Vi vet att överkonsumtion, industriell aktivitet och tillväxt i den globala befolkningen är några av de faktorer som hotar tillgången till dricksvatten för en ökande andel människor runt om i världen. Enligt UNESCOs siffror från 2012, nästan 700 miljoner människor lider av begränsad tillgång till vatten — och den siffran kan stiga till 1,8 miljarder år 2025. Avsaltning och rening av industriellt avloppsvatten kan producera stora mängder dricksvatten, och dessa metoder används redan i många länder och regioner som Förenade Arabemiraten, Saudiarabien, Kina, Europa och USA. Men, befintliga system är dyra och drar mycket energi. Jeff Ong, från EPFL:s Laboratory of Inorganic Synthesis and Catalysis, har utvecklat en vattenbehandlingsmaskin som kombinerar fördelarna med alla de viktigaste teknologierna som används för närvarande samtidigt som den erbjuder förbättrad prestanda. Till exempel, prototypen tar bort mer än 99,9 procent av saltet från havsvatten med samma genomströmning men med mindre energi. Systemet kommer att testas i verkliga förhållanden i år.

Ökad genomströmning

Den huvudsakliga storskaliga avsaltningstekniken som används idag är omvänd osmos. När två identiska vätskor separerade av ett semipermeabelt membran har olika koncentration av salt eller andra mineraler, den med den lägre koncentrationen passerar genom membranet tills varje vätska har samma koncentration. För att vända denna naturliga process och därför maximera mängden färskvatten, tryck appliceras på den mer koncentrerade vätskan så att den rinner genom filtreringsmembranet mot dricksvattensidan. Tekniken använder en relativt stor mängd el (cirka 4–5 kWh/m3) och membranen försämras snabbt, liksom andra komponenter, slits ner av mineralpartiklar. De måste rengöras kemiskt flera gånger per år och bytas ut mycket ofta. "Det resulterar i höga underhållskostnader för producenter, säger Ong. Men, avsaltningskonceptet som används av EPFL spin-off använder membran gjorda av inert hydrofobt material, slits ut mindre snabbt och kan återvinnas billigt.

Avdunstar vatten med hjälp av värmeåtervinningselement

För att maximera saltavskiljningen, som EPFL-prototypen ökar till mer än 99,9 procent, Ong satte ihop en serie av förångningsbaserade avsaltningsmoduler. För att komma till rätta med systemets största svaghet – energiförbrukning – gjorde han flera förbättringar, inklusive intern värmeåtervinning och effektivare värmeöverföring. Genom att minska trycket, vattnet kan koka upp vid en temperatur på mindre än 80°C. Ångan som produceras kyls och återvinns som färskvatten. Resten av vätskan, som innehåller resterande salt, går in i en annan cell med ännu lägre tryck, och så vidare. Värmeåtervinningselement används för att förvärma och förånga det kvarvarande saltvattnet, utan att använda någon energi utifrån systemet. I varje skede, den producerade ångan kyls och det resulterande färskvattnet återvinns. Färskvattnet avlägsnas med hjälp av värmeväxlaranordningar som är placerade för att kyla systemet. Genom att återanvända värme som annars skulle gå förlorad, E-METS har ett mycket lägre koldioxidavtryck än ett konventionellt termiskt system. "Dessa förångnings- och kylflödesprinciper används ofta inom kärnkraftsindustrin, " förklarar Ong. "Vi är de första att tillämpa konceptet inom vattensepareringsområdet."

Behandling av mycket salt vatten

De senaste förbättringarna av denna hybridprototyp har också resulterat i tidsbesparingar, eftersom genomströmningen nu är upp till dubbelt så hög som för omvänd osmos. Dessutom, det nya systemet har fördelen att kunna hantera mycket höga saltkoncentrationer – mer än 200 g/l – vilket är dubbelt så mycket som standard termisk separationsteknik och mer än fyra gånger så mycket som omvänd osmos. Så höga saltkoncentrationer kan hittas, till exempel, i de avfallslösningar som produceras av anläggningar för omvänd osmos.

Avsaltningsmarknaden förväntas vara värd 27,4 miljarder dollar 2025, med vatten- och vattenreningsmarknaden totalt värd 675 miljarder dollar. Uppstarten, Aqualife Global, är för närvarande införlivat för att kommersialisera E-METS-tekniken. Systemets moduluppbyggnad gör att det kan anpassas till mängden vatten som ska behandlas. Det här året, medgrundarna har för avsikt att utveckla en version som passar i en fraktcontainer, gör den lätt att transportera och gör att den kan ställas upp där den behövs som mest. Förutom att användas för att avsalta havsvatten, systemet kan anslutas till anläggningar för omvänd osmos, hjälpa dem att producera större volymer avsaltat dricksvatten. Medgrundarna ser också många andra potentiella applikationer, som att behandla avloppsvatten från gruvindustrin – och mer specifikt för litiumbrytning – och att ta bort svavel från avloppsvatten som produceras av elproduktionsföretag. Systemet skulle också kunna användas för att behandla avloppsvatten som produceras av livsmedels- och olje- och gasindustrin.