Ny forskning tyder på att det finns en stor outnyttjad resurs för många av de allt mer vattenbegränsade regionerna i USA och runt om i världen:bräckt grundvatten, som, i teorin åtminstone, skulle kräva mycket mindre energi för att avsalta än havsvatten.

Mängden bräckt grundvatten i USA är cirka 800 gånger större än den totala mängden grundvatten som tas ut rikstäckande för alla användningsområden, enligt en studie från U.S. Geological Survey. Så, att använda till och med en bråkdel av den resursen kan dramatiskt förbättra utsikterna för vattensvälta samhällen, särskilt när dricksvatten blir mer knapp, som klimatförändringsmodeller förutspår. Medan ungefär en femtedel av landets vattenförsörjning kommer från färskt grundvatten, mindre än 1 procent kommer för närvarande från bräckt grundvatten.

Resultaten, baserat på analys av en massiv datauppsättning av vattenprover från hela landet, dyker upp i journalen Vattenforskning , i en tidning av Yvana Ahdab SM '17, en MIT doktorand, med John Lienhard, Abdul Latif Jameel professor i vatten och mat, och tre andra.

"Tills nyligen, bräckt grundvatten har varit en till stor del förbisedd resurs, trots dess potential att lätta på det ökande trycket på färskvattenförsörjningen, " säger Ahdab.

Projektet startade när Lienhard träffade en USGS-forskare på en konferens 2015 och lärde sig om en samling på mer än 100, 000 grundvattenprover från brunnar, som just hade tagits av den byrån. "Jag var fascinerad, och jag undrade vad vi vet om hur grundvattnets sammansättning påverkar avsaltningsprocessen, " minns han. Han diskuterade denna fråga med Ahdab, som snabbt fann att medan havsvattensammansättningen runt om i världen hade studerats väl, inga jämförbara studier av grundvatten hade gjorts. (Grundvattnets sammansättning varierar mycket mer, i både sälta och koncentrationen av andra ämnen som kalcium och sulfat.) USGS-datauppsättningen släpptes nyligen förra året, men MIT-teamet fick tidig tillgång för att börja arbeta med det i samarbete med USGS-forskare.

Medan havsvatten runt om i världen har i huvudsak samma sammansättning med endast mindre variationer, Ahdab förklarar, "grundvattnet är mycket mindre salt, ungefär en tiondel så mycket, och uppsättningen joner [laddade atomer eller molekyler] är helt olika i varje brunn."

På grund av den lägre koncentrationen av salt i bräckt vatten, vissa tekniker som destillation, vilket kan vara vettigt för havsvatten på vissa platser, skulle vara mycket energiineffektivt för avsaltning av bräckt vatten, säger Lienhard. "Omvänd osmos (RO) eller elektrodialys (ED) är de två teknikerna att välja på, och de är de två som används mest."

Eftersom havsvatten är huvudråvaran för befintliga avsaltningssystem, Tekniken har till största delen utvecklats och optimerats för havsvattnets sammansättning. Eftersom bräckt vatten är så olika, Lienhard säger:"Frågan vi är intresserade av är:Hur mycket utrymme finns det för förbättringar?" Den här studien undersöker inte de specifika tekniker som kan användas, som kommer att behandlas i vidare forskning, men den tittar på de teoretiska gränserna för hur mycket det skulle vara möjligt att minska energin som krävs för att avsalta bräckt vatten som har en viss sammansättning.

"Vi fann att kompositionerna delas in i fem klasser, " Ahdab säger. "En del domineras av natriumklorid, natriumbikarbonat, eller natriumsulfat, medan andra domineras av kalciumbikarbonat eller kalciumsulfat. De kräver väldigt olika tillvägagångssätt, när det gäller vilken typ av förbehandling du behöver." Den nya analysen, som identifierar vattnets specifika sammansättning ner till nivån för enskilda brunnar, "kommer att hjälpa till att vägleda utvecklingen av nya system, " hon säger.

Teamet fann att grundvatten som domineras av natrium kräver mycket mer energi för att avsalta än de som domineras av kalcium, liksom de som domineras av klorid jämfört med de som domineras av sulfat. Den informationen, tillsammans med kartorna över bräckvattensammansättningen över hela landet, kan hjälpa till att vägleda planer för att utveckla nya vattenresurser, säger Ahdab.

Dessutom, teamet korrelerade läget för potentiellt användbara bräckta grundvattenkällor med de regioner som upplever de största påfrestningarna på sina vattenförsörjningar. Resultaten pekar på specifika platser som har den mest lovande kombinationen av ett stort behov av vatten och hög tillgänglighet av behandlingsbart bräckvatten, inklusive delar av södra Kalifornien, Arizona, och områden i övre Mellanvästern. "Det finns en enorm mängd bräckt grundvatten som kan avsaltas för ganska små mängder energi, " säger Lienhard. Men mer arbete måste göras för att översätta det låga energibehovet till praktiska avsaltningssystem som faktiskt har motsvarande låga kostnader, han säger.

Medan den mest kompletta datamängden var baserad på amerikanska brunnar, teamet undersökte också andra, mindre kompletta uppsättningar prover från ett antal andra länder, och fann att de amerikanska trenderna i sammansättning och avsaltningsenergi för behandlingsbart bräckvatten sannolikt kommer att replikeras i de flesta delar av världen.

En stor fördel med att avsalta bräckt grundvatten snarare än havsvatten, forskarna säger, är återvinningsgraden:Medan avsaltning av havsvatten vanligtvis ger hälften av sin volym i sötvatten, avsaltning av bräckt vatten kan ge så mycket som 90 procent färskvatten. Det gör också den sista delen av processen mycket lättare. Eftersom saltlösningen som blir över från bräckt avsaltning är mycket mer koncentrerad, det är proportionellt mycket mindre av det, vilket förenklar bortskaffandet. Faktiskt, Lienhard säger:det kan till och med vara möjligt att få ut vattnet helt, lämnar bara fast salt som skulle vara ännu lättare att kassera (eller hitta användningsområden för).

Prakash Rao, en forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory, som inte var involverad i denna forskning, säger "vattenbrist i USA är överhängande, och forskarsamhället behövs för att ta itu med denna utmaning. Ökat utnyttjande av alternativa vattenförsörjningar, som bräckt vatten, för att möta den växande efterfrågan på vatten i USA är sannolikt. Men, för närvarande används bräckt vatten sällan i USA. Detta skapar ett akut behov av att bättre förstå hur man bäst använder våra enorma bräckvattenresurser. Detta dokument ger ett viktigt bidrag till detta."

Rao tillägger att "Med det tillvägagångssätt som utvecklats i detta dokument, vattenmyndigheter, kommunala vattenmyndigheter, och designers av avsaltningssystem kan fatta mer välgrundade beslut."

Och Rick Stover, direktör för International Desalination Association, som inte heller var involverad i denna studie, säger "Enligt min mening, den största betydelsen av detta arbete är hur omfattande dess geografiska räckvidd och dess sammansättningsanalys är. Det representerar en färdplan för bräckt avsaltning, speciellt i USA."

Stover drar slutsatsen att "bräckt avsaltning kommer sannolikt att bli en viktig källa till vattenförsörjning för platser i inlandet runt om i världen. Informationen som presenteras i detta dokument ger viktig information för att vägleda den utvecklingen. Det är både betydelsefullt och lägligt."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.