Na całym świecie jest więcej tzw. słonej wody niż świeżych, nadających się do picia wód gruntowych. Przykładowo 60 procent Indii to właśnie słona woda, a dokładając do tego fakt, że znaczna część kraju nie posiada elektryczności, to tym trudniej o miejsca, które odsalają wodę na zasadzie odwróconej osmozy.
Analitycy z Instytutu Technologicznego w Massachusetts (MIT) wykazali jednak, że inne technologie odsalania wody, takie jak elektrodializa, zasilana przez panele słoneczne, mogą dostarczyć wystarczającą ilość czystej, nadającej się do picia wody, która będzie w stanie zaopatrzyć potrzeby wodne typowej wioski. Badania są prowadzone przez absolwentkę MIT Natashę Wright oraz profesora inżynierii mechanicznej Amosa Winter, a ich rezultaty opublikowano w ostatnim wydaniu magazynu Desalination.
Winter wyjaśnia, że znalezienie optymalnych rozwiązań dla problemów takich jak słona woda gruntowa, wymaga “pracy w celu zrozumienia pełnego zbioru ograniczeń, których doświadcza dane terytorium”. Po tygodniach badań terenowych w Indiach oraz analizy różnych technik, stwierdzono, że “kiedy bierze się pod uwagę wszystkie elementy układanki, to najlepiej wypada elektrodializa” – która nie jest zbyt często wykorzystywana w rozwijających się krajach.
Czynniki, które wzięto pod uwagę decydując się na wybór elektrodializy na terenie Indii to stosunkowo niskie poziomy zasolenia (od 500 do 3000 miligramów na litr – co jest niewiele porównując ten współczynnik w niektórych regionach sięgający do 35000 mg/l) oraz brak dostępu do elektryczności. W miejscach, które znajdują się w strefie funkcjonowania elektryczności, miejsca generujące odwróconą osmozę wciąż są realne z gospodarczego punktu widzenia.
W niewielkim stopniu słona woda nie jest bezpośrednio toksyczna, ale użytkowanie jej przez długi czas może mieć wpływ na ludzkie zdrowie. Dodatkowo jej nieprzyjemny smak może powodować, że ludzie będą bardziej “otwarci” na inne – nawet bardziej zanieczyszczone – źródła wody. “To duży problem w społeczności zajmującej się zdobywaniem i dostarczaniem wody”, mówi Winter.
***
Łącząc ze sobą systemy do elektrodializy na skalę typowej wioski – czyli nieco mniejsze niż jednostki przemysłowe, które są zazwyczaj produkowane – oraz proste zestawy paneli słonecznych wraz z systemem baterii do przechowywani wyprodukowanej energii, Wright oraz Winter stwierdzili, że zarówno pod kątem ekonomicznym, jak i kulturowym to rozwiązanie jest nie tylko akceptowalne, ale również może zaspokoić potrzeby na wodę dla 2000-5000 ludzi. Naukowcy szacują, że wprowadzenie takich systemów podwoiłoby ilość bezpiecznej do spożywania wody.
W obecnej chwili wiele domów w Indiach wykorzystuje własne, ulokowane przy domach systemy do filtrowania wody. Wright po konsultacjach z organizacjami pozarządowymi, które działają w tych regionach, stwierdziła, że systemy na skalę wiosek byłyby bardziej efektywne – głównie ze względu na sam fakt, że mniejsza ilość osób pozostawała by bez odpowiedniego dostępu do czystej wody, a dodatkowo domowe systemy są trudniejsze do monitorowania i trudno określić czy filtrują wodę do właściwego poziomu.
Większość organizacji działających na rzecz zwiększenia dostępu do czystej wody skupia swoją uwagę na kontrolowaniu znanych patogenów i toksyn takich jak arszenik. Analiza Wright wykazała jakie znaczenie ma fakt “jak woda smakuje, pachnie i wygląda”. Nawet jeśli woda jest bezpieczna z technicznego punktu widzenia, to nie rozwiązuje to problemu ze względu na prosty fakt – ludzie nie chcą jej pić z powodu nieprzyjemnego, słonego smaku.
Na poziomie zasolenia, na jakim znajdują się wody gruntowe Indii – według badań naukowców – systemy elektrodializy mogą dostarczyć świeżej wody za około połowę energii, która byłaby potrzebna do przeprowadzenia odwróconej osmozy. Oznacza to, że panele słoneczne oraz dodane do nich baterie mogą być o połowę mniejsze. Zatem chociaż początkowe koszty elektrodializy są większe, to powyższy fakt skutecznie jednak obniża nakłady jakie muszą być wniesione.
***
Elektroliza działa poprzez przepuszczanie strumienia wody pomiędzy dwoma elektrodami o przeciwnych ładunkach. Ponieważ sól rozpuszczona w wodzie zawiera jony dodatnie i ujemne (kationy i aniony), to są one odciągane przez elektrody, pozostawiając – jak twierdzi Winter – świeżą wodę w środku strumienia. Następnie seria membran oddziela świeżą wodę od tej coraz bardziej słonej.
Obie metody – elektrodializy oraz odwróconej osmozy – wymagają wykorzystania membran, jednak przy elektrodializie system jest wystawiony na niższe ciśnienia i może być oczyszczony z gromadzonej się soli po prostu poprzez odwrócenie polaryzacji elektrycznej. Oznacza to, że drogie membrany mogą być użytkowane znacznie dłużej i wymagają mniejszej konserwacji. Dodatkowo system elektrodializy odzyskuje większy procent wody – ponad 90 procent. Jest to znacznie lepszy efekt, porównując z wynikiem odwróconej osmozy, który waha się pomiędzy 40 a 60 procentami. Szczególnie jest to istotne w miejscach, gdzie woda jest dobrem rzadko występującym.
Kontynuując ten azymut Wright i Winter opracowali plan w jaki sposób połączyć pracujący prototyp w realnych działaniach terenowych na terenie Indii. Działania zostały przeprowadzone w styczniu bieżącego roku. Chociaż sam pomysł był przygotowany z myślą o zaopatrywaniu wiosek w świeżą wodę, to Winter twierdzi, że system może być przydatny również w przypadku katastrof, a także do np. w bazach wojskowych.
Susan Amorse, wykładowca inżynierii lądowej i środowiskowej na University of California w Berkeley, która nie była zaangażowana w ten projekt, powiedziała: “Praca ta podnosi poprzeczkę dla rozwoju i stosowania tej dyscypliny naukowej dla kompleksowych problemów. Jest również bardzo ważna dla rozwoju samej inżynierii. Panele słoneczne nie są nową technologią, jednak nowatorskim rozwiązaniem jest wykorzystanie ich na wiejskich terenach Indii, a jeszcze bardziej niespotykane jest połączenie szczegółowej inżynierii z dobrą analizą ekonomiczną”.
W dalszej wypowiedzi Amorse dodaje: “Wyzwania stojące przed Indiami dotyczące niedoboru wody, nie mogą być zignorowane. Indie posiadają ogromną populację, która żyje w regionach ubogich w wodę, gdzie większość z niej stanowi woda zasolona lub uboga jakościowo. Rozwiązanie z potencjałem dwukrotnie lepszego odzyskiwania wody w środowisku, gdzie woda staje się coraz droższa, może mieć ogromne znaczenie nie tylko dla tego terenu”.
Badania były finansowane przez Jain Irrigation Systems, indyjską firmę, która buduje i instaluje systemu paneli słonecznych. Sponsorem tych badań był również Tata Center for Technology and Design at MIT.
[elementor-template id=”82365″]
Źródło: David L. Chandler, MIT News Grafika: Christine Daniloff/MIT