Neue Wasseraufbereitungstechnologie könnte helfen, selbst sehr salziges Wasser zu recyceln

Forscher finden heraus, dass theoretisches Design die kostengünstigste Möglichkeit sein könnte, salziges Wasser in sauberes Trinkwasser umzuwandeln

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Forscher finden heraus, dass theoretisches Design die kostengünstigste Möglichkeit sein könnte, salziges Wasser in sauberes Trinkwasser umzuwandeln

Während der Klimawandel eine Megadürre im Südwesten der USA auslöst, verzeichnet das Land besorgniserregende Rekorde. Der Wasserstand des Lake Mead, der Millionen von Menschen mit Wasser versorgt, ist fast so niedrig wie nie zuvor. Und an manchen Orten besteht der schrumpfende Colorado River, der etwa 5 Millionen Hektar Ackerland bewässert und den Durst von über 40 Millionen Menschen löscht, nur aus Wüste und Staub.

Mittlerweile werden im Jahr 2018 etwa 80 % des Abwassers des Landes – einschließlich Wasser, das in der Landwirtschaft, in Kraftwerken und Minen verwendet wird – unbehandelt und unbrauchbar in die Welt zurückgeleitet – eine verpasste Chance. Und obwohl die heute gängigen Reinigungstechnologien, die einen Prozess namens Umkehrosmose verwenden, immer noch die kosteneffektivste und energieeffizienteste Methode zur Aufbereitung von Meerwasser und salzigem Grundwasser sind, kann die herkömmliche Umkehrosmose nicht mit supersalzigem Wasser umgehen – also mit dem doppelten Salzgehalt Salzgehalt des Ozeans. Da die Wasservorräte in den USA schrumpfen (und salziger werden), kann es sich das Land nicht mehr leisten, selbst die salzhaltigsten Quellen wieder in die Welt zu leiten.

In einer neuen, in Desalination veröffentlichten Studie analysierten Mitglieder des Forschungskonsortiums National Alliance for Water Innovation (NAWI) nun eine neue Form der Umkehrosmose, die sogenannte Umkehrosmose mit geringer Salzabstoßung. Diese neuartigen Systeme könnten sogar stark salzhaltiges Wasser behandeln. Aber das Design ist so neu, dass es noch theoretisch ist.

Um herauszufinden, wie diese Technologien mit anderen Wasseraufbereitungsoptionen konkurrieren könnten, entwickelte das NAWI-Forschungsteam ein mathematisches Modell, das mit Hilfe eines Supercomputers schnell die Kosten, die saubere Wasserproduktion und den Energieverbrauch von mehr als 130.000 potenziellen Systemen bewerten konnte Entwürfe. Ihre Ergebnisse zeigen, dass in vielen Fällen die Umkehrosmose mit geringem Salzrückhalt die kostengünstigste Wahl sein könnte und die Gesamtkosten für die Produktion von sauberem Wasser um bis zu 63 % senken könnte.

„Das ultimative Ziel dieser Forschung besteht darin, eine gründliche technisch-ökonomische Bewertung einer neuen Technologie durchzuführen, die noch nicht in der realen Welt getestet wurde, aber das Potenzial hat, eine Entsalzung mit hoher Wasserrückgewinnung zu ermöglichen“, sagte Adam Atia, a leitender Ingenieur am National Energy Technology Laboratory und Hauptautor des Artikels.

Obwohl in einigen Studien die potenziellen Kosten und die Effizienz von Umkehrosmosesystemen mit geringem Salzrückhalt untersucht wurden, bietet diese Studie eine umfassendere Analyse ihres Designs, Betriebs und ihrer Leistung. Um das Potenzial dieser theoretischen Systeme besser zu verstehen, nutzte das Team einen Supercomputer, um die optimalsten und kostengünstigsten Designs zu finden. Anschließend untersuchten sie, wie diese Designs in Hunderttausenden von Szenarien funktionieren könnten (im Gegensatz zu nur einer Handvoll).

Da Umkehrosmosesysteme mit geringer Salzrückhaltung mehr Salz durch jede Membran passieren lassen, benötigen sie weniger Kraft – und damit weniger Energie –, um das Wasser durchzudrücken. Wenn jedoch mehr Salz durchdringen kann, ist das resultierende Wasser, was nicht überraschend ist, immer noch zu salzig zum Trinken. Um Trinkwasser zu erzeugen, wird dieses noch zu salzhaltige Wasser wieder in die vorherigen Membranstufen zurückgeführt. Sobald der Salzgehalt niedrig genug ist, kann die herkömmliche Umkehrosmose den Rest erledigen und hochwertiges Trinkwasser erzeugen.

All dieses Recycling trägt zur Komplexität des Systems bei. Das Team musste also herausfinden: Wie viele Membranstufen sind optimal? Wie viele Recyclingkreisläufe werden benötigt? Und wie viel Kosten und Energie verursachen diese Schleifen? Um diese Fragen zu beantworten, könnten die Forscher individuell berechnen, wie viel sauberes Wasser jeder Entwurf aus Wasser mit unterschiedlichen Salzkonzentrationen produzieren könnte.

„Die Lösung würde möglicherweise sehr, sehr, sehr lange dauern“, sagte Ethan Young, Forscher am National Renewable Energy Laboratory (NREL) und Autor der Studie. „Mit Hochleistungsrechnen konnten wir das in wenigen Minuten schaffen.“

Und in diesen wenigen Minuten untersuchten sie nicht nur ein, sondern Hunderttausende potenzieller Szenarien.

„Das Neue an unserer Studie ist die Rechenleistung, die wir in diese Analyse eingebracht haben“, fügte Bernard (Ben) Knueven, ein NREL-Forscher und Autor, hinzu.

Ohne einen Supercomputer würden all diese Berechnungen etwa 88 Tage statt einer Stunde oder sogar ein paar Minuten dauern, sagte Young. Natürlich brauchte der Supercomputer auch die mathematische Magie von Knueven und Young, um diese komplexen Designprobleme schnell und genau zu lösen.

Mit all diesen schnellen Berechnungen entdeckte das Team, dass die Umkehrosmose mit geringer Salzrückhaltung ihre Konkurrenten sowohl bei den Kosten als auch beim Energieverbrauch übertreffen könnte – zumindest für Wasser, das weniger als 125 Gramm Salz pro Liter enthält. Das Modell des Teams könnte aber auch anderen Forschungsteams dabei helfen, die vielversprechendsten Systemdesigns zu identifizieren, zu bauen und zu testen.

„Die Hoffnung ist, dass wir durch diese rechnerischen Analysen den Experimentatoren Informationen geben können, um zu sagen: ‚Oh, das ist eine interessante Sache zum Studieren‘ oder ‚Nein, das ist wahrscheinlich völlig ausgeschlossen‘“, sagte Knueven.

Das Modell könnte auch erweitert werden, um Experimentatoren dabei zu helfen, die besten Designs für Umkehrosmosesysteme im Allgemeinen zu finden. Ihre Studie ist die erste, die die Technoeconomic Assessment Platform (WaterTAP) von NAWI für die Wasseraufbereitung sowohl nutzt als auch ergänzt. Als öffentlich verfügbares Softwaretool gibt WaterTAP Benutzern die Möglichkeit, verschiedene Wasseraufbereitungstechnologien zu modellieren und zu simulieren und deren Kosten-, Energie- und Umweltkompromisse zu bewerten.

„Ich finde es so cool. Wir entwickeln ein Tool, das uns und anderen Forschern helfen kann, das Potenzial neuer und aufregender Technologien einzuschätzen“, sagte Knueven über WaterTAP, das in Zusammenarbeit zwischen NREL, Lawrence Berkeley National Laboratory und dem entwickelt wurde National Energy Technology Laboratory, Oak Ridge National Laboratory und die Regents der University of California.

Als nächstes hoffen die Forscher, mit experimentellen Teams zusammenzuarbeiten, um zu entwickeln und zu bewerten, wie Umkehrosmosesysteme mit geringer Salzabweisung in der realen Welt funktionieren. Beispielsweise könnte die Ansammlung von Mineralien das System verlangsamen und sollte bei zukünftigen Auswertungen berücksichtigt werden.

Dennoch, so Atia, könnte diese neue Form der Umkehrosmose ein wertvolles Instrument zur Maximierung der Wasserrückgewinnung aus Quellen mit hohem Salzgehalt sein. „Und unser Modell kann eine Schlüsselrolle bei der Unterstützung des Einsatzes der Technologie spielen“, sagte er.

„Für mich“, sagte Knueven, „ist es eine Demonstration dessen, was wir mit ein wenig Berechnung und ein wenig Optimierung erreichen können.“

Erfahren Sie mehr über NAWI und die Bemühungen seiner Mitglieder, eine erschwingliche, energieeffiziente und belastbare Wasserversorgung für die Vereinigten Staaten sicherzustellen.

Die National Alliance for Water Innovation ist eine öffentlich-private Partnerschaft, die ein erstklassiges Team aus Industrie und akademischen Partnern zusammenbringt, um die kritischen technischen Hindernisse und die erforderliche Forschung zu untersuchen, um die Kosten und den Energieverbrauch der Entsalzung radikal zu senken. Die Allianz wird vom Lawrence Berkeley National Laboratory des US-Energieministeriums in Zusammenarbeit mit dem National Energy Technology Laboratory, dem National Renewable Energy Laboratory und dem Oak Ridge National Laboratory geleitet und vom Industrial Efficiency and Decarbonization Office des US-Energieministeriums finanziert.

Artikel mit freundlicher Genehmigung des National Renewable Energy Laboratory.

Von Caitlin McDermott-Murphy

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