La sicurezza idrica sta diventando una sfida globale urgente. Centinaia di milioni di persone vivono già in regioni con scarsità d'acqua, e le Nazioni Unite prevedono che entro il 2030 circa la metà della popolazione mondiale vivrà in aree a forte stress idrico. Questa sarà una crisi anche per i paesi sviluppati come gli Stati Uniti, dove i gestori dell'acqua in 40 stati prevedono carenze di acqua dolce entro i prossimi 10 anni. Con la crescita della popolazione mondiale e del PIL, così sarà la domanda di acqua dolce. E, con il continuo aumento delle temperature globali, la scarsità d'acqua non farà che peggiorare.

Si fa sempre più affidamento sui processi di desalinizzazione per aumentare le riserve idriche. Infatti, Si prevede che la capacità globale di desalinizzazione raddoppierà tra il 2016 e il 2030. Ma questi processi sono costosi e possono essere dannosi per l'ambiente. Le salamoie ad altissima salinità che sono il sottoprodotto della desalinizzazione possono essere diverse volte quella della salinità dell'acqua di mare e le sue opzioni di gestione sono particolarmente difficili per gli impianti di desalinizzazione interni come quelli in Arizona, California, Florida, e Texas.

Durante l'ultimo anno, I ricercatori della Columbia Engineering hanno perfezionato il loro approccio di desalinizzazione non convenzionale per le salamoie ipersaline - estrazione con solvente a variazione di temperatura (TSSE) - che mostra grandi promesse per un uso diffuso. La TSSE è radicalmente diversa dai metodi convenzionali perché è una tecnica di estrazione a solvente che non utilizza membrane e non si basa sul cambiamento di fase evaporativo:è efficace, efficiente, scalabile, e alimentato in modo sostenibile. In un nuovo documento, pubblicato online il 23 giugno in Scienze e tecnologie ambientali , il team riferisce che il loro metodo ha permesso loro di ottenere lo scarico zero-liquido (ZLD) efficiente dal punto di vista energetico di salamoie ad altissima salinità, la prima dimostrazione di TSSE per la desalinizzazione ZLD di salamoie ipersaline.

"Lo scarico zero-liquido è l'ultima frontiera della desalinizzazione, " dice Ngai Yin Yip, un assistente professore di ingegneria della terra e dell'ambiente che ha guidato lo studio. "Evaporare e condensare l'acqua è la pratica corrente per la ZLD, ma richiede molta energia e un costo proibitivo. Siamo stati in grado di ottenere la ZLD senza far bollire l'acqua:questo è un importante passo avanti per la desalinizzazione delle soluzioni saline ad altissima salinità che dimostra come la nostra tecnica TSSE può essere una tecnologia trasformativa per l'industria idrica globale".

Il processo TSSE di Yip inizia con la miscelazione di un solvente a bassa polarità con la salamoia ad alta salinità. A basse temperature (il team ha usato 5 °C), il solvente TSSE estrae l'acqua dalla salamoia ma non i sali (che sono presenti nella salamoia come ioni). Controllando il rapporto tra solvente e salamoia, il team può estrarre tutta l'acqua dalla salamoia nel solvente per indurre la precipitazione dei sali, dopo che tutta l'acqua è stata "risucchiata" nel solvente, i sali formano cristalli solidi e cadono sul fondo, che poi può essere facilmente setacciato.

Dopo che i ricercatori hanno separato i sali precipitati, riscaldano il solvente carico d'acqua ad una temperatura moderata di circa 70 °C. A questa temperatura più alta, la solubilità del solvente per l'acqua diminuisce e l'acqua viene espulsa dal solvente, come una spugna. L'acqua separata forma uno strato al di sotto del solvente e ha molto meno sale della salamoia iniziale. Può essere facilmente travasato e il solvente rigenerato può quindi essere riutilizzato per il successivo ciclo TSSE.

"Non ci aspettavamo che TSSE funzionasse così bene, " Yip dice. "In effetti, quando discutevamo del suo potenziale per ZLD, pensavamo proprio il contrario, che il processo potrebbe cedere ad un certo punto quando c'è troppo sale per continuare a funzionare. Quindi è stata una felice sorpresa quando ho convinto il ricercatore capo Chanhee Boo a fare un tentativo, per il gusto di farlo, un venerdì pomeriggio e abbiamo ottenuto ottimi risultati".

Con un'alimentazione di salamoia simulata (preparata in laboratorio) di 292, 500 parti per milione di solidi disciolti totali, Il gruppo di Yip è stato in grado di far precipitare più del 90% del sale nella soluzione originale. Inoltre, i ricercatori hanno stimato che il processo utilizzava solo circa un quarto dell'energia necessaria per l'evaporazione dell'acqua, un risparmio energetico del 75% rispetto all'evaporazione termica della salamoia. Hanno riutilizzato il solvente per diversi cicli senza evidenti perdite di prestazioni, dimostrando che il solvente è stato conservato e non consumato durante il processo.

Quindi, per dimostrare l'applicabilità pratica della tecnologia, il team ha prelevato un campione sul campo di salamoia ad alta salinità, il concentrato di acqua di drenaggio per irrigazione nella Central Valley della California, dove l'acqua di drenaggio dell'irrigazione è difficile e costosa da trattare, e ha raggiunto ZLD con TSSE.

I metodi di distillazione convenzionali richiedono vapore di alta qualità e sono spesso integrati con elettricità per alimentare le pompe per vuoto. Poiché TSSE richiede solo ingressi a temperatura moderata, l'energia termica di basso grado necessaria può provenire da fonti più sostenibili, come il calore di scarto industriale, geotermico poco profondo, e collettori solari a bassa concentrazione.

"Con il giusto solvente e le giuste condizioni di temperatura, siamo in grado di fornire opzioni di gestione dei concentrati convenienti e sostenibili dal punto di vista ambientale per gli impianti di desalinizzazione interni, utilizzando le acque sotterranee salmastre per alleviare gli stress idrici attuali e in sospeso, "Yip note.

Oltre a gestire i concentrati di dissalazione interni, TSSE può essere utilizzato anche per altre salamoie ad alta salinità, compreso il riflusso e l'acqua prodotta dall'estrazione di petrolio e gas, flussi di rifiuti da centrali elettriche a vapore, scarichi da carbone a impianti chimici, e percolato di discarica. Il gruppo di Yip sta continuando a studiare i meccanismi di funzionamento fondamentali della TSSE, per progettare ulteriori miglioramenti nelle sue prestazioni. Questo lavoro include ulteriori test con campioni reali dal campo, così come l'ottimizzazione dell'intero processo.

The study is titled "Zero Liquid Discharge of Ultrahigh Salinity Brines with Temperature Swing Solvent Extraction."