Förenta staterna och många andra delar av världen tjatar under effekterna av svår torka. En möjlig lösning är avsaltning av havsvatten, men är det en silverkula?

Västra USA upplever för närvarande vad en paleoklimatolog kallade "potentiellt den värsta torkan på 1, 200 år." Regionen har haft många torka tidigare, inklusive "megatorka" som varar i decennier, men klimatförändringarna gör torra år torrare och blötare år. Högre temperaturer värmer marken och luften snabbare, och den ökade avdunstningen torkar jorden och minskar mängden nederbörd som når reservoarer. Uppvärmning leder också till att mindre av snöpacken behövs för att fylla på floder, strömmar, reservoarer och fukta jord på våren och sommaren.

Cirka 44 procent av USA upplever en viss grad av torka med nästan 10 procent i "exceptionell torka". Skogsbränder rasar för närvarande i 13 stater, förvärras av de varma och torra förhållandena. Det har varit oöverträffade vattenavbrott till Coloradofloden - som ger vatten till sju stater - och avstängningar av vattenkraftverk. Akvifärerna i städer som är beroende av brunnsvatten är uttömda, tvingar invånare att åka lastbil i vattnet. I vanliga fall, jordbruket förbrukar över 90 procent av vattnet i många västerländska stater, men torkan har fått skördarna att sjunka; vissa bönder har minskat sin areal eller bytt grödor till mindre vattenintensiva, medan andra sannolikt kommer att gå i konkurs. Lantbrukare måste sälja av delar av sina besättningar. Men även när lokalbefolkningen brottas med dessa svårigheter, fler människor flyttar till området.

Mellan 1950 och 2010, sydvästras tillväxttakt var dubbelt så hög som i resten av landet. USA:s befolkning förväntas fortsätta växa fram till 2040, med mer än hälften av den tillväxten i områden som har upplevt svår torka de senaste tio åren. Många människor fortsätter att flytta till ett område som förväntas bli ännu torrare under de kommande åren, precis som den senaste IPCC-rapporten förutspår att klimatförändringarna kommer att intensifiera torkan i dessa regioner.

Alla andra kontinenter i världen upplever också allvarlig torka, förutom Antarktis. Och FN har varnat för att ytterligare 130 länder kan möta torka år 2100 om vi inte gör något för att stävja klimatförändringarna. Men så snart som 2025, två tredjedelar av världens befolkning kan få vattenbrist, enligt World Wildlife Fund. Detta kan leda till konflikter, politisk instabilitet, och fördrivningen av miljontals människor.

Bristen på sötvatten kan också göra det svårare att minska koldioxidutsläppen i samhället – något vi måste göra för att förhindra katastrofala klimatförändringar – eftersom vissa strategier för att göra detta kan ytterligare stressa vattenresurserna. Grönt väte, ses som nyckeln till att eliminera utsläpp från flyget, frakt, lastbilstransport, och tung industri, produceras genom elektrolys, som delar vatten till väte och syre. Dock, processen kräver stora mängder renat vatten. En uppskattning är att nio ton av det behövs för att producera ett ton väte, men faktiskt kräver behandlingsprocessen som används för att rena vattnet dubbelt så mycket orent vatten. Med andra ord, Det behövs verkligen 18 ton vatten för att producera ett ton grönt väte. Kärnenergi, ses av IPCC som ett viktigt verktyg för att nå våra klimatmål, är också beroende av färskvatten för kylning, men när vattenbristen ökar, kärnkraftverk kan tvingas minska sin kapacitet eller läggas ner.

Där det finns vatten

Medan större delen av vår planet är täckt av vatten, endast tre procent av det är sötvatten och endast en tredjedel av det är tillgängligt för människor eftersom resten är fruset i glaciärer eller är otillgängligt djupt under jorden. Under tiden, den globala uppvärmningen fortsätter att smälta fler glaciärer varje år och öka avdunstning, minskar våra sötvattenresurser.

Som ett resultat av vattenbrist, vissa delar av världen har övergått till avsaltning för dricksvatten. Avsaltning (avsaltning) innebär att man tar bort salt och mineraler från saltvatten, vanligtvis havsvatten. Denna process sker naturligt när solen värmer havet - färskt vatten avdunstar från ytan och faller sedan som regn. Torra regioner som Mellanöstern och Nordafrika har länge varit beroende av avsalningsteknik för sitt sötvatten. Idag har över 120 länder avsalningsanläggningar med Saudiarabien som producerar mer färskvatten genom avsaltning än någon annan nation. USA har också ett antal avsalningsanläggningar med de största på västra halvklotet i Carlsbad, CA. En ny avsalningsanläggning för 1,4 miljarder dollar i Huntington Beach, CA kommer sannolikt att godkännas snart.

Avsaltningen närmar sig

Desal görs vanligtvis på ett av två sätt. Termisk destillation innebär kokande havsvatten, som producerar ånga som lämnar saltet och mineralerna bakom sig. Ångan samlas sedan upp och kondenseras genom kylning för att producera rent vatten. Den andra metoden är membranfiltrering som driver havsvatten genom membran som fångar in saltet och mineralerna på ena sidan och släpper igenom rent vatten.

Före 1980-talet, 84 procent av avsalningen använde termisk destillationsmetoden. I dag, cirka 70 procent av världens avsaltning sker med en membranfiltreringsmetod som kallas omvänd osmos eftersom det är den billigaste och mest effektiva metoden. I naturlig osmos, molekyler rör sig spontant genom ett membran från en lösning med mindre lösta ämnen till en mer koncentrerad lösning, utjämna de två sidorna. Men i omvänd osmos, saltare vatten rör sig genom ett membran till en mindre salt lösning. Eftersom detta fungerar mot naturlig osmos, omvänd osmos kräver högt tryck för att trycka vatten genom de semipermeabla membranen. Det resulterande färskvattnet steriliseras sedan, vanligtvis med ultraviolett ljus.

Oro för avsaltning

Även om desal kan vara den enda lösningen för vissa regioner, det är dyrt, förbrukar mycket energi och har skadlig miljöpåverkan.

"Avsaltning av havsvatten är ett av de dyraste sätten att få vatten, " sa Ngai Yin Yip, biträdande professor i jord- och miljöteknik vid Columbia University. "Det här har bara att göra med det faktum att det inte är lätt att få ut salt ur vattnet. Men vi måste ha vatten - det finns helt enkelt ingen ersättning för vatten. Så det kan bli dyrt. Men det faktum att vi inte kan att överleva utan vatten betyder att det är en nödvändig kostnad."

Storskaliga avsalningsanläggningar är mycket dyra att bygga och anläggningarna drar mycket energi. Termiska destillationsanläggningar kräver energi för att koka vatten till ånga och elektricitet för att driva pumpar. Omvänd osmos kräver inte energi för att generera värme utan förlitar sig på energi för att elektriciteten ska driva sina högtryckspumpar. Dessutom, nedsmutsning av membran av mindre lösliga salter, kemikalier, och mikroorganismer kan påverka deras permeabilitet och minska produktiviteten, ökar underhålls- och driftskostnaderna.

Enligt Yip, det mest ekonomiska sättet att göra avsaltning är att rikta in sig på vattenkällor som innehåller mindre salt, såsom grundvatten. "Ju mindre salt det finns, ju mindre arbete du behöver göra för att ta ut den, " sa han. "Så ur ett rent ekonomiskt perspektiv, grundvatten skulle vara mer ekonomiskt än havsvatten." Avsaltning av grundvatten kan göras på ett hållbart sätt på platser där det finns rikligt. Men där det minskar, att ta upp grundvatten kan leda till landsättningar, eller i kustområden, till saltvatteninträngning av akvifären. Om det inte finns något grundvatten tillgängligt, Yip tycker att omvänd osmos av havsvatten är den bästa tekniken att använda.

Många Mellanösternväxter, dock, använda äldre termiska anläggningar som drivs med fossila bränslen. Som ett resultat, avsalningsanläggningar är för närvarande ansvariga för att släppa ut 76 miljoner ton CO ₂ varje år. Eftersom efterfrågan på försäljning förväntas öka, De globala utsläppen relaterade till avsaltning kan nå 400 miljoner ton koldioxid ₂ per år till 2050.

Desal har också effekter på den marina miljön på grund av mängden saltlösning den producerar. För varje enhet rent vatten som produceras, cirka 1,5 enheter koncentrerad saltlösning – dubbelt så salt som havsvatten och förorenad med koppar och klor som används för att förbehandla vattnet för att förhindra att det smutsar ner membranen – resulterar. Globalt, varje dag släpps över 155 miljoner ton saltlake ut i havet. Om saltlake släpps ut i ett lugnt område i havet, den sjunker till botten där den kan hota det marina livet. En studie från 2019 av Carlsbad-avsaltningsanläggningen nära San Diego som späder ut sin saltlösning innan den släpper den, fann att det inte fanns några direkta effekter på det marina livet, dock, Saltnivåerna överskred tillåtna gränser och saltlakesplymen sträckte sig längre till havs än vad som var tillåtet.

Förbättra avsaltning

Forskare runt om i världen försöker lösa desals utmaningar. Här är några exempel på några av deras lösningar.

Förnybar energi

NEOM är en futuristisk smart stadsstat på 500 miljarder dollar som byggs i nordvästra Saudiarabien längs Röda havets stränder. To provide water for the estimated one million future residents, it will construct an innovative solar desal system comprising a dome of glass and steel 25 meters high over a cauldron of water. Seawater is piped through a glass enclosed aqueduct and heated by the sun as it travels into the dome. Där, parabolic mirrors concentrate solar radiation onto the dome, superheating the seawater. As it evaporates, highly pressurized steam is released and condenses as fresh water, which is piped to reservoirs and irrigation systems. The system is completely carbon neutral and theoretically reduces the amount of brine waste produced. NEOM, expected to be completed in 2025, claims it will produce 30, 000 cubic meters of fresh water per hour at 34 cents per cubic meter.

The U.S. Army and the University of Rochester researchers have developed a simple and efficient method of desalinating water also dependent on the sun's energy. Using a laser treatment, they created a "super-wicking" aluminum panel with a grooved black surface that makes it super absorbent, enabling it to pull water up the panel from a water source. The black material, heated by the sun, evaporates the water, a process made more efficient because of its super-wicking nature. The water is then collected, leaving contaminants behind on the panel, which is easy to clean. It can be reconfigured and also be angled to face the sun, absorbing maximum sunlight, and because it is moveable, could easily be used by military troops in the field. Larger panels would potentially enable the process to be scaled up.

European companies are developing the Floating WINDdesal in the Middle East, a seawater desal plant powered almost entirely by wind energy. The floating semi-submersible plant is being built in three sizes, with the largest expected to be able to produce enough water for 500, 000 personer. The plants can be moved by sea, making them easy to mobilize for emergencies and can be deployed in deeper water where brine disposal would have less impact on marine life. Because they float, they will not be affected by rising sea levels.

Membranes

Membrane research is focused on increasing membrane permeability which would reduce the amount of pressure needed, reducing the fouling that occurs, and making membranes more resilient to high pressure.

A discovery by scientists at the University of Texas, Penn State and DuPont could improve the flow of water through membranes and increase their efficiency, which would mean that reverse osmosis would not require as much pressure. Using an electron microscope technique, the researchers discovered that the densely packed polymers that make up even the thinnest membranes could slow the water flow. The most permeable membranes are those that are more uniformly dense at the nanoscale, and not necessarily the thinnest. The discovery could help makers of membranes improve their performance.

Reverse osmosis desal is hindered when microorganisms grow on the membrane surface, slowing the flow of water. Some coatings that have been used to prevent this "biofouling" of membranes are hard to remove, so they result in more energy use as well as more chemicals released into the sea. King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) researchers created a nontoxic coating that adheres to the membrane and can be removed with a flush of high-saline solution.

Desal without membranes

Columbia University engineers led by Yip, developed a method called temperature swing solvent extraction (TSSE) that doesn't use membranes at all to desalinate. The efficient, skalbar, and low-cost technique uses a solvent whose water solubility—the amount of a chemical substance that can dissolve in water—changes according to temperature.

At low temperatures, the solvent mixed with salt water draws in water molecules but not salt. After all the water is sucked into the solvent, the salts form crystals that can easily be removed. The solvent and its absorbed water are then heated to a moderate temperature, enabling the solvent to release the water, which forms a separate layer below. The water can then be collected. Yip explained that the process is designed to deal with very salty water, which reverse osmosis cannot handle. Till exempel, the water that comes up during oil and gas extraction can be five to seven times saltier than regular seawater. The textile industry also produces very salty water because of the solutions it uses to dye cloth. According to Yip, TSSE is not the best way to obtain drinking water, but it could help replenish our water resources for other needs.

Brine

Brine impacts can be lessened by how much brine is discharged and how the desal process is carried out.

Stanford University researchers have developed a device that can turn brine into useful chemicals.Through an electrochemical process, it splits the brine into positively charged sodium and negatively charged chlorine ions. These can then be combined with other elements to form sodium hydroxide, väte, and hydrochloric acid. Sodium hydroxide can be used to pretreat seawater going into the desal plant to minimize fouling of the membranes. It is also involved in the manufacture of soap, papper, detergents, explosives and aluminum. Hydrochloric acid is useful for cleaning desal plants, producing batteries, and processing leather; it is also used as a food additive and is a source of hydrogen. Turning brine components into chemicals that have other purposes would decrease brine waste and its environmental damage, as well as improve the economic viability of desalination.

Diluting brine can also lessen its impacts. "You take more seawater, and you premix it [with the brine] in an engineered reactor, " said Yip. "Now the salinity of that mix is not two times saltier than seawater. It's still saltier than seawater, but it's lower. And instead of discharging it at one point, you discharge it at several points with diffusers. These are engineering approaches to try to minimize the impacts of brine, " han förklarade.

Other solutions for the drought

Despite improvements in desal's environmental and economic profile, dock, it is still an expensive solution to water scarcity. This is especially so given that most water in the U.S. is used for agriculture, taking showers, and flushing toilets. Newsha Ajami, the director of urban water policy at Stanford, said "I disagree with using tons of resources to clean the water up just to flush it down the toilet."

Water recycling

Paulina Concha Laurrari, a senior staff associate at the Columbia Water Center, said "Water reuse definitely has to be an important part of the solution. Our wastewater can get treated, either to potable standards, like it's been done in other parts of the world and even in California, or to a different standard that can be used for agriculture or other things."

Recycling the approximately 50 million tons of municipal wastewater that is discharged daily around the U.S. into the ocean or an estuary could supply 6 percent of the nation's total water use. Recycled water can be used for irrigation, watering lawns, parks and golf courses, for industrial use and for replenishing aquifers. The House of Representatives is considering a bill that would direct the Secretary of the Interior to establish a program to fund water recycling projects and build water recycling facilities in 17 western states through 2027.

The technology to recycle water has been around for 50 years. Wastewater treatment facilities add microbes to wastewater to consume the organic matter. Membranes then are used to filter out bacteria and viruses, and the filtered water is treated with ultraviolet light to kill any remaining microbes. The water can be used for agriculture or industry, or it can be pumped into an aquifer for storage. When it is needed for drinking water, it can be pumped out and repurified. If the water is for human consumption, some minerals are added back in to make it more drinkable.

Waste not

Every year in the U.S., approximately 9 billion tons of drinking water are lost due to leaking faucets, pipes and water mains, and defective meters. President Biden's $1.2 billion infrastructure plan includes substantial sums for upgrading clean drinking water and wastewater infrastructure.

I USA., 42 billion tons of untreated stormwater enter the sewage system and waterways and ultimately the ocean each year. This means that the rainwater that could soak into the ground to replenish groundwater supplies is lost. Green infrastructure, such as green roofs, rain gardens, trees, and rain barrels, would reduce some of this water waste.

Sensible water use

It's also important to figure out how to put the water that's available to the best use in a particular area. "Till exempel, having a better planning strategy of what is the best use for water, like what to plant where, " said Laurrari. "Instead of using it, säga, for alfalfa, how do we use it for higher value crops? Or even tell farmers, "I will pay you not to use this water' and the state can have it to replenish our aquifers or to source cities or something else."

Determining the most reasonable and economical uses for water would help everyone understand and appreciate its true value. "In some of these places where they're having droughts, there are still people who are watering their lawns, and happily paying the fine, " said Yip. "So really, there's a mismatch between what is happening and what the reality is. We need to adjust our activities such that we are not putting that kind of a human-imposed strain on the water supply. We need to be thinking about how we make drastic wholesale changes to the way we organize our activities that actually make sense."

Israel's example

Israel is located in one of the driest regions of the world and has few natural water resources, dock, it is considered "the best in the world in water efficiency" according to Global Water Intelligence, an international water industry publisher.

Israeli children are taught about water conservation beginning in preschool, and adults are reminded not to waste water in television ads. Low-flow showerheads and faucets are mandatory, and Israeli toilets usually have two different flushing options for urine and bowel movements. The country adopted drip irrigation, which uses half the water than does traditional irrigation while producing more yield. Israel also resolutely attends to small leaks in pipes before they become large. Dessutom, 75 percent of its wastewater is recycled, more than that of any other country. And because Israelis pay for their water themselves, they are careful about how much they use and readily adopt water-saving technology. Som ett resultat, it's estimated that the average Israeli consumes half as much water each day as the average American.

Israel began desalination in the 1960s. Today it has five desal plants with two more on the way and will soon get 90 percent of its water from desal.

While Israel has invested a lot of money in desal, it has also made huge investments in water awareness and water efficiency. These other measures enabled the country to delay building desal plants and build them more economically and smaller than they would otherwise have needed to be because the citizens were already conserving water.

101 things you can do

Here are 100 ways to conserve water.

And one more. "Become more actively involved with the decisions that government makes in terms of investments of infrastructure, " said Laurrari, "Because yes, you can conserve water at home, but what is really going to matter is what's done at the larger scale by politicians. So having a more active role, knowing where your water comes from, and what your local issues are is important."

Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av Earth Institute, Columbia University http://blogs.ei.columbia.edu.