Gli Stati Uniti e molte altre parti del mondo stanno subendo gli effetti della grave siccità. Una possibile soluzione è la desalinizzazione dell'acqua di mare, ma è un proiettile d'argento?

Gli Stati Uniti occidentali stanno attualmente vivendo quella che un paleoclimatologo ha definito "potenzialmente la peggiore siccità in 1, 200 anni." La regione ha avuto molte siccità in passato, compresi i "megasiccità" che durano decenni, ma il cambiamento climatico sta rendendo gli anni secchi più secchi e gli anni umidi più umidi. Temperature più elevate riscaldano il terreno e l'aria più velocemente, e l'aumento dell'evaporazione asciuga il terreno e diminuisce la quantità di precipitazioni che raggiunge i serbatoi. Il riscaldamento porta anche a una minore quantità di neve necessaria per ricostituire i fiumi, flussi, serbatoi e inumidire il terreno in primavera e in estate.

Circa il 44% degli Stati Uniti sta vivendo un certo livello di siccità con quasi il 10% di "siccità eccezionale". Attualmente gli incendi infuriano in 13 stati, aggravato dalle condizioni calde e secche. Ci sono stati tagli idrici senza precedenti al fiume Colorado, che fornisce acqua a sette stati, e arresti di centrali idroelettriche. Le falde acquifere delle città che dipendono dall'acqua di pozzo sono esaurite, costringendo i residenti a camion in acqua. Normalmente, l'agricoltura consuma oltre il 90 per cento dell'acqua in molti stati occidentali, ma la siccità ha fatto precipitare i raccolti; alcuni agricoltori hanno ridotto la loro superficie coltivata o hanno cambiato le colture con quelle a minore intensità d'acqua, mentre altri probabilmente andranno in bancarotta. Gli allevatori devono vendere parti delle loro mandrie. Ma anche se la gente del posto affronta queste difficoltà, sempre più persone si stanno spostando nella zona.

Tra il 1950 e il 2010 il tasso di crescita del sud-ovest è stato il doppio di quello del resto del paese. Si prevede che la popolazione degli Stati Uniti continuerà a crescere fino al 2040, con più della metà di tale crescita nelle aree che hanno sperimentato una grave siccità negli ultimi dieci anni. Molte persone continuano a trasferirsi in un'area che si prevede diventerà ancora più secca negli anni a venire, proprio come l'ultimo rapporto dell'IPCC prevede che il cambiamento climatico intensificherà la siccità in queste regioni.

Anche tutti gli altri continenti del mondo stanno attraversando una grave siccità, ad eccezione dell'Antartide. E le Nazioni Unite hanno avvertito che altri 130 paesi potrebbero affrontare la siccità entro il 2100 se non facciamo nulla per frenare il cambiamento climatico. Ma già nel 2025, due terzi della popolazione mondiale potrebbero dover affrontare carenze idriche, secondo il World Wildlife Fund. Ciò potrebbe causare conflitti, Instabilità politica, e lo spostamento di milioni di persone.

La scarsità di acqua dolce può anche rendere più difficile la decarbonizzazione della società, cosa che dobbiamo fare per prevenire cambiamenti climatici catastrofici, perché alcune strategie per farlo potrebbero ulteriormente stressare le risorse idriche. Idrogeno verde, considerata la chiave per eliminare le emissioni del trasporto aereo, spedizione, autotrasporti, e industria pesante, è prodotto dall'elettrolisi, che scinde l'acqua in idrogeno e ossigeno. Però, il processo richiede grandi quantità di acqua purificata. Una stima è che ne occorrono nove tonnellate per produrre una tonnellata di idrogeno, ma in realtà il processo di trattamento utilizzato per purificare l'acqua richiede il doppio di acqua impura. In altre parole, Sono davvero necessarie 18 tonnellate di acqua per produrre una tonnellata di idrogeno verde. Energia nucleare, visto dall'IPCC come uno strumento importante per raggiungere i nostri obiettivi climatici, dipende anche dall'acqua dolce per il raffreddamento, ma con l'aumentare della scarsità d'acqua, le centrali nucleari possono essere costrette a ridurre la loro capacità oa chiudere.

Dove c'è l'acqua

Mentre la maggior parte del nostro pianeta è coperto dall'acqua, solo il tre percento è acqua dolce e solo un terzo è disponibile per l'uomo poiché il resto è congelato nei ghiacciai o è inaccessibile in profondità nel sottosuolo. Nel frattempo, il riscaldamento globale continua a sciogliere più ghiacciai ogni anno e ad aumentare l'evaporazione, diminuire le nostre risorse di acqua dolce.

A causa della scarsità d'acqua, alcune parti del mondo si sono rivolte alla desalinizzazione per l'acqua potabile. La desalinizzazione (desalizzazione) comporta la rimozione di sale e minerali dall'acqua salata, solitamente acqua di mare. Questo processo avviene naturalmente mentre il sole riscalda l'oceano:l'acqua dolce evapora dalla superficie e poi cade sotto forma di pioggia. Le regioni aride come il Medio Oriente e il Nord Africa dipendono da tempo dalla tecnologia di desalinizzazione per la loro acqua dolce. Oggi oltre 120 paesi hanno impianti di desalinizzazione con l'Arabia Saudita che produce più acqua dolce attraverso la desalinizzazione di qualsiasi altra nazione. Gli Stati Uniti hanno anche un certo numero di impianti di desalinizzazione con il più grande nell'emisfero occidentale situato a Carlsbad, CIRCA. Un nuovo impianto di desalinizzazione da 1,4 miliardi di dollari a Huntington Beach, È probabile che la CA venga approvata a breve.

Approcci di desalinizzazione

La desalinizzazione viene solitamente eseguita in due modi. La distillazione termica comporta l'ebollizione dell'acqua di mare, che produce vapore che lascia dietro di sé sale e minerali. Il vapore viene quindi raccolto e condensato mediante raffreddamento per produrre acqua pura. Il secondo metodo è la filtrazione a membrana che spinge l'acqua di mare attraverso membrane che intrappolano il sale e i minerali da un lato e lasciano passare l'acqua pura.

Prima degli anni '80, L'84 percento della desalizzazione utilizzava il metodo della distillazione termica. Oggi, circa il 70 percento della desalinizzazione mondiale viene effettuato con un metodo di filtrazione a membrana chiamato osmosi inversa perché è il metodo più economico ed efficiente. Nell'osmosi naturale, le molecole si muovono spontaneamente attraverso una membrana da una soluzione con sostanze meno disciolte a una soluzione più concentrata, pareggiando le due parti. Ma in osmosi inversa, l'acqua più salata si muove attraverso una membrana verso una soluzione meno salata. Perché questo sta lavorando contro l'osmosi naturale, l'osmosi inversa richiede un'alta pressione per spingere l'acqua attraverso le membrane semipermeabili. L'acqua dolce risultante viene quindi sterilizzata, solitamente con luce ultravioletta.

Preoccupazioni per la desalinizzazione

Sebbene la desal possa essere l'unica soluzione per alcune regioni, è costoso, consuma una grande quantità di energia e ha un impatto ambientale dannoso.

"La desalinizzazione dell'acqua di mare è uno dei modi più costosi per ottenere acqua, " disse Ngai Yin Yip, assistente professore di ingegneria della terra e dell'ambiente alla Columbia University. "Questo ha solo a che fare con il fatto che togliere il sale dall'acqua non è una cosa facile da fare. Ma dobbiamo avere l'acqua, non c'è proprio alcun sostituto per l'acqua. Quindi può essere costoso. Ma il fatto che non possiamo sopravvivere senza acqua significa che è un costo necessario".

Gli impianti di desalinizzazione su larga scala sono molto costosi da costruire e gli impianti consumano una grande quantità di energia. Gli impianti di distillazione termica richiedono energia per far bollire l'acqua in vapore ed elettricità per azionare le pompe. L'osmosi inversa non richiede energia per generare calore, ma fa affidamento sull'energia per l'elettricità per azionare le sue pompe ad alta pressione. Inoltre, l'incrostazione delle membrane da parte di sali meno solubili, sostanze chimiche, e i microrganismi possono influire sulla loro permeabilità e ridurre la produttività, aggiungendo ai costi di manutenzione e operativi.

Secondo Yip, il modo più economico per procedere alla desalinizzazione è mirare a fonti di acqua che contengono meno sale, come le acque sotterranee. "Meno sale c'è, meno lavoro devi fare per toglierlo, " ha detto. "Quindi da una prospettiva puramente economica, le acque sotterranee sarebbero più economiche dell'acqua di mare." La desalinizzazione delle acque sotterranee può essere effettuata in modo sostenibile nei luoghi in cui è abbondante. Ma dove sta diminuendo, il prelievo di acque sotterranee può portare al cedimento del suolo, o nelle zone costiere, all'intrusione di acqua salata della falda acquifera. Se non sono disponibili acque sotterranee, Yip ritiene che l'osmosi inversa dell'acqua di mare sia la migliore tecnologia da utilizzare.

Molte piante mediorientali, però, utilizzare vecchi impianti termici che funzionano con combustibili fossili. Di conseguenza, gli impianti di desal sono attualmente responsabili dell'emissione di 76 milioni di tonnellate di CO ₂ ogni anno. Poiché si prevede un aumento della domanda di desal, le emissioni globali legate al desal potrebbero raggiungere i 400 milioni di tonnellate di CO ₂ all'anno entro il 2050.

Desal ha anche impatti sull'ambiente marino a causa della quantità di salamoia che produce. Per ogni unità di acqua pura prodotta, circa 1,5 unità di salamoia concentrata, due volte più salata dell'acqua di mare e inquinata con rame e cloro usati per pretrattare l'acqua per evitare che sporchi le membrane. Globalmente, ogni giorno oltre 155 milioni di tonnellate di salamoia vengono scaricate nuovamente nell'oceano. Se la salamoia viene rilasciata in una zona tranquilla dell'oceano, affonda sul fondo dove può minacciare la vita marina. Uno studio del 2019 sull'impianto di desalinizzazione di Carlsbad vicino a San Diego che diluisce la sua salamoia prima di rilasciarla, scoperto che non vi erano impatti diretti sulla vita marina, però, i livelli di sale hanno superato i limiti consentiti e il pennacchio di salamoia si è esteso più al largo di quanto consentito.

Migliorare la desalinizzazione

I ricercatori di tutto il mondo stanno tentando di risolvere le sfide di desal. Ecco alcuni esempi di alcune delle loro soluzioni.

Energia rinnovabile

NEOM è una città-stato futuristica da 500 miliardi di dollari in costruzione nel nord-ovest dell'Arabia Saudita lungo le rive del Mar Rosso. Per fornire acqua per il milione stimato di futuri residenti, it will construct an innovative solar desal system comprising a dome of glass and steel 25 meters high over a cauldron of water. Seawater is piped through a glass enclosed aqueduct and heated by the sun as it travels into the dome. Là, parabolic mirrors concentrate solar radiation onto the dome, superheating the seawater. As it evaporates, highly pressurized steam is released and condenses as fresh water, which is piped to reservoirs and irrigation systems. The system is completely carbon neutral and theoretically reduces the amount of brine waste produced. NEOM, expected to be completed in 2025, claims it will produce 30, 000 cubic meters of fresh water per hour at 34 cents per cubic meter.

The U.S. Army and the University of Rochester researchers have developed a simple and efficient method of desalinating water also dependent on the sun's energy. Using a laser treatment, they created a "super-wicking" aluminum panel with a grooved black surface that makes it super absorbent, enabling it to pull water up the panel from a water source. The black material, heated by the sun, evaporates the water, a process made more efficient because of its super-wicking nature. The water is then collected, leaving contaminants behind on the panel, which is easy to clean. It can be reconfigured and also be angled to face the sun, absorbing maximum sunlight, and because it is moveable, could easily be used by military troops in the field. Larger panels would potentially enable the process to be scaled up.

European companies are developing the Floating WINDdesal in the Middle East, a seawater desal plant powered almost entirely by wind energy. The floating semi-submersible plant is being built in three sizes, with the largest expected to be able to produce enough water for 500, 000 persone. The plants can be moved by sea, making them easy to mobilize for emergencies and can be deployed in deeper water where brine disposal would have less impact on marine life. Because they float, they will not be affected by rising sea levels.

membrane

Membrane research is focused on increasing membrane permeability which would reduce the amount of pressure needed, reducing the fouling that occurs, and making membranes more resilient to high pressure.

A discovery by scientists at the University of Texas, Penn State and DuPont could improve the flow of water through membranes and increase their efficiency, which would mean that reverse osmosis would not require as much pressure. Using an electron microscope technique, the researchers discovered that the densely packed polymers that make up even the thinnest membranes could slow the water flow. The most permeable membranes are those that are more uniformly dense at the nanoscale, and not necessarily the thinnest. The discovery could help makers of membranes improve their performance.

Reverse osmosis desal is hindered when microorganisms grow on the membrane surface, slowing the flow of water. Some coatings that have been used to prevent this "biofouling" of membranes are hard to remove, so they result in more energy use as well as more chemicals released into the sea. King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) researchers created a nontoxic coating that adheres to the membrane and can be removed with a flush of high-saline solution.

Desal without membranes

Columbia University engineers led by Yip, developed a method called temperature swing solvent extraction (TSSE) that doesn't use membranes at all to desalinate. The efficient, scalable, and low-cost technique uses a solvent whose water solubility—the amount of a chemical substance that can dissolve in water—changes according to temperature.

At low temperatures, the solvent mixed with salt water draws in water molecules but not salt. After all the water is sucked into the solvent, the salts form crystals that can easily be removed. The solvent and its absorbed water are then heated to a moderate temperature, enabling the solvent to release the water, which forms a separate layer below. The water can then be collected. Yip explained that the process is designed to deal with very salty water, which reverse osmosis cannot handle. Per esempio, the water that comes up during oil and gas extraction can be five to seven times saltier than regular seawater. The textile industry also produces very salty water because of the solutions it uses to dye cloth. According to Yip, TSSE is not the best way to obtain drinking water, but it could help replenish our water resources for other needs.

Brine

Brine impacts can be lessened by how much brine is discharged and how the desal process is carried out.

Stanford University researchers have developed a device that can turn brine into useful chemicals.Through an electrochemical process, it splits the brine into positively charged sodium and negatively charged chlorine ions. These can then be combined with other elements to form sodium hydroxide, idrogeno, and hydrochloric acid. Sodium hydroxide can be used to pretreat seawater going into the desal plant to minimize fouling of the membranes. It is also involved in the manufacture of soap, carta, detergents, explosives and aluminum. Hydrochloric acid is useful for cleaning desal plants, producing batteries, and processing leather; it is also used as a food additive and is a source of hydrogen. Turning brine components into chemicals that have other purposes would decrease brine waste and its environmental damage, as well as improve the economic viability of desalination.

Diluting brine can also lessen its impacts. "You take more seawater, and you premix it [with the brine] in an engineered reactor, " said Yip. "Now the salinity of that mix is not two times saltier than seawater. It's still saltier than seawater, but it's lower. And instead of discharging it at one point, you discharge it at several points with diffusers. These are engineering approaches to try to minimize the impacts of brine, " Lui ha spiegato.

Other solutions for the drought

Despite improvements in desal's environmental and economic profile, però, it is still an expensive solution to water scarcity. This is especially so given that most water in the U.S. is used for agriculture, taking showers, and flushing toilets. Newsha Ajami, the director of urban water policy at Stanford, said "I disagree with using tons of resources to clean the water up just to flush it down the toilet."

Water recycling

Paulina Concha Laurrari, a senior staff associate at the Columbia Water Center, said "Water reuse definitely has to be an important part of the solution. Our wastewater can get treated, either to potable standards, like it's been done in other parts of the world and even in California, or to a different standard that can be used for agriculture or other things."

Recycling the approximately 50 million tons of municipal wastewater that is discharged daily around the U.S. into the ocean or an estuary could supply 6 percent of the nation's total water use. Recycled water can be used for irrigation, watering lawns, parks and golf courses, for industrial use and for replenishing aquifers. The House of Representatives is considering a bill that would direct the Secretary of the Interior to establish a program to fund water recycling projects and build water recycling facilities in 17 western states through 2027.

The technology to recycle water has been around for 50 years. Wastewater treatment facilities add microbes to wastewater to consume the organic matter. Membranes then are used to filter out bacteria and viruses, and the filtered water is treated with ultraviolet light to kill any remaining microbes. The water can be used for agriculture or industry, or it can be pumped into an aquifer for storage. When it is needed for drinking water, it can be pumped out and repurified. If the water is for human consumption, some minerals are added back in to make it more drinkable.

Waste not

Every year in the U.S., approximately 9 billion tons of drinking water are lost due to leaking faucets, pipes and water mains, and defective meters. President Biden's $1.2 billion infrastructure plan includes substantial sums for upgrading clean drinking water and wastewater infrastructure.

Negli Stati Uniti., 42 billion tons of untreated stormwater enter the sewage system and waterways and ultimately the ocean each year. This means that the rainwater that could soak into the ground to replenish groundwater supplies is lost. Infrastrutture verdi, such as green roofs, giardini della pioggia, alberi, and rain barrels, would reduce some of this water waste.

Sensible water use

It's also important to figure out how to put the water that's available to the best use in a particular area. "Per esempio, having a better planning strategy of what is the best use for water, like what to plant where, " said Laurrari. "Instead of using it, dire, for alfalfa, how do we use it for higher value crops? Or even tell farmers, "I will pay you not to use this water' and the state can have it to replenish our aquifers or to source cities or something else."

Determining the most reasonable and economical uses for water would help everyone understand and appreciate its true value. "In some of these places where they're having droughts, there are still people who are watering their lawns, and happily paying the fine, " said Yip. "So really, there's a mismatch between what is happening and what the reality is. We need to adjust our activities such that we are not putting that kind of a human-imposed strain on the water supply. We need to be thinking about how we make drastic wholesale changes to the way we organize our activities that actually make sense."

Israel's example

Israel is located in one of the driest regions of the world and has few natural water resources, però, it is considered "the best in the world in water efficiency" according to Global Water Intelligence, an international water industry publisher.

Israeli children are taught about water conservation beginning in preschool, and adults are reminded not to waste water in television ads. Low-flow showerheads and faucets are mandatory, and Israeli toilets usually have two different flushing options for urine and bowel movements. The country adopted drip irrigation, which uses half the water than does traditional irrigation while producing more yield. Israel also resolutely attends to small leaks in pipes before they become large. Inoltre, 75 percent of its wastewater is recycled, more than that of any other country. And because Israelis pay for their water themselves, they are careful about how much they use and readily adopt water-saving technology. Di conseguenza, it's estimated that the average Israeli consumes half as much water each day as the average American.

Israel began desalination in the 1960s. Today it has five desal plants with two more on the way and will soon get 90 percent of its water from desal.

While Israel has invested a lot of money in desal, it has also made huge investments in water awareness and water efficiency. These other measures enabled the country to delay building desal plants and build them more economically and smaller than they would otherwise have needed to be because the citizens were already conserving water.

101 things you can do

Here are 100 ways to conserve water.

And one more. "Become more actively involved with the decisions that government makes in terms of investments of infrastructure, " said Laurrari, "Because yes, you can conserve water at home, but what is really going to matter is what's done at the larger scale by politicians. So having a more active role, knowing where your water comes from, and what your local issues are is important."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione dell'Earth Institute, Columbia University http://blogs.ei.columbia.edu.