에너지를 통합하는 것은 담수화의 지속 가능성을 향상시키는 데 특히 유망한 접근법입니다. 현재 담수화 된 물의 1 퍼센트는 주로 소규모 설비의 재생 가능 에너지 원에서 얻은 에너지에서 나온 것입니다. 그러나 더 큰 발전소는 에너지 포트폴리오에 재생 에너지를 추가하기 시작했습니다.

수년간의 가뭄으로 어려움을 겪은 호주는 2006에서 2012까지 6 개의 담수화 설비를 온라인으로 가져 와서 10 억을 투자했습니다. 발전소는 전력을 공급할 수있는 신 재생 에너지를 주로 사용하고 있는데, 대부분 인근의 풍력 발전소를 통해 전력을 송전망에 공급한다고 Pankratz는 말합니다. 호주에서 가장 인구가 많은 도시에 15 %의 물을 공급하는 Sydney Water 담수화 공장은 67 터빈 Capital Wind Farm에서 170 마일에 대한 남쪽에 대한 오프셋으로 가동됩니다.

태양 에너지는 많은 중질 담수화 국가에서 특히 매력적입니다. 특히 태양이 풍부한 중동 및 카리브 지역의 사람들은 매력적입니다. 더 야심 찬 계획 중 하나 인 아랍 에미리트 에너지 회사 인 Masdar는 2013에서 22에서 계획된 출시와 함께 2020 백만 갤런 이상을 생산할 수있는 세계 최대 태양열 담수화 플랜트에서 일하고 있다고 발표했습니다.

환경 영향

물론 해수를 사용하는 계획은 해양 생물에 대한 영향을 고려해야합니다. 많은 담수화 설비가 대양 섭취를 이용합니다. 이들은 종종 선별되지만, 담수화 공정은 섭취 중 또는 식물의 처리 단계에서 여전히 유기체를 죽일 수 있다고 Cooley는 말합니다. 자연적인 필터로 사용하기 위해 모래 밑으로 들어가는 새로운 지표 섭취는 이러한 우려를 완화하는 데 도움이 될 수 있습니다.

담수화 후에 많은 물을 제거하는 방법에 대한 문제가 있습니다. 시설에 들어가는 2 갤론 당 2 갤런의 물을 마실 수있는 물과 1 갤론의 물을 넣었습니다. 대부분의 공장에서이 물을 다시 물과 동일한 물로 배출합니다.

Ela는 오만의 정 삼투 설비와 같은 소형 설비가 담수화 기술의 미래가 될 수 있다고 말했습니다. RO-PRO 기술은 퇴적물의 소금 농도를 낮추는 방법을 제공하여 바닥에 사는 생물을 해할 수 있습니다. 인기를 얻는 또 다른 방법은 디퓨저 (diffusers)를 사용하는 것입니다. 디퓨저는 고농도 소금물을 방지하는 농축액 배출과 함께 해수의 혼합량을 증가시키는 일련의 노즐입니다.

Aston University의 데이비스 (Davies)는 해수 배출을 다루는 최근의 새로운 연구 중 하나에서 염화 마그네슘을 산화 마그네슘으로 전환시키기 위해 태양 에너지로 염분 배출을 가열했으며,이를 산화 마그네슘으로 전환시켜 "이산화탄소를 흡수하는 좋은 약"이라고 부릅니다. 연구는 여전히 배출을 줄이고 CO를 제거하는 이중 환경 이익을 가질 수있다.₂ 태양 에너지를 사용하여 바다에서 농축 물을 자릅니다.

크기 현명한

Ela는 오만에있는 삼투압 공장 (forward osmosis plant)과 같은 더 작은 공장이 담수화 기술의 미래가 될 수 있다고 말한다. 새로운 많은 혁신이 경제 규모를 더 작게 만들 수 있으며 기업은 인프라에 많은 투자를 할 필요가 없다고 그는 말합니다.

"대형 공장 대신에, 하루 담수화 설비 당 10,000 갤런까지 줄일 수 있습니다."라고 Ela는 말합니다. "나는 작은 지역 사회에 서비스를 제공하는 분산 및 작은 담수화 플랜트를보고 있습니다."

이것은 또한 재생 가능 에너지가 더 큰 역할을하도록 허용하는 것과 같은 환경 적 이익을 제공 할 것입니다. 태양력과 풍력이있는 작은 식물에 큰 식물보다 작은 식물을 가동하는 것이 훨씬 쉽기 때문입니다.

Pankratz 씨는 담수화는 담수 처리보다 항상 더 비쌀 것이라고 말했습니다. 그럼에도 불구하고 혁신은 점점 더 목이 마른 세계에서 담수에 대한 수요가 증가함에 따라 담수화가 점점 더 실행 가능한 선택이 될 수 있도록 도와 줄 것입니다.

이 문서는 원래의 등장 Ensia

저자에 관하여

Brian Bienkowski는 Environmental Health News와 자매 사이트 인 The Daily Climate의 편집자입니다. 그는 Michigan State University에서 환경 저널리즘 석사 학위와 마케팅 학사 학위를 받았습니다. 그는 미시간 주 랜싱에서 미니어처 닥스 훈트 루이와 함께 살고 있습니다.

관련 서적

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