水安全正在成為迫在眉睫的全球挑戰。數以億計的人已經生活在缺水地區,聯合國預測,到2030年,全球約一半的人口將生活在缺水嚴重的地區。即使對于像美國這樣的發達國家來說,這也將是一場危機。美國40個州的水資源管理者預計,未來10年內將出現淡水短缺。隨著全球人口和GDP的增長,對淡水的需求也將增加。而且,隨著全球溫度的持續上升,水資源短缺只會變得更加嚴重。


越來越多地依靠海水淡化工藝來增加供水量。實際上,全球淡化能力預計在2016年至2030年之間翻一番。但是這些過程成本高昂,并且可能對環境有害。作為海水淡化副產品的超高鹽度鹽水可以是海水鹽度的幾倍,其管理選擇對于內陸海水淡化設施(例如亞利桑那州,加利福尼亞州,佛羅里達州和德克薩斯州的設施)尤其具有挑戰性。


在過去的一年中,哥倫比亞工程公司的研究人員一直在改進他們對高鹽鹽水的非常規脫鹽方法:變溫溶劑萃?。═SSE),這顯示出廣泛的應用前景。TSSE與傳統方法有根本的不同,因為它是一種基于溶劑萃取的技術,不使用膜,也不基于蒸發相變:它是有效,高效,可擴展且可持續供電的技術。


在發表于《環境科學與技術》上的一篇新論文中(“通過變溫溶劑萃取實現超高鹽度鹽水的零液體排放”),研究小組報告說,他們的方法使他們能夠實現高能效的零液體排放(ZLD)。超高鹽度鹽水-TSSE首次證明高鹽鹽水進行ZLD脫鹽。

新的海水淡化方法:與熱蒸發鹽水相比可節省75%的能量

TSSE過程的說明,這是一種開創性的高鹽鹽水淡化方法,可以改變全球水管理。圖片:哥倫比亞大學)


領導這項研究的地球與環境工程助理教授Ngai Yin Yip說:“零液體排放是海水淡化的最后一個領域?!?“蒸發和冷凝水是ZLD的當前做法,但它非常耗能,而且價格昂貴。我們能夠在不使水沸騰的情況下實現ZLD,這是使超高鹽度鹽水脫鹽的一項重大進步,這證明了我們的TSSE技術如何成為全球水行業的變革性技術?!?


Yip的TSSE過程始于將低極性溶劑與高鹽度鹽水混合。在低溫下(該團隊使用的溫度為5°C),TSSE溶劑從鹽水中提取水,而不從鹽中提取水(鹽以離子形式存在于鹽水中)。通過控制溶劑與鹽水的比例,該團隊可以將鹽水中的所有水提取到溶劑中,以引起鹽的沉淀-在所有水被“吸入”到溶劑中之后,鹽形成固體晶體并掉落到水中。底部,然后可以輕松篩分。


在研究人員分離出沉淀的鹽后,他們將含水溶劑加熱到大約70°C的中等溫度。在較高的溫度下,溶劑對水的溶解度降低,水像海綿一樣從溶劑中擠出。分離出的水在溶劑下方形成一層,并且鹽份比初始鹽水少得多??梢匀菀椎貙⑵浜缥?,然后將再生的溶劑重新用于下一個TSSE循環。


Yip說:“我們并不期望TSSE能夠像以前那樣運作良好?!?“實際上,當我們討論其對ZLD的潛力時,我們認為恰恰相反,該過程可能會在鹽分太多而無法繼續工作的某個時候消失。因此,當我說服首席研究員Chanhee Boo再嘗試一下,并獲得如此出色的結果時,這真是令人驚訝。


通過模擬(實驗室準備)的鹽水總溶解固體為292,500百萬分之一,Yip的團隊能夠在原始溶液中沉淀出90%以上的鹽。此外,研究人員估計,該過程僅消耗蒸發水所需能量的四分之一,與熱蒸發鹽水相比,可節省75%的能量。他們將溶劑重復使用了數個周期,而性能沒有明顯下降,表明該溶劑在此過程中是保守的,不會消耗。


然后,為了證明該技術的實際適用性,研究小組在高鹽度鹽水,加利福尼亞中央山谷中灌溉排水的濃縮液(很難處理且成本高昂)的現場取樣,并通過TSSE獲得了ZLD 。


常規的蒸餾方法需要高等級的蒸汽,并經常補充電力以為真空泵提供動力。由于TSSE僅需要適度的溫度輸入,因此所需的低等級熱能可能來自更可持續的來源,例如工業廢熱,淺井地熱和低濃度太陽能集熱器。


Yip指出:“通過適當的溶劑和適當的溫度條件,我們可以為內陸海水淡化設施提供具有成本效益且對環境可持續的濃縮物管理方案,利用咸淡的地下水緩解當前和即將來臨的水資源壓力?!?


除了管理內陸海水淡化濃縮物外,TSSE還可以用于其他高鹽度鹽水,包括石油和天然氣開采中的回流和采出水,蒸汽驅動的發電站產生的廢水,煤制化工設施的排放以及垃圾填埋場滲濾液。Yip的小組正在繼續研究TSSE的基本工作機制,以設計其性能的進一步改進。這項工作包括使用實地樣品進行進一步測試,以及優化整個過程。


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