Forskare utvinner vatten ur vågor och avföring

Till och med från sex miljarder kilometers avstånd ser man att den djupblå jorden har enorma mängder vatten.

På bilder tagna från extremt långt håll av sonden Voyager, som är på väg ut ur sol­systemet, framträder jorden fortfarande som en blå fläck.

Hela 71 procent av vår planet är täckt av vatten. Om allt vatten på jorden hade tappats upp skulle det motsvara 2 670 miljarder miljarder halvlitersflaskor rent dricksvatten.

Tyvärr är 97 procent av planetens vatten bundet i salta hav och därmed odrickbart för oss människor.

Trots det är havsvattnet en livsviktig källa till dricksvatten runtom i världen, där avsaltningsanläggningar förvandlar de salta dropparna till klart dricksvatten.

I framtiden kan avsaltning visa sig bli en viktig del av lösningen på Day Zero i Australien och påfrestningarna på grundvattnet.

Avsaltning energikrävande

Trots att vår kropp består av cirka 60 procent vatten så behöver vi bara få i oss små mängder salt och därför kan vi inte kan dricka havsvatten.

Kroppen tar upp 5–6 gram salt om dagen och njurarna utsönd­rar resten via urin­en. Njurarna kan bara utsöndra salt i mängder som är mindre än salthalten i havsvatten, och den är cirka 35 gram per liter.

Om vi hade druckit ett glas salt­vatten hade kroppen behövt göra sig av med en större mängd urin än den mängd vatten som fanns i glaset för att bli av med saltet. Därför skulle vi till slut dö av uttorkning.

Ingenstans avsaltas lika mycket vatten som i Saudiarabien.

Landets 28 avsaltningsanläggningar levererar 6,6 miljarder liter vatten om dagen, 22 procent av allt avsaltat vatten i världen.

I Perth i Australien omvandlas cirka 45 miljarder liter havsvatten varje år till dricksvatten, vilket motsvarar 18 procent av storstadens behov.

De här siffrorna kan låta stora, men det är bara cirka en procent av världens sötvattenbehov som täcks av avsaltningsanläggningar.

En av förklaringarna till det är att avsaltningsprocesserna kräver en hög elförbrukning och förbränning av olja eller gas. Dessutom är det i många delar av världen betydligt enklare att pumpa upp grund­vatten.

Ett annat problem med avsaltning är den saltlake som bildas i processen, som har högre koncentration av salt än vanligt havsvatten.

Den leds normalt ut i havet igen, men den höga saltkoncentrationen skadar djur och växter.

Här ser dock forskarna en ny möjlighet för utvinning av metaller och salter som magnesium, kalcium, litium och natrium­klorid för användning i olika industriprocesser och inom jordbruket.

Forskare vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) i Boston i USA har utvecklat en metod för utvinning av natriumhydroxid (kaustiksoda) ur saltvattnet.

Stora mängder kaustiksoda köps i dag in i till avsaltningsanläggningar för att bearbeta havsvatten som ska avsaltas, så att avsaltningsmembranen inte täpps till.

På så sätt kan en avfallsprodukt från avsaltningen återanvändas i processen.

Omvänd osmos driver ut saltet

Teknikerna för avsaltning kan grovt delas in i två kategorier: Termisk och membranbaserad avsaltning.

Fram till år 2000 var termisk avsaltning vanligast. Då används metoden MSF (multi-stage flash distillation), i vilken havsvatten flyter genom flera kammare med olika tryck, temperatur och värme­växlare, och detta leder till förångning och kondensering av vattnet utan salt.

Restprodukten blir saltlake.

Processen kräver stora mängder energi. Därför har en membranbaserad teknik, omvänd osmos, på senare år blivit vanligare än termisk avsaltning.

Processen är motsatsen till osmos, ett naturligt fenomen som uppstår när sötvatten skiljs från saltvatten. Det kan till exempel ske genom ett cellmembran som bara släpper igenom vattenmolekyler.

I ett försök att utjämna skillnaden i saltkoncentration på vardera sidan av membranet rör sig vattenmolekyler till saltlösningen.

Vid omvänd osmos pressas saltvatten under högt tryck genom ett membran, tillverkat av exempelvis cellulosaacetat, till motsatta sidan där det är normalt atmosfäriskt tryck.

Membranet släpper igenom vattenmolekyler, men inte saltmolekyler eller andra molekyler. Därmed kommer bara rena vattenmolekyler igenom.

Grafenmembran är effektivare

Även om omvänd osmos inte är lika energikrävande som termisk avsaltning kräver denna teknik stora mängder el för att driva pumparna som sätter havsvattnet under tryck.

Därför arbetar forskarna nu med att få in hållbar energi i avsaltningsprocessen.

Enligt planen ska omvänd osmos driven av enbart el från solceller år 2030 dagligen producera över 1,1 miljarder liter dricksvatten i Dubai.

Video: Forstå omvendt osmose på 4 minutter

En annan lösning på energiproblemet är att skapa nya typer av membran som lättare släpper igenom vattenmolekylerna och samtidigt effektivt blockerar salt och orenheter.

Ett av de mest hoppingivande materialen är grafen, tvådimensionella ark av kol som är bara en atom tjocka. Forskare vid University of Manchester i England har utvecklat en metod i vilken grafenoxid används som membran.

Detta innebär att forskarna med hög precision kan kontrollera porernas storlek i membranet.

Forskarna utnyttjar det faktum att saltmolekylerna omges av ett ”skal” av vattenmolekyler och därför är för stora för att ta sig igenom porerna i membranet tillsammans med de vanliga vattenmolekylerna.

Eftersom forskarna kan kontrollera porernas storlek kan membranet släppa igenom vattnet mer effektivt så att avsaltningen inte kräver lika högt tryck och därmed elförbrukning som andra avsaltningsmetoder.

Galler fångar vattenånga

Avsaltning av havsvatten kan också ske utan användning av membran.

Forskare vid MIT har utvecklat en metod som kan avskilja salt, smuts och pesticider från vattnet.

Fördelen med avsaltning utan membran är att membranen med tiden fylls med smuts och bakterier och då behöver rengöras eller bytas ut. I den här processen, så kallad chockelektrodialys, flyter havsvattnet genom ett poröst glasmaterial med elektroder på vardera sidan.

Genom att låta en elektrisk ström gå mellan elektroderna, som är positivt och negativt laddade, delas saltvattnet i en saltrik del vid den ena elektroden och en saltfattig del vid den andra.

När strömstyrkan når en kritisk punkt skapas en sorts chockvåg i vätskan där de två vattenmassorna delas upp nästan helt och hållet.

Enligt forskarna kan metoden avlägsna upp till 99,99 procent av saltet i vattnet.

El ingår också i ett annat vattenkoncept på MIT. Där ska den inte driva ut dricks­vatten ur havsvatten utan ur ånga.

Forskarna har utvecklat en metod för att skörda vattenånga ur kraftverk. I dag används 39 procent av allt sötvatten i USA till att kyla kraftverk vid elproduktion.

En stor del av detta vatten släpps ut i atmosfären som vattenånga, och därmed går stora mängder dricksvatten förlorade.

Det vill forskarna bakom konceptet Infinite Cooling ändra på.

De har utvecklat en teknik där ett galler fångar droppar i vatten­ångan.

Normalt samlar gallret in mellan en och tre procent av vattnet i ångan i form av vattendroppar, men forskarna har upptäckt att de genom att låta en svag elektrisk ström gå genom gallret kan jonisera luften, så att den blir elektriskt laddad.

Då drar gallret till sig betydligt mer av vattenångan.

Det insamlade vattnet kan både återanvändas i kraftverkets kylsystem och ledas ut till vatten­försörjningen i en närliggande stad.

Jakten på läskande vattendroppar slutar inte här. Till och med innehållet av fukt i mänsklig avföring kan utvinnas till dricksvatten.

År 2015 byggdes prototypen till en så kallad omniprocessor i Senegals huvudstad Dakar, som saknar kloaksystem och har stora problem med spillvatten och slam från primitiva toaletter.

Video: Dakars slam omdannes til vand og strøm

Tack vare omniprocessorn omvandlas i dag avföring från 50 000–100 000 invånare till rent dricksvatten.

I kombination med andra tekniska lösningar ska omniprocessorn säkerställa en framtid där ingen behöver gå törstig.