Vattensäkerhet blir en brådskande global utmaning. Hundratals miljoner människor bor redan i vattenbristområden, och FN projekterar att år 2030 kommer ungefär hälften av världens befolkning att bo i områden som är mycket vattenstressade. Detta kommer att bli en kris även för utvecklade länder som USA, där vattenchefer i 40 stater förväntar sig brist på sötvatten inom de kommande 10 åren. När världens befolkning och BNP växer, så kommer efterfrågan på sötvatten. Och, med den fortsatta ökningen av globala temperaturer, vattenbristen kommer bara att bli värre.

Avsaltningsprocesser förlitas alltmer på att öka vattentillgången. Faktiskt, Den globala avsaltningskapaciteten beräknas fördubblas mellan 2016 och 2030. Men dessa processer är dyra och kan vara skadliga för miljön. Saltlösningarna med ultrahög salthalt som är biprodukten av avsaltning kan vara flera gånger högre än salthalten i havsvatten och dess hanteringsalternativ är särskilt utmanande för avsaltningsanläggningar i inlandet som de i Arizona, Kalifornien, Florida, och Texas.

Under det senaste året, Columbia Engineering-forskare har förfinat sin okonventionella avsaltningsmetod för hypersaltlösningar – temperatursvängande lösningsmedelsextraktion (TSSE) – som visar mycket lovande för utbredd användning. TSSE skiljer sig radikalt från konventionella metoder eftersom det är en lösningsmedelsextraktionsbaserad teknik som inte använder membran och inte är baserad på evaporativ fasförändring:det är effektivt, effektiv, skalbar, och hållbart driven. I ett nytt papper, publicerades online 23 juni Miljövetenskap och teknik , teamet rapporterar att deras metod har gjort det möjligt för dem att uppnå energieffektiva nollvätskeutsläpp (ZLD) av saltlösningar med ultrahög salthalt – den första demonstrationen av TSSE för ZLD-avsaltning av saltlösningar med hypersaltlösning.

"Noll-vätskeutsläpp är den sista gränsen för avsaltning, "säger Ngai Yin Yip, en biträdande professor i jord- och miljöteknik som ledde studien. "Avdunsta och kondensera vattnet är den nuvarande praxisen för ZLD, men det är mycket energikrävande och oöverkomligt kostsamt. Vi kunde uppnå ZLD utan att koka bort vattnet - detta är ett stort framsteg för avsaltning av saltlösningar med ultrahög salthalt som visar hur vår TSSE-teknik kan vara en transformerande teknik för den globala vattenindustrin."

Yips TSSE-process börjar med att blanda ett lösningsmedel med låg polaritet med saltlösningen med hög salthalt. Vid låga temperaturer (teamet använde 5 °C), TSSE-lösningsmedlet extraherar vatten från saltlösningen men inte salter (som finns i saltlösningen som joner). Genom att kontrollera förhållandet mellan lösningsmedel och saltlösning, laget kan extrahera allt vatten från saltlake i lösningsmedlet för att framkalla utfällning av salter - när allt vatten "sugs" in i lösningsmedlet, salterna bildar fasta kristaller och faller till botten, som sedan lätt kan siktas ut.

Efter att forskarna separerat de utfällda salterna, de värmer upp det vattenfyllda lösningsmedlet till en måttlig temperatur på cirka 70 °C. Vid denna högre temperatur, lösningsmedlets löslighet för vatten minskar och vatten pressas ut från lösningsmedlet, som en svamp. Det separerade vattnet bildar ett lager under lösningsmedlet och har mycket mindre salt än den ursprungliga saltlösningen. Det kan lätt sugas av och det regenererade lösningsmedlet kan sedan återanvändas för nästa TSSE-cykel.

"Vi förväntade oss inte att TSSE skulle fungera så bra som det gjorde, " Yip säger. "Faktiskt, när vi diskuterade dess potential för ZLD, vi tänkte precis tvärtom, att processen sannolikt skulle ge ut någon gång när det bara finns för mycket salt för att det ska fortsätta fungera. Så det var en glad överraskning när jag övertygade huvudforskaren Chanhee Boo om att prova, för fan, på en fredag ​​eftermiddag och vi fick så fantastiska resultat."

Med en simulerad (labbförberedd) saltlösning på 292, 500 delar per miljon totalt lösta fasta ämnen, Yips grupp kunde fälla ut mer än 90% av saltet i den ursprungliga lösningen. Dessutom, forskarna uppskattade att processen endast använde ungefär en fjärdedel av den energi som krävdes för avdunstning av vatten – en energibesparing på 75 % jämfört med termisk förångning av saltlösningen. De återanvände lösningsmedlet i flera cykler utan märkbar prestandaförlust, vilket visar att lösningsmedlet bevarades och inte förbrukades under processen.

Sedan, att visa teknikens praktiska användbarhet, teamet tog ett fältprov av saltlösning med hög salthalt, koncentratet av dräneringsvatten för bevattning i Kaliforniens Central Valley, där dräneringsvatten för bevattning är svårt och kostsamt att behandla, och uppnådde ZLD med TSSE.

Konventionella destillationsmetoder kräver högkvalitativ ånga och kompletteras ofta med elektricitet för att driva vakuumpumpar. Eftersom TSSE endast kräver måttliga temperaturingångar, den låggradiga termiska energin som behövs kan komma från mer hållbara källor, såsom industriell spillvärme, grund-brunn geotermisk, och solfångare med låg koncentration.

"Med rätt lösningsmedel och rätt temperaturförhållanden, vi kan tillhandahålla kostnadseffektiva och miljömässigt hållbara koncentrathanteringsalternativ för avsaltningsanläggningar i inlandet, använda bräckt grundvatten för att lindra de nuvarande och pågående vattenpåfrestningarna, "Japp anteckningar.

Förutom att hantera avsaltningskoncentrat i inlandet, TSSE kan också användas för andra saltlösningar med hög salthalt inklusive återflöde och producerat vatten från olje- och gasutvinning, avfallsströmmar från ångdrivna elkraftverk, utsläpp från kol-till-kemiska anläggningar, och lakvatten från deponi. Yips grupp fortsätter att undersöka de grundläggande arbetsmekanismerna för TSSE, att konstruera ytterligare förbättringar av dess prestanda. This work includes further testing with real samples from the field, as well as optimization of the overall process.

The study is titled "Zero Liquid Discharge of Ultrahigh Salinity Brines with Temperature Swing Solvent Extraction."