พลังงานและสิ่งแวดล้อม

การเปลี่ยนน้ำทะเลเป็นน้ำดื่มจะช่วยขาดแคลนน้ำได้หรือไม่?

การเปลี่ยนน้ำทะเลเป็นน้ำดื่มจะช่วยขาดแคลนน้ำได้หรือไม่?

เชื่อหรือไม่ แต่มีปัญหาเพิ่มมากขึ้นเกี่ยวกับการได้รับน้ำจืดที่สะอาดและดื่มได้ในหลายส่วนของโลก ด้วยการผสมผสานระหว่างกิจกรรมของมนุษย์และการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศหลายคนคาดการณ์ว่าวิกฤตน้ำโลกครั้งร้ายแรงจะมาถึงเราในไม่ช้า

ด้วยเหตุนี้นักวิจัยจึงมองหาวิธีการสร้างน้ำจืดเทียม เรียกว่าการกลั่นน้ำทะเลสามารถเปลี่ยนน้ำเค็มเช่นน้ำทะเลให้เป็นน้ำจืดได้หรือไม่?

วิกฤตน้ำจืดคืออะไร?

"ดาวเคราะห์สีฟ้า" ของเราได้รับการตั้งชื่ออย่างเหมาะสม ด้วยคร่าวๆ 70% จากพื้นผิวที่ปกคลุมไปด้วยน้ำดูเหมือนจะอธิบายไม่ได้ว่าน้ำอาจถือได้ว่าเป็นทรัพยากรที่หายากในหลาย ๆ ส่วนของโลกที่ไม่ได้เป็นพื้นที่ทะเลทราย

ปัญหาคือน้ำนี้ส่วนใหญ่เป็นน้ำทะเลซึ่งไม่สามารถดื่มได้อย่างแน่นอนเนื่องจากอิ่มตัวด้วยเกลือ ของน้ำโลกรอบ ๆ เท่านั้น 3% ของสดและปลอดภัยที่จะดื่ม

แต่รอบ ๆ 1% ของน้ำจืดที่มีอยู่นั้นสามารถเข้าถึงได้ง่ายสำหรับการใช้งานของมนุษย์ ส่วนที่เหลือส่วนใหญ่ถูกขังอยู่ในธารน้ำแข็งน้ำแข็งปกคลุมดินถาวรหรือฝังลึกลงไปในพื้นดิน

ซึ่งหมายความว่าเฉพาะรอบ ๆ 0.007% ของน้ำบนโลกมีให้ใช้งานได้จริงสำหรับประชากรทั่วโลกที่เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ปัญหาอีกประการหนึ่งคือน้ำจืดที่เข้าถึงได้ง่ายนี้ไม่ได้กระจายไปทั่วโลกอย่างเท่าเทียมกัน

ที่เกี่ยวข้อง: วิกฤตน้ำจืดและการกำจัดพืช

เนื่องจากน้ำที่ดื่มได้เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับสิ่งมีชีวิตบนโลกจึงไม่เหมาะอย่างยิ่งสำหรับสถานที่ที่ "ขาดแคลนน้ำ" แต่เรายังใช้น้ำในการผลิตอาหารเสื้อผ้าสร้างสิ่งต่างๆเช่นคอมพิวเตอร์และรถยนต์และเพื่อการสุขาภิบาลเพื่อตั้งชื่อ แต่บางสิ่ง

มีความสำคัญต่อชีวิตมนุษย์ทุกด้าน

National Geographic อธิบายว่าเหตุใด "เนื่องจากสภาพภูมิศาสตร์สภาพภูมิอากาศวิศวกรรมกฎระเบียบและการแย่งชิงทรัพยากรบางภูมิภาคดูเหมือนจะล้างออกด้วยน้ำจืดในขณะที่บางภูมิภาคต้องเผชิญกับความแห้งแล้งและมลภาวะที่ทำให้ร่างกายอ่อนแอลงในประเทศกำลังพัฒนาส่วนใหญ่น้ำสะอาดก็เป็นเช่นกัน ยากที่จะได้มาหรือเป็นสินค้าที่ต้องใช้แรงงานหนักหรือเงินตราที่สำคัญเพื่อให้ได้มา "

ปัญหาอีกประการหนึ่งคือปริมาณน้ำจืดบนโลกยังคงค่อนข้างคงที่เป็นเวลาหลายพันล้านปี

ในความเป็นจริงมันเป็นไปได้ว่าในช่วงหนึ่งของชีวิตคุณได้กินโมเลกุลของน้ำที่ไดโนเสาร์เมาจูเลียสซีซาร์หรือบุคคลอื่นในประวัติศาสตร์ ค่อนข้างเป็นความคิดที่น่าทึ่ง

อุณหภูมิโลกที่สูงขึ้นในช่วงสองสามทศวรรษที่ผ่านมาดูเหมือนว่าจะเพิ่มความเป็นไปได้ที่จะเกิดเหตุการณ์สภาพอากาศที่รุนแรงรวมถึงความแห้งแล้งในพื้นที่ที่อ่อนแอของโลก สำหรับพื้นที่ที่ได้รับผลกระทบการขาดแคลนน้ำเป็นปัญหาที่ร้ายแรงมาก

ด้วยจำนวนประชากรที่เพิ่มขึ้นทุกปีและการใช้น้ำเพื่อการเกษตรกรรมหรือสินค้าอุปโภคบริโภคที่ใช้แล้วทิ้งมากเกินไปบางส่วนของโลกกำลังเผชิญกับ "วิกฤตน้ำจืด" อย่างแท้จริง

แต่มนุษย์เป็นเพียงความคิดสร้างสรรค์ เราสามารถใช้เทคโนโลยีของเราเพื่อ จำกัด ผลกระทบของวิกฤตนี้ได้หรือไม่? บางทียัง "สร้าง" น้ำจืด?

มาหาคำตอบกัน

การดื่มน้ำเค็มจากทะเลปลอดภัยหรือไม่?

คำตอบสั้น ๆ คือแน่นอนไม่ การดื่มน้ำเกลือเช่นน้ำทะเลอาจเป็นอันตรายต่อมนุษย์ (และสิ่งมีชีวิตอื่น ๆ อีกมากมาย)

น้ำทะเลอย่างที่เราแน่ใจว่าคุณรู้มากกว่านั้นมีเกลือจำนวนมาก เมื่อคุณดื่มคุณจะได้รับน้ำทั้งสอง (ซึ่งดี) แต่ยังรวมถึงเกลือเหล่านี้ด้วย

ในขณะที่คุณสามารถบริโภคเกลือในปริมาณเล็กน้อยได้อย่างมีความสุข แต่ปริมาณในน้ำทะเลนั้นสูงเกินกว่าที่ร่างกายของคุณจะสามารถประมวลผลได้อย่างมีประสิทธิภาพ

เซลล์ในร่างกายของคุณขึ้นอยู่กับโซเดียมคลอไรด์ (เกลือแกง) ซึ่งเป็นปริมาณโซเดียมเป็นหลักเพื่อรักษาสมดุลทางเคมีและปฏิกิริยาของร่างกาย แต่มากเกินไปอาจถึงตายได้

เนื่องจากไตของคุณโดยเฉพาะเนเฟอร์รอนสามารถสร้างปัสสาวะที่มีน้ำเกลือน้อยกว่าน้ำทะเลเท่านั้น ซึ่งหมายความว่าหากคุณต้องดื่มน้ำทะเลโดยเฉพาะจะต้องใช้น้ำมากกว่าเพื่อเจือจางเกลือและฉี่ออกมามากกว่าน้ำที่คุณได้รับจากการดื่ม

กล่าวอีกนัยหนึ่งคุณจะสูญเสียน้ำสุทธิ ด้วยเหตุนี้ในที่สุดคุณก็จะขาดน้ำ (และกระหายน้ำมากขึ้นเรื่อย ๆ เมื่อเวลาผ่านไป) หากแหล่งน้ำเดียวของคุณคือน้ำทะเล

ด้วยเหตุนี้คุณจึงไม่ควรดื่มน้ำทะเลในปริมาณมาก

มีวิธีใดบ้างในการกรองน้ำออก

ด้วยน้ำที่มีอยู่เพียงเล็กน้อยของโลกเป็นน้ำจืดคุณอาจสงสัยว่ามีวิธีใดบ้างที่เราสามารถแตะอ่างเก็บน้ำขนาดใหญ่ของแหล่งน้ำอื่น ๆ บนโลกเช่นทะเลได้ ปรากฎว่าเราทำได้แม้ว่าจะต้องใช้ความพยายามและค่าใช้จ่ายมหาศาล

ในปัจจุบันมีวิธีการกรองน้ำทะเลอย่างน้อยสามวิธีหลัก:

  • การกลั่นน้ำทะเลด้วยความร้อน (การกลั่น)
  • การกรองน้ำด้วยไฟฟ้า
  • การกรองน้ำด้วยความดัน (ออสโมซิสย้อนกลับ)

การกรองน้ำด้วยความร้อน หรือที่เรียกว่าการกลั่นเป็นสิ่งที่เก่าแก่ที่สุดในสามอันดับแรกและมีการใช้งานมาหลายพันปีแล้ว ต้มน้ำเค็มจากนั้นไอน้ำจะถูกทำให้เย็นลงและควบแน่นเป็นน้ำจืดโดยทิ้งผลึกเกลือไว้ในภาชนะที่อุ่น

อย่างไรก็ตามวิธีนี้ต้องลงทุนอย่างมากในด้านพลังงานเพื่อให้บรรลุ วิธีการที่ทันสมัยมากขึ้นตามที่มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดกล่าวว่า "ใช้เทคนิคต่างๆเช่นภาชนะที่มีแรงดันต่ำเพื่อลดอุณหภูมิการเดือดของน้ำและลดปริมาณพลังงานที่ต้องใช้ในการแยกเกลือออก"

การกรองน้ำทะเลรูปแบบนี้ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในสถานที่ต่างๆเช่นตะวันออกกลางซึ่งทรัพยากรไฮโดรคาร์บอนที่อุดมสมบูรณ์พร้อมช่วยลดต้นทุนเชื้อเพลิง การกรองน้ำทะเลด้วยความร้อนมีแนวโน้มที่จะประกอบด้วยกระบวนการทางความร้อนขนาดใหญ่สามกระบวนการที่สำคัญ

เหล่านี้คือ:

  • การกลั่นแฟลชหลายขั้นตอน (MSF)
  • การกลั่นแบบหลายเอฟเฟกต์ (MED)
  • การกลั่นด้วยการอัดไอ (VCD)

ยังมีวิธีการระบายความร้อนอีกวิธีหนึ่ง การกลั่นพลังงานแสงอาทิตย์โดยทั่วไปจะใช้สำหรับอัตราการผลิตที่น้อยมาก นอกจากนี้ยังนิยมใช้ในการผลิตเกลือเพื่อรับประทานโดยการวางน้ำทะเลไว้ในแอ่งน้ำตื้น ๆ และรอให้น้ำจืดระเหยตามธรรมชาติทิ้งเกลือทะเลไว้ข้างหลัง

อีกวิธีหนึ่งในการกำจัดเกลือออกจากน้ำทะเลคือการใช้เมมเบรนเพื่อแยกเกลือออก สามารถทำได้โดยใช้กระแสไฟฟ้าหรือแรงดัน

อีกครั้งวิธีการเหล่านี้ส่วนใหญ่ใช้ในสถานที่ที่มีแหล่งพลังงานมากมายเช่นสหรัฐอเมริกา

การกรองน้ำด้วยไฟฟ้าตัวอย่างหนึ่งของการกลั่นน้ำทะเลโดยใช้เมมเบรนใช้กระแสไฟฟ้าเพื่อแยกโมเลกุลของเกลือและน้ำ ด้วยวิธีนี้กระแสไฟฟ้าจะขับเคลื่อนไอออนผ่านเมมเบรนที่เลือกซึมผ่านได้ซึ่งมีเกลืออยู่ด้วย

เมมเบรนที่สามารถซึมผ่านได้คือสิ่งที่อนุญาตให้โมเลกุลบางชนิดผ่านไปยังการยกเว้นของผู้อื่น เยื่อสังเคราะห์หรือพอลิเมอร์ถูกสร้างขึ้นสำหรับการวิจัยและกระบวนการทางอุตสาหกรรมต่างๆ

มีสองวิธีการแยกเกลือออกจากเยื่อกรองไฟฟ้าที่สำคัญ:

  • Electrodialysis (ED).
  • การย้อนกลับด้วยไฟฟ้า (EDR)

วิธีการกรองเกลือออกจากเกลือทั้งสองวิธีนี้ต้องการพลังงานในปริมาณที่แตกต่างกันเพื่อให้ได้มาซึ่งขึ้นอยู่กับปริมาณเกลือของแหล่งน้ำ แม้ว่าจะเหมาะสำหรับใช้กับความเข้มข้นของเกลือที่ต่ำกว่า แต่ก็ใช้พลังงานมากเกินไปสำหรับการใช้กับน้ำทะเล

Reverse Osmosis เป็นอีกรูปแบบหนึ่งของการกรองน้ำทะเลที่ใช้แรงดันในการขับน้ำผ่านเมมเบรนที่เลือกซึมผ่านได้ กระบวนการนี้เช่นเดียวกับกระบวนการอื่น ๆ คือการแยกเกลือออกจากสารละลาย

คล้ายกับการแยกเกลือออกจากน้ำด้วยไฟฟ้าอย่างเห็นได้ชัดปริมาณพลังงานที่ต้องใช้ในการ Reverse Osmosis ในปริมาณมากขึ้นอยู่กับปริมาณเกลือเริ่มต้นของน้ำ สำหรับน้ำทะเลพลังงานที่ต้องการหมายความว่าไม่สามารถประหยัดได้ในสถานการณ์ส่วนใหญ่

ในฐานะที่เป็นรูปแบบการกรองน้ำทะเลที่พบบ่อยที่สุดคุณควรพิจารณารายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับกระบวนการนี้

Reverse Osmosis คืออะไรและ Reverse Osmosis ทำงานอย่างไร?

ตามที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้การ Reverse Osmosis เป็นกระบวนการกรองน้ำทะเลที่ใช้แรงดันเพื่อผลักโมเลกุลของน้ำผ่านเมมเบรน ซึ่งแตกต่างจากการกรองแบบปกติ (ซึ่งสิ่งสกปรกบางอย่างจะไม่รวมตามขนาด) การ Reverse Osmosis เกี่ยวข้องกับการแพร่กระจายของตัวทำละลายผ่านเมมเบรนที่อนุญาตให้น้ำผ่านเท่านั้น

การออสโมซิสปกติเกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ตามธรรมชาติของตัวทำละลายจากบริเวณที่มีความเข้มข้นของตัวทำละลายต่ำ (ศักยภาพของน้ำสูง) ไปยังความเข้มข้นของตัวถูกละลายสูง (ศักยภาพของน้ำต่ำ) จนกว่าจะได้ความสมดุล ในการ Reverse Osmosis ตามชื่อที่แนะนำน้ำจะถูกดึงออกมาจากน้ำป้อนที่มีความเข้มข้นสูงของตัวทำละลาย (เช่นน้ำทะเล) โดยใช้ความดันเพื่อย้อนกลับการไหลตามธรรมชาติของตัวทำละลายในระหว่างการออสโมซิส

นอกเหนือจากความดันแล้วหนึ่งในองค์ประกอบหลักของกระบวนการ Reverse Osmosis คือการใช้เมมเบรนแบบเลือกซึมได้

เมมเบรนนี้ช่วยให้อนุภาคบางชนิดผ่านไปได้โดยส่วนใหญ่เป็นน้ำทิ้งตัวถูกละลาย (เช่นเกลือ) และสารปนเปื้อนอื่น ๆ ในการ Reverse Osmosis จะใช้เมมเบรนแบบฟิล์มบาง (TFC หรือ TFM) เพื่อจุดประสงค์นี้

เมมเบรนเหล่านี้ผลิตขึ้นสำหรับระบบกรองน้ำและกรองน้ำทะเลเป็นหลัก นอกจากนี้ยังมีคุณสมบัติบางอย่างที่ทำให้มีประโยชน์สำหรับใช้กับแบตเตอรี่และเซลล์เชื้อเพลิงบางชนิด

โดยทั่วไปเยื่อเหล่านี้สร้างขึ้นจากวัสดุสองชั้นขึ้นไป พัฒนาโดยศาสตราจารย์ Sidney Loeb และ Srinivasa Sourirajan เมมเบรนแอนไอโซโทรปิกกึ่งซึมผ่านได้มักทำจากโพลีเอไมด์

สารนี้มีคุณสมบัติที่มีประโยชน์บางอย่างรวมถึงความสัมพันธ์กับน้ำและความไม่สามารถซึมผ่านได้โดยสัมพัทธ์กับสิ่งสกปรกที่ละลายน้ำเช่นไอออนของเกลือและโมเลกุลขนาดเล็กอื่น ๆ

ในระบบรีเวอร์สออสโมซิสโดยทั่วไปน้ำป้อนภายใต้แรงดันสูงจะไหลผ่านรูปแบบเกลียวศูนย์กลางของเมมเบรนที่แยกน้ำและสารปนเปื้อนออกจากกันก่อนที่จะรวบรวมน้ำในท่อน้ำของผลิตภัณฑ์ที่อยู่ตรงกลาง เพื่อประสิทธิภาพสูงสุดหน่วยเมมเบรนหลายชุดจะเชื่อมต่อกันเป็นชุด

การเปลี่ยนน้ำทะเลเป็นน้ำดื่มสามารถช่วยในการขาดแคลนน้ำได้หรือไม่?

ในระยะสั้นใช่ แต่มีต้นทุนที่สำคัญ

เนื่องจากปริมาณน้ำจืดคุณภาพสูงที่มีอยู่ลดลงชุมชนจำนวนมากขึ้นจึงหันมาใช้น้ำจืดเพื่อผลิตน้ำดื่มจากน้ำกร่อยและน้ำเค็ม สารละลายที่มีอยู่ได้รับการออกแบบมาเพื่อสกัดน้ำและทิ้งปริมาณเกลือไว้ให้มากที่สุด

เทคโนโลยีปัจจุบันมีทั้งข้อดีและข้อเสียขึ้นอยู่กับข้อ จำกัด และข้อกำหนดเฉพาะของไซต์ แม้ว่าวิธีการบางอย่างจะมีแนวโน้มดี แต่ก็จำเป็นต้องมีการพัฒนาทางเทคโนโลยีมากขึ้นเพื่อให้สามารถผลิตน้ำจืดได้ในปริมาณมาก

มหาวิทยาลัย Texas A & M อธิบายว่า "การกรองน้ำกร่อยจากน้ำกร่อยขนาดเล็กโดยใช้ภาพนิ่งแสงอาทิตย์เป็นวิธีที่มีแนวโน้มดีในสถานที่ห่างไกลซึ่งไม่มีน้ำคุณภาพดีสำหรับดื่มและปรุงอาหารสำหรับการนำไปใช้อย่างแพร่หลายมากขึ้นกระบวนการกรองน้ำทะเลจำเป็นต้องมีการปรับปรุงทางเทคโนโลยีและเพิ่มพลังงาน ประสิทธิภาพ”

สิ่งกีดขวางบนถนนหลักคือต้นทุนของกระบวนการโดยเฉพาะความต้องการพลังงานที่จำเป็นในการผลิตน้ำจืดในปริมาณมาก ด้วยเหตุนี้โซลูชันที่มีอยู่ส่วนใหญ่จึงใช้ในภูมิภาคที่ไม่มีวิธีอื่นใดในการนำเข้าน้ำจืดบนเรือพลเรือนและทหารและในยานอวกาศบางรุ่น

อย่างไรก็ตามมีพัฒนาการที่น่าสนใจบางประการในการลดต้นทุนของกระบวนการ ตัวอย่างเช่นเมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมานักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเท็กซัสออสตินได้พัฒนาทางเลือกใหม่แทนวิธีการทั่วไป

วิธีการแก้ปัญหาที่น่าสนใจอีกวิธีหนึ่งเรียกว่าการกำจัดไอออนแบบคาปาซิทีฟและการกำจัดไอออนอิเล็กโทรดแบตเตอรี่ อย่างไรก็ตามโซลูชันเหล่านี้ยังไม่สามารถใช้งานได้ในเชิงพาณิชย์ในปัจจุบัน

แต่ไม่ใช่แค่ต้นทุนทางการเงินเท่านั้น โรงงานกลั่นน้ำทะเลที่มีอยู่ยังเป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม

ส่วนใหญ่แตะน้ำทะเลโดยตรงเป็นแหล่งน้ำซึ่งสามารถฆ่าหรือทำอันตรายปลาและสิ่งมีชีวิตในมหาสมุทรขนาดเล็กอื่น ๆ ได้เนื่องจากระดับน้ำรอบ ๆ โรงงานมีการเปลี่ยนแปลง กระบวนการนี้ยังมีแนวโน้มที่จะผลิตของเสียที่มีน้ำเกลือสูงซึ่งจำเป็นต้องกำจัดทิ้ง

ด้วยเหตุนี้โรงงานกลั่นน้ำทะเลส่วนใหญ่จึงใช้น้ำกร่อยมากกว่าน้ำทะเล โรงกลั่นน้ำทะเลขนาดใหญ่ยังมีราคาแพงในการสร้างซึ่งมักจะมีราคาแพงในภูมิภาค หลายร้อยล้าน คนละอัน

ดังที่กล่าวมา บริษัท หลายแห่งกำลังลงทุนอย่างมากในเทคโนโลยีนี้โดยบางแห่งเช่นอิสราเอลได้ผลิตน้ำเพียงพอที่จะจัดหาครึ่งประเทศแล้ว

อย่างไรก็ตามสำหรับภูมิภาคที่ขาดแคลนน้ำพืชประเภทนี้มีกรมธรรม์ประเภทหนึ่งเพื่อความมั่นคงของน้ำ ตัวอย่างเช่นแคลิฟอร์เนียกำลังสร้างพืชหลายชนิด

ผู้เชี่ยวชาญหลายคนเชื่อว่าวิธีเดียวที่จะทำให้การแยกเกลือออกจากน้ำทะเลสามารถใช้งานได้อย่างแพร่หลายคือการรวมแหล่งพลังงานหมุนเวียนเพื่อให้พลังงานแก่พวกมัน ด้วยการลดต้นทุนการดำเนินงานที่เกี่ยวข้องเท่านั้นพวกเขาจะสามารถทำงานได้ในเชิงเศรษฐกิจ

ด้วยอุณหภูมิโลกที่สูงขึ้นและความเป็นไปได้ที่จะเกิดภัยแล้งในหลายส่วนของโลกการกลั่นน้ำทะเลจึงมีแนวโน้มที่จะแพร่หลายมากขึ้น หากเราสามารถเอาชนะต้นทุนด้านพลังงานและต้นทุนด้านสิ่งแวดล้อมของกระบวนการได้การกลั่นน้ำทะเลจะกลายเป็นส่วนสำคัญของการแก้ปัญหาในการแก้ปัญหาการขาดแคลนน้ำ