Desalinering

Den siste tiden har det vært fokus i media på tørkeproblemer og vannmangel i California. Etter et fullført utvekslingsår i California har jeg opplevd dette på nært hold. Det har vært tørkeperiode i flere år som er forårsaket i hovedsak av mangel på nedbør. Det er ikke bare snakk om regn, men også snø som har vært fraværende i fjellstrøkene. Snødekket denne vinteren var bare 20% av normalen. Et tiltak som har vært diskutert nå, og brukt ved tidligere tørkeperioder, er å fjerne salt og andre forurensninger fra saltvann slik at man får ferskvann. Dette kalles desalinering. I Santa Barbara har det blitt vedtatt å gjenåpne en gammelt anlegg, og flere andre steder i California skal det bygges nye. Desalinering krever mye teknologi, og nanoteknologi har potensialet til å forbedre i hvert fall en del av prosessen. Hvilke deler og hvordan kommer vi tilbake til etter at vi har gått kort igjennom hvordan prosessen fungerer.

 

Revers osmose

Det er naturlig å se til saltvann, den største vannressursen vi har på jorden, for å redusere vannmangel, men bruk av denne er forbundet med mange utfordringer. Rensingen er særdeles energikrevende noe som gjør vannet dyrt og i tillegg bidrar til store klimagassutslipp. Sjølivet i nærheten av anlegget blir truet både ved inntak av saltvannet og ved utslipp av avfall, som hovedsakelig består av konsentrert saltvann. Derfor er det viktig å være kritisk til bred bruk av denne metoden med dagens teknologi, og ha gode tiltak for å minske de negative konsekvensene så mye som mulig.  Tilgang til ferskt og rent drikkevann er et problem mange steder i verden, og en bærekraftig og billig metode for å øke tilgangen er viktig.

 

Den vanligste metoden som brukes for å rense saltvannet er revers osmose. For å skjønne hvorfor denne metoden er så energikrevende og hvordan vi med nanoteknologi kan gjøre den mer effektiv, må vi først vite hva osmose er.

Partiklene representerer salt og andre forurensninger som ikke kan krysse barrieren. Vannet (rosa) kan bevege seg fritt mellom de to halvdelene. Dersom konsentrasjonen av urenheter er ulik vil vannet gå igjennom barrieren slik at konsentrasjonen blir lik. (Kilde: Wikipedia)

Partiklene representerer salt og andre forurensninger som ikke kan krysse barrieren. Vannet (rosa) kan bevege seg fritt mellom de to halvdelene. Dersom konsentrasjonen av urenheter er ulik vil vannet gå igjennom barrieren slik at konsentrasjonen blir lik. Kilde: Wikipedia

 

Se for deg en beholder med en skillevegg, eller membran som det ofte kalles. Vi fyller den ene siden med vann og den andre med saltvann. Membranen er laget slik at kun vannmolekyler kan fritt bevege seg mellom de to halvdelene, men ingen av de større molekylene som måtte befinne seg i beholderen som salter, mineraler og forurensninger. Dette kaller vi en halvgjennomtrengelig barriere. Osmose er da fenomenet som skjer på grunn av en forskjell i konsentrasjon  av urenheter på den «rene» siden i forhold til den saltholdige siden. Vannmolekyler strømmer fra den «rene» siden til den saltholdige siden for å utjevne denne forskjellen. Dette skjer helt til den saltholdige siden har blitt tilstrekkelig overfylt til at trykket fra det «ekstra» vannet motvirker strømmen av vann fra den rene siden. Altså, en større konsentrasjon av urenheter mellom de to sidene vil føre til at mer vann strømmer til den saltholdige siden. Man definere også et osmotisk trykk. Det er trykket som må påføres den saltholdige siden helt fra starten for at vann ikke skal strømme igjennom barrieren i det hele tatt.

 

Et hverdagslig eksempel på osmose er hvis man strør salt på en tomatskive og lar den ligge noen minutter. Da vil man se et vannlag danne seg på toppen av tomatskiven. Dette skjer fordi vannet inni tomaten vil utjevne forskjellen i konsentrasjon og strømmer ut av skiven til saltet.

 

Revers osmose er ganske enkelt å påføre et trykk, som er høyere enn det osmotiske trykket, på den saltholdige siden for å presse vann igjennom membranen. Desto høyere konsentrasjon det er av salt og andre forurensninger i vannet, desto høyere trykk må påføres for å presse vannet igjennom.

 

Membraner

Dagens membran er i hovedsak basert på polymerer der flere har de samme lange karbonkjedene som i plast. Man vil at den skal være kjemisk og fysisk stabil over lang tid samtidig som den slipper igjennom mest mulig vann og filtrerer vekk saltene. Både den kjemiske strukturen, altså hvilken type polymer man bruker, og den fysiske strukturen, hvordan membranen ser ut på overflaten og inni, er viktig.

 

Vannet krysser membranen via diffusjon. Det betyr at molekylets egne tilfeldige bevegelser sørger for at det kommer seg igjennom membranen. Et større molekyl bruker vesentlig lengre tid på å diffundere samme avstand som et mindre ett. Derfor er det bare vannet som strømmer igjennom, og ikke salter og andre forurensninger. En tykkere membran er ønskelig for mekanisk styrke, men det øker også tiden vannet bruker på å diffundere igjennom. Derfor må det gjøres et kompromiss mellom disse ønskede egenskapene, og det gjøres mellom flere andre egenskaper også.

 

Et annet problem er at det som blir værende igjen på den saltholdige siden bygger opp som et lag utenpå membranen, det kalles «fouling». Dette øker avstanden vannet må diffundere og senker dermed vanngjennomstrømningen. Her kan vi bruke nanoteknologi til å lage overflaten på membranen best mulig utstyrt til å hindre denne oppbyggingen. Man kan sette på ekstra molekyler som kjemisk øker tiden det tar før dette laget dannes, og vi kan fysisk endre på overflaten for å gjøre det vanskeligst mulig for urenheter å sette seg fast.

Urenheter som bygger seg opp på membranen reduserer gjennomstrømmingen av vann.

Urenheter som bygger seg opp på membranen reduserer gjennomstrømmingen av vann.

 

Nanomaterialet grafen er en mulig kandidat til å erstatte polymeriske membraner. Grafen er kun et lag med karbonatomer orientert i et heksagonalt mønster. Hvis man lager små hull i grafen kalt porer,  som kun slipper igjennom vannmolekyler, vil membranen fungerer som en molekylær sil.  Vann vil strømme igjennom veldig mye raskere enn i dagens membraner. Det er fortsatt en del forskning som gjenstår for å gjøre den sterk nok og for å klare å lage mange porer med samme, og riktig, størrelse.

Her ser vi vannmolekyler i rødt og svart strømme fritt igjennom en membran laget av grafen med porer. Større molekyler får ikke plass og blir værende på den ene siden. Illustrasjon av Zhangmin Huang

Her ser vi vannmolekyler i rødt og svart strømme fritt igjennom en membran laget av grafen med porer. Større molekyler får ikke plass og blir værende på den ene siden. Illustrasjon av Zhangmin Huang

 

Desalinering produserer rent vann til mange områder i dag, og videre forskning og utvikling innenfor fagfeltet kan gjøre det billigere, mer miljøvennlig og øke tilgangen der det er mangel. Membraner har mange andre bruksområder utover saltvannsrensing og er derfor et stort forskningsområde. En slik prosess bør ikke benyttes for å opprettholde et overforbruk når det koster så mye både for lommeboken og miljøet. Det første tiltaket burde alltid være konservering  av vann så langt det er mulig der den naturlige tilgangen på ferskvann er liten. Kanskje en gang i fremtiden kan denne teknologien gi rent, billig og bærekraftig vann til alle som trenger det!

 

 

 

 

Facebooktwittergoogle_plusredditpinterestlinkedinmailby feather
 

Henrik Riis

Om

Jeg er opptatt av hvordan utvikling og bruk av teknologi påvirker samfunnet og oss som enkeltmennesker. Teknologi og vitenskap er veldig relevant for viktige samfunnsspørsmål. Jeg har gått master/siv. ing. i nanoteknolgi på NTNU. Nå tar jeg doktorgrad ved Universitetet i Oslo.


'Desalinering' har 2 ckommentarer

  1. 15. desember 2015 @ 11:14 smallPrint / Luke 8: Quiz med premie!

    […] Hvordan kan man rense saltvann til drikkevann? Svar: Saltvannet kan renses med membraner. […]

    Svar

  2. 24. november 2016 @ 07:44 smallPrint / Vassreinsing med nanoteknologi

    […] har Henrik skrive om ulike metodar for å desalinere vatn, det vil sei å gjere saltvatn om til drikkevatn. I artikkelen hans kan du lese om revers osmose og […]

    Svar


Del dine tanker

Your email address will not be published.

© smallPrint A.S. All right reserved. Page based on Old Paper by ThunderThemes.net