Dag noll:dammnivåerna sjunker under säkra gränser och stadens vattenförsörjning stängs av. Det låter som en apokalyptisk mardröm, men för invånare i Kapstaden i Sydafrika börjar det snabbt bli verklighet. För länder som är utsatta för torka som Australien, det är inte heller oförutsägbart. Nya framsteg inom avsaltning, dock, erbjuder alternativa lösningar för vattensäkerhet och för utvinning av värdefulla knappa mineraler.

Färskvatten är en nödvändighet för livet. Det är lätt att tro att det alltid kommer att finnas gott om vatten eftersom det täcker 70 procent av vår planet. Än, Att få tillgång till dricksvatten är en utmaning för många. Senast 2025, FN förväntar sig att 1,8 miljarder människor kommer att stöta på vattenbrist. Detta beror på att endast tre procent av världens vatten är sötvatten och svår torka drabbar många länder.

Den förestående vattenkrisen i Kapstaden har orsakats av tre år med låg nederbörd, tillsammans med den ökande konsumtionen av en växande befolkning. Kapstaden kan bli den första större staden i modern historia som får slut på vatten.

Avsaltning ses alltmer som en nyckellösning mot vattenbrist, speciellt i torra kontinenter som Australien. Avsaltning innebär att man tar bort salter och andra lösta mineraler från havsvatten eller bräckt vatten (det är vatten som inte är färskt, men är inte riktigt lika salt som havsvatten heller).

Nuvarande, omvänd osmos och termiska processer är de mest använda avsaltningsteknikerna. Även om de är mycket mogna och har utvecklats i prestanda under åren, de har ännu inte uppnått svårfångade hållbarhetsmål.

Varför? Båda är energikrävande, kräver dyrt byggmaterial, är kemiskt intensiva, begränsas av membrannedsmutsning och korrosion, och producera koncentrerade avfallsströmmar. Den negativa miljöpåverkan från utsläpp av koncentrerad avfallsström (saltlösning) är av stor oro.

Det beror på att bortskaffande av det koncentrerade saltlakeavfallet på land resulterar i en långsiktig känslighet för förorening av yt- och grundvattenresurser. Alternativet, Att släppa ut avfallssaltlösningen (som innehåller mycket salt och andra kemikalier) tillbaka i havet kräver omfattande utspädning och installation av hundratals meter undervattensrörledningar till havs för att mildra eventuella negativa effekter på vattenlevande organismer.

Avsaltning genom frysning, dock, är motiverat av naturliga havsvattenfenomen:is gjord av saltvatten är saltfri. De inneboende fördelarna med frysavsaltning är att det är låg kostnad, relativt enkel och kemikaliefri. Dock, att separera is från saltlösning för att få saltfritt vatten är fortfarande en utmaning.

Min forskning är för närvarande inriktad på att hitta en lämplig vätska som effektivt separerar is och saltvatten baserat på flytande gravitation. Detta kommer att möjliggöra färskvattenproduktion från is.

Ständigt, det höga frysenergibehovet för frysavsaltning, från -8 grader Celsius till -15 grader Celsius är en stor begränsning. Ett genomförbart alternativ här är att få "gratis energi" från förångningsanläggningar för flytande naturgas (LNG). Detta är särskilt relevant i australiensiska sammanhang på grund av den kraftiga tillväxten av LNG-produktion.

Naturgas omvandlas till LNG genom kompression och kylning vid mellan -160 grader Celsius och -200 grader Celsius. Frysavsaltning kan kopplas till LNG-köldmediekylmedelskällan, med tanke på att majoriteten av LNG-anläggningarna ligger vid kusten. Länkning av anläggningar skulle gynna många länder som samtidigt importerar LNG och lider av vattenbrist.

När vattenbristen biter, drivkraften att bevara naturresurserna ökar också. Fokus på att "bryta" värdefulla resurser från havsvatten och dess saltvattenavfallsströmmar skärps särskilt.

Havsvatten innehåller nästan alla kemiska grundämnen som finns i det periodiska systemet, utgående från de mest förekommande som natrium, magnesium, kalcium, sulfat och kalium till värdefulla grundämnen i låg koncentration som strontium, litium, uran och rubidium.

Enligt Australiens Mineral Resource Assessment 2013, strontium, magnesium, och litium är i relativt hög kritisk risk. Strontium har en återvinningsgrad på mindre än 10 procent och används i keramiken, glas- och pyroteknisk industri, keramiska ferritmagneter, fyrverkeri, fosforescerande pigment, lysrör, och i olje- och gasindustrin som borrslam. De viktigaste användningsområdena för magnesium inkluderar aluminium, stål, kemiska material och byggmaterial, och gödningsmedel.

Att känna till förekomsten av dessa element i havsvatten är en sak; att återställa dem är något helt annat.

De ekonomiskt användbara elementen i havsvatten finns i allmänhet i relativt låga koncentrationer. Till exempel, det ekonomiskt värdefulla rubidium är prissatt så högt som $12, 505 per kilogram, men är endast närvarande i låga koncentrationer på 0,2 till 0,3 milligram per liter. Rubidiums höga ekonomiska värde tillskrivs dess tillämpning inom nya teknikområden för fiberoptiska telekommunikationssystem, halvledare, tillverkning av monolitiska lasrar, gasabsorbenter i vakuumrör, och för olika medicinska undersökningar.

Det är därför min forskning i Australien med min handledare, Direktör för Skolan för civil- och miljöteknik Saravanamuth Vigneswaran, har också ägnat sig åt utvinning av rubidium från havsvattensaltlösning. Jag tittar på hur vi kan använda integrerade membranprocesser och selektiva nya jonbytarabsorbenter för att samtidigt producera färskvatten och extrahera rubidium.

Återvinningen av värdefullt rubidium skulle inte bara hjälpa industrin, det skulle också potentiellt kunna kompensera för driftskostnaderna för avsaltning av havsvatten och dess relaterade saltlösningshantering. Det kommer också, förhoppningsvis, göra det lättare för myndigheter och industri att se att hållbarhet verkligen är allas angelägenhet.