Una nuova ricerca suggerisce che esiste una grande risorsa non sfruttata per molte delle regioni sempre più limitate d'acqua degli Stati Uniti e di tutto il mondo:acque sotterranee salmastre, quale, almeno in teoria, richiederebbe molta meno energia per la desalinizzazione rispetto all'acqua di mare.

La quantità di acque sotterranee salmastre negli Stati Uniti è circa 800 volte maggiore della quantità totale di acque sotterranee prelevate a livello nazionale per tutti gli usi, secondo uno studio del Geological Survey degli Stati Uniti. Così, l'utilizzo anche solo di una frazione di quella risorsa potrebbe migliorare notevolmente le prospettive per le comunità affamate d'acqua, soprattutto perché l'acqua potabile diventa più scarsa, come prevedono i modelli di cambiamento climatico. Mentre circa un quinto dell'approvvigionamento idrico della nazione proviene da acque sotterranee dolci, meno dell'1% proviene attualmente da acque sotterranee salmastre.

Le scoperte, sulla base dell'analisi di un enorme set di dati di campioni di acqua provenienti da tutto il paese, appare nel diario Ricerca sull'acqua , in un articolo di Yvana Ahdab SM '17, uno studente laureato del MIT, con John Lienhard, l'Abdul Latif Jameel Professore di Acqua e Cibo, e altri tre.

"Fino a poco tempo fa, le acque sotterranee salmastre sono state una risorsa largamente trascurata, nonostante il suo potenziale per alleviare la crescente pressione sulle forniture di acqua dolce, " dice Ahdab.

Il progetto è iniziato quando Lienhard ha incontrato uno scienziato dell'USGS a una conferenza nel 2015 e ha appreso di una collezione di oltre 100, 000 campioni di acque sotterranee da pozzi, che era stato appena preso da quell'agenzia. "Sono rimasto affascinato, e mi sono chiesto cosa sappiamo su come la composizione delle acque sotterranee influenzi il processo di desalinizzazione, " ricorda. Ha discusso questa questione con Ahdab, che ha scoperto rapidamente che mentre la composizione dell'acqua di mare in tutto il mondo era stata ben studiata, non erano stati effettuati studi comparabili sulle acque sotterranee. (La composizione delle acque sotterranee varia molto più ampiamente, sia nella salinità che nella concentrazione di altre sostanze come calcio e solfato.) Il set di dati USGS è stato rilasciato pubblicamente l'anno scorso, ma al team del MIT è stato concesso l'accesso anticipato per iniziare a lavorarci in collaborazione con gli scienziati dell'USGS.

Mentre l'acqua di mare in tutto il mondo ha essenzialmente la stessa composizione con solo piccole variazioni, Ahdab spiega, "le acque sotterranee sono molto meno salate, circa un decimo tanto, e l'insieme di ioni [atomi o molecole carichi] è completamente diverso in ogni pozzo diverso."

A causa della minore concentrazione di sale nell'acqua salmastra, alcune tecnologie come la distillazione, che può avere senso per l'acqua di mare in alcune località, sarebbe molto inefficiente dal punto di vista energetico per la desalinizzazione dell'acqua salmastra, dice Lienhard. "L'osmosi inversa (RO) o l'elettrodialisi (ED) sono le due tecnologie di scelta, e sono i due che sono più comunemente usati."

Poiché l'acqua di mare è la principale materia prima per i sistemi di desalinizzazione esistenti, la tecnologia è stata principalmente sviluppata e ottimizzata per la composizione dell'acqua di mare. Poiché l'acqua salmastra è così diversa, Lienhard dice, "La domanda che ci interessa è:quanto spazio c'è per il miglioramento?" Il presente studio non esamina le tecnologie specifiche che potrebbero essere utilizzate, che saranno oggetto di ulteriori ricerche, ma guarda ai limiti teorici di quanto sarebbe possibile ridurre l'energia necessaria per desalinizzare l'acqua salmastra che ha una composizione particolare.

"Abbiamo scoperto che le composizioni rientrano in cinque classi, " dice Ahdab. "Alcuni sono dominati dal cloruro di sodio, bicarbonato di sodio, o solfato di sodio, mentre altri sono dominati da bicarbonato di calcio o solfato di calcio. Richiedono approcci molto diversi, in termini di tipo di pretrattamento necessario." La nuova analisi, che individua le specifiche composizioni dell'acqua fino al livello dei singoli pozzi, "contribuirà a guidare lo sviluppo di nuovi sistemi, " lei dice.

Il team ha scoperto che le acque sotterranee dominate dal sodio richiedono molta più energia per la desalinizzazione rispetto a quelle dominate dal calcio, così come quelli dominati dal cloruro rispetto a quelli dominati dal solfato. Quell'informazione, insieme alle mappe della composizione dell'acqua salmastra in tutto il paese, può aiutare a guidare i piani per lo sviluppo di nuove risorse idriche, dice Ahdab.

Inoltre, il team ha correlato la posizione delle fonti di acque sotterranee salmastre potenzialmente utilizzabili con le regioni che stanno subendo le maggiori sollecitazioni sulle loro riserve idriche. I risultati indicano luoghi specifici che presentano la combinazione più promettente di un elevato fabbisogno di acqua e un'elevata disponibilità di acqua salmastra trattabile, comprese parti della California meridionale, Arizona, e le aree del Midwest superiore. "C'è un'enorme quantità di acque sotterranee salmastre che possono essere desalinizzate per quantità di energia piuttosto basse, " dice Lienhard. Ma occorre lavorare di più per tradurre quel basso fabbisogno di energia in sistemi di desalinizzazione pratici che in realtà hanno costi altrettanto bassi, lui dice.

Mentre il set di dati più completo era basato sui pozzi statunitensi, il team ha anche esaminato altri, serie meno complete di campioni provenienti da un certo numero di altri paesi, e hanno scoperto che è probabile che le tendenze statunitensi nella composizione e nell'energia di desalinizzazione dell'acqua salmastra trattabile vengano replicate nella maggior parte del mondo.

Un grande vantaggio della desalinizzazione delle acque sotterranee salmastre piuttosto che dell'acqua di mare, dicono i ricercatori, è il tasso di recupero:mentre la desalinizzazione dell'acqua di mare produce tipicamente metà del suo volume in acqua dolce, la desalinizzazione dell'acqua salmastra può produrre fino al 90% di acqua dolce. Ciò rende anche l'ultima parte del processo molto più semplice. Poiché la salamoia residua dalla desalinizzazione salmastra è molto più concentrata, ce n'è in proporzione molto meno, che semplifica lo smaltimento. Infatti, Lienhard dice, potrebbe anche essere possibile far uscire l'acqua del tutto, lasciando solo sale solido che sarebbe ancora più facile da smaltire (o trovare usi per).

Prakash Rao, un ricercatore presso il Lawrence Berkeley National Laboratory, chi non è stato coinvolto in questa ricerca, afferma che "la carenza d'acqua negli Stati Uniti è imminente, e la comunità scientifica è necessaria per affrontare questa sfida. Maggiore utilizzo di approvvigionamenti idrici alternativi, come acqua salmastra, per soddisfare la crescente domanda di acqua negli Stati Uniti è probabile. Ma, attualmente l'acqua salmastra viene utilizzata raramente negli Stati Uniti. Ciò crea l'urgente necessità di comprendere meglio come utilizzare al meglio le nostre vaste risorse di acqua salmastra. Questo documento fornisce un importante contributo a questo fine".

Rao aggiunge che "Utilizzando l'approccio sviluppato in questo documento, agenzie per l'acqua, autorità idriche comunali, e i progettisti di sistemi di desalinizzazione possono prendere decisioni più informate."

E Rick Stover, direttore dell'Associazione internazionale di desalinizzazione, che non è stato coinvolto in questo studio, dice "Secondo me, il principale significato di questo lavoro è quanto siano complete la sua portata geografica e la sua analisi compositiva. Rappresenta una tabella di marcia per la desalinizzazione salmastra, soprattutto negli Stati Uniti."

Stover conclude che "La desalinizzazione salmastra diventerà probabilmente una delle principali fonti di approvvigionamento idrico per le località interne di tutto il mondo. Le informazioni presentate in questo documento forniscono informazioni essenziali per guidare tale sviluppo. È sia significativo che tempestivo".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.