Soolased lahendused

Gregory P. Thiel

Kuna Maa elanikkond kasvab ja magevesi muutub üha hinnalisemaks ressursiks, otsivad teadlased ja insenerid võimalusi, kuidas suurendada merevee magestamise tõhusust ja vähendada selle maksumust.

Greg Thiel kaitses eelmisel kuul Cambridge’is Massachusettsi Tehnikaülikoolis järeldoktorantuuris olles edukalt oma doktoritööd masinaehituses.

On uskumatu, et miljardil inimesel – ühel seitsmendikul kogu maailma rahvastikust – puudub juurdepääs puhtale joogiveele. Igal aastal surevad miljonid lapsed saastunud veest põhjustatud haigustesse, mida oleks võimalik vältida. Ning kliimamuutuste, rahvastiku juurdekasvu ja üha suurema kalorsusega toitumise koosmõju ähvardab kurnata meie kõige olulisema, eluks vajaliku ressursi suhteliselt ahtaks nireks.

Kuigi eeltoodu iseloomustab inimkonda varitsevate murede ulatuslikkust ja kiireloomulisust, on ülemaailmse veepuuduse kogupilt hoopis nüansirikkam – magevee nappust mõjutavad nii kohalikud majandused, kliima, ajalugu, inimasustuse muster kui ka ühiskonna areng. Vihmarikas, kuid halva kanalisatsiooniga piirkond ei nõua samasugust taristut kui maalilisel, aga põuasel rannikul asuv suur inimasustus. Kuna kohalikud probleemid on väga spetsiifilised, tuleb lahendused neile leida kohapeal.

Ülemaailmset imerohtu ei ole olemas. Kuid leidub rohtu, mis aitab paljudel juhtudel – see on magestamistehnoloogia. Peaaegu kõiki veega segunenud lisandeid eemaldada suutev magestamine on lahendus, mis suudab vett mitte ainult puhastada, vaid ka suurendada Maa hüdroloogilises ringluses oleva magevee kogust. Nende asjade saavutamine on oluline, sest mõningate hinnangute kohaselt võib maailma elanikkond kasutada 2025. aastal 70% planeedi taastuvast mageveest.

Pöördosmoos

(a) Barcelona merevee magestusjaam Hispaanias, avatud 2009. aastal.

(b) Kui soolane vesi (roheline) ja magevesi (sinine) on eraldatud poolläbilaskva membraaniga, mis laseb läbi ainult magevett, liigub vesi magevee ruumist soolase vee ruumi, mida nimetatakse osmoosiks (vasakul). Kui soolase vee ruumi rõhk P jõuab niinimetatud osmootse rõhuni π (keskel), siis süsteem saavutab tasakaalu. Kui soolase vee ruumile rakendada rõhku P > π (paremal), siis magevesi surutakse soolase vee ruumist välja, mida nimetatakse pöördosmoosiga magestamiseks.

Kõige säravam lahendus on pöördosmoos (RO). Esimest korda 1950ndate lõpus esitletud pöördosmoos moodustab praegu 65% magestamiseks paigaldatud võimsustest ja üle 50% viimastel aastatel ehitatud uutest võimsustest. (Joonise paneelil a on Barcelona pöördosmoosi jaam Hispaanias.) Protsess on põhimõtteliselt lihtne: soolane voolus surutakse rõhu all – merevee süsteemides tavaliselt 60…70 baari – läbi membraani, mis laseb läbi veemolekulid, kuid tõkestab lahustunud soolasid. Niikaua, kuni soolase vooluse hüdrauliline rõhk ületab osmootset rõhku (selgitatakse joonise paneelil b), läheb magevesi läbi membraani ja jätab soola maha. Me ei saa veel täielikult aru tõkestamise ja läbilaskmise mehhanismidest, kuid üldtunnustatud teooria, niinimetatud vakants-difusioon, postuleerib, et soolase poole vesi lahustub membraani materjalis ja hajub puhtale poolele palju kiiremini kui sool.

Parimal juhul peaks pöördosmoosi süsteem tarbima vähe energiat ja raha ning tõkestama palju soola. Väiksem energiatarve on üldiselt seotud madalama keskmise töörõhuga; väiksemad kulud tähendavad üldiselt membraani, millel on odavam pinnaühik või mille võib teha väiksema, sest selle veeläbilaskvus on suurem; ning parem soolatõkestus on üldiselt seotud väiksema soolaläbilaskvusega. Kulusid võiks vähendada ka parem ummistumiskindlus, mida on võimalik saavutada täiustatud membraanide või merevee parema eeltöötlusega, aga ka muude uuendustega, nagu paremate merevee sissevõtusüsteemidega ja kontsentreeritud soola kõrvaldamisega. Selles lühitutvustuses keskendume rõhule ja läbilaskvusele.

Energia- ja kapitalikulud

Soolavesi ja magevesi segunevad iseeneslikult. Seetõttu on termodünaamika seaduste kohaselt vaja nende eraldamiseks, st magestamiseks vaid veidi energiat. Tavalise mereveesüsteemi puhul, mis toodab ühest kilogrammist mereveest 1/2 kg magevett, on see umbes 1 kWh (kilovatt-tund elektrienergiat) kuupmeetri magevee kohta, mis on ligikaudu sama palju energiat, kui palju on vaja akna kliimaseadme ühetunniseks käitamiseks kuumal suvepäeval. Uued suured merevee pöördosmoosijaamad tarbivad enamasti ligikaudu 3…4 kWh/m³; võrreldes parimate suurte aurustamisega magestussüsteemidega, mis vajavad kuumutamiseks ligikaudu 20 kWh/m³. Tuleb arvesse võtta, et moodsate pöördosmoosijaamade puhul ei saa eeldada energiakulu olulist vähendamist – tase on juba üsna hea.

Sellele vaatamata on täiustamine võimalik. Selleks, et puhast vett soolasest voolusest eraldada, peab toiterõhk ületama selle osmootset rõhku. Soolase vooluse kontsentratsiooni suurenemisel selle osmootne rõhk tõuseb. Seega peab süsteemi kõrgeim rõhk ületama kõrgeimat osmootset rõhku – s.o kontsentreeritud soolase vooluse rõhku – piisavalt palju, et saada mõistlik veevool.

Pöördosmoosi protsess ei pea töötama alati selle kõige kõrgema rõhuga. Astmelises süsteemis tõstetakse rakendatavat rõhku olenevalt osmootse rõhu tõusust. Suur osa puhastusest toimub suhteliselt madalal rõhul, mis vähendab üldist energiatarvet. Puuduseks on sama koguse magevee tootmiseks vajalike täiendavate pumpade ja membraanide lisakulu. Ühte uuendust, mis pakub ilma lisakuludeta astmelisele süsteemile sarnast tulemust, nimetatakse suletud pöördosmoosiks, kus soolane voolus ringleb ja rõhk tõuseb kontsentreerumise käigus aeglaselt.

USA tööstustarbijate keskmine elektritariif oli 2014. aastal ligikaudu 7 senti/kWh, seega kulutavad suured pöördosmoosijaamad 3…4 kWh/m³ tootlikkuse korral 21…28 senti/m³. Sellise jaama käituse kogukulu on vahemikus 60…80 senti/m³, mis on ligikaudu pool tüüpilisest elamu veetariifist.

Suure osa kogukulu ja energiakulu vahest moodustab membraanide enda maksumus. Teadlased arendavad jätkuvalt selliseid membraane, mis lasevad vett paremini läbi ja hoiavad sooli paremini kinni. Edu korral võiksid väiksemad membraanid toota kompaktsemates süsteemides sama koguse vett odavamalt, kui seda toodavad praegused magestussüsteemid.

Tseoliite (teatud liiki mineraalid) ja mitmesuguseid tehismaterjale, näiteks süsiniknanotorusid ja nanopoorset grafeeni, kasutades on võimalik valmistada uut tüüpi üliläbilaskvaid membraane, millel on palju suurem veeläbilaskvuse võime kui tavalistel õhukesekilelistel komposiitmaterjalidel.

Paljudel juhtudel on eesmärk timmida nanomeetrist väiksemate pooride suurust, et luua molekulaarsõel. Ideed toetab intuitiivne füüsika: ioonid on lahuses ümbritsetud solvaatkihiga, veemolekulide keraga, mis orienteeruvad iooni ümber vee polaarsuse tõttu. See ümbritsev veekera teeb solvateerunud iooni üksikust 0,3 nm veemolekulist ligikaudu kaks korda suuremaks. Sel juhul peaksid õige suurusega poorid vee läbi laskma, kuid tõkestama suuremaid, solvateerunud ioone. Kuid tegelikkuses tuginevad üliläbilaskvad membraanid soovitud separeerimise saavutamisel pigem enamate tegurite kombinatsioonile kui lahustunud ainete suurusepõhisele tõkestamisele: need hõlmavad laengupõhist tõkestamist, teatavate lahustunud aineid funktsionaalsete rühmade omavahelist keemilist toimet ja soola läbipääsu takistavaid geomeetrilisi tõkkeid.

Ehituslikud kompromissid

Paljude üliläbilaskvate membraanide oluline puudus on selles, et nagu tavalised membraanid, ei tõkesta need täielikult soola läbipääsu. Eelkõige seetõttu, et üliläbilaskvad materjalid lasevad veel soolast palju lihtsamini läbi pääseda, hakkab soolakiht ladestuma vee väljapressimise käigus membraani pinnale. See ladestumine või polarisatsiooni kontsentratsioon soodustab soola imendumist läbi membraani. Mida suurema tootlusega vett soolasest voolusest eraldatakse, seda suurem on soola kontsentratsioon membraani pinnal ja seda suurem on soola läbiimbumine. Teiselt poolt tähendab suurem veevool vähemat aega teatud magevee koguse tootmiseks ja seega vähemat aega soola läbiimbumiseks. Seega on üliläbilaskvate membraanide suur veevool seotud kompromissidega: lõppkokkuvõttes määrab soolade tõkestuse pöördosmoosi süsteemi ehituse ja membraani soolaläbilaskvuse kombinatsioon.

Üks membraani materjal, mis võib näidata erakordset veeläbilaskvust ja soolatõkestust, on nanopoorne grafeen. Nagu on näidatud joonise paneelil c, on molekulaardünaamika simulatsioonid ennustanud, et nanopoorse grafeeni membraanid võivad saavutada tavalistest õhukesekihilistest komposiitmembraanidest kolm suurusjärku parema veeläbilaskvuse. Tegelikud membraanid ei pruugi saavutada nii suurt veeläbilaskvust või see võib olla piiratud polarisatsiooni kontsentratsiooniga. Kuid isegi praeguste moodsate membraanide veeläbilaskvuse kolmekordistamine võiks vähendada membraanide maksumust ligi 50%.

Energiatarbe jõulise vähendamisega kuni termodünaamilise piirini ja moodsate membraanidega, mis võivad puhastada vett tavalistest membraanidest mitu korda kiiremini, astub magestamise tehnoloogia kõige tõhusamate tööstustehnoloogiate hulka. Kuna praegused teadusuuringud täiustavad veelgi võimalusi vähendada energiatarvet ja kulusid, aitab magestamine üha enam üle saada kohalikust ja üleilmsest veenappusest.

Lisaallikad

• M. Elimelech, W. A. Phillip, „The future of seawater desalination: Energy, technology, and the environment”, Science 333, 712 (2011).
• M. M. Pendergast, E. M. V. Hoek, „A review of water treatment membrane nanotechnologies”, Energy Environ. Sci. 4, 1946 (2011).
• T. Humplik et al., „Nanostructured materials for water desalination”, Nanotechnology 22, 292001 (2011). ■

Viide:

Physics Today 68(6), 66 (2015); doi: 10.1063/PT.3.2828

Vaadake internetis aadressil http://dx.doi.org/10.1063/PT.3.2828

Vaadake sisukorda aadressil http://scitation.aip.org/content/aip/magazine/physicstoday/68/6?ver=pdfcov

Väljaandja: AIP Publishing