Entsalzungsabfälle zu einer nützlichen Ressource machen

Der am MIT entwickelte Prozess könnte konzentrierte Sole in nützliche Chemikalien verwandeln, wodurch die Entsalzung effizienter wird.

David L. Chandler | MIT News Office

PRESSEANFRAGEN

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Meer entsalzungspflanzen wie diese entladen typischerweise große Mengen konzentrierter Sole zurück ins Meer. MIT-Forscher haben gezeigt, dass stattdessen ein Großteil dieser Abfälle in nützliche Chemikalien umgewandelt werden könnte.

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Die Abbildung zeigt das Potenzial des vorgeschlagenen Prozesses. Sole, die aus dem Abfallstrom von Umkehrosmose (RO)-Entsalzungsanlagen oder aus Industrieanlagen oder Salzbergwerken gewonnen werden könnte, kann zu nützlichen Chemikalien wie Natriumhydroxid (NaOH) oder Salzsäure (HCl) verarbeitet werden.

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Illustration mit freundlicher Genehmigung der Forscher

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Die schnell wachsende Entsalzungsindustrie produziert Wasser zum Trinken und zur Landwirtschaft in den trockenen Küstenregionen der Welt. Aber es hinterlässt als Abfallprodukt eine Menge hochkonzentrierter Sole, die normalerweise entsorgt wird, indem sie sie wieder ins Meer wirft, ein Prozess, der kostspielige Pumpsysteme erfordert und sorgfältig verwaltet werden muss, um Schäden an marinen Ökosystemen zu verhindern. Nun sagen Ingenieure am MIT, dass sie einen besseren Weg gefunden haben.

In einer neuen Studie zeigen sie, dass durch ein ziemlich einfaches Verfahren das Abfallmaterial in nützliche Chemikalien umgewandelt werden kann – auch in Stoffe, die den Entsalzungsprozess selbst effizienter machen können.

Der Ansatz kann unter anderem zur Herstellung von Natriumhydroxid verwendet werden. Auch als Natronlauge bekannt, kann Natriumhydroxid verwendet werden, um Meerwasser, das in die Entsalzungsanlage gelangt, zu entführen. Dies verändert den Säuregehalt des Wassers, was hilft, eine Verschmutzung der Membranen zu verhindern, die zum Herausfiltern des Salzwassers verwendet werden – eine Hauptursache für Unterbrechungen und Ausfälle in typischen Umkehrosmoseentsalzungsanlagen.

Das Konzept wird heute in der FachzeitschriftNaturkatalyseund in zwei weiteren Arbeiten des MIT-Forschers Amit Kumar, Professor für Maschinenbau John. H. Lienhard V. und einige andere. Lienhard ist Jameel Professor für Wasser und Ernährung und Direktor des Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab.

"Die Entsalzungsindustrie selbst nutzt ziemlich viel davon", sagt Kumar über Natriumhydroxid. "Sie kaufen es und geben Geld dafür aus. Wenn sie es also vor Ort in der Anlage schaffen, könnte das ein großer Vorteil sein." Die Menge, die in den Pflanzen selbst benötigt wird, ist weit geringer als die Summe, die aus der Sole produziert werden könnte, so dass es auch Potenzial für ein verkaufsfähiges Produkt gibt.

Natriumhydroxid ist nicht das einzige Produkt, das aus der Abfallsole hergestellt werden kann: Eine weitere wichtige Chemikalie, die von Entsalzungsanlagen und vielen anderen industriellen Prozessen verwendet wird, ist Salzsäure, die auch leicht vor Ort aus der Abfallsole mit etablierten chemischen Verarbeitungsmethoden hergestellt werden kann. Die Chemikalie kann zur Reinigung von Teilen der Entsalzungsanlage verwendet werden, wird aber auch in der chemischen Produktion und als Wasserstoffquelle eingesetzt.

Derzeit produziert die Welt mehr als 100 Milliarden Liter (etwa 27 Milliarden Gallonen) pro Tag Wasser aus der Entsalzung, die ein ähnliches Volumen an konzentrierter Sole hinterlässt. Ein großer Teil davon wird wieder ins Meer gepumpt, und die derzeitigen Vorschriften erfordern kostspielige Fallsysteme, um eine ausreichende Verdünnung der Salze zu gewährleisten. Die Umwandlung der Sole kann daher sowohl wirtschaftlich als auch ökologisch von Vorteil sein, zumal die Entsalzung weltweit weiter rasant wächst. "Die umweltverträgliche Soleentladung ist mit der aktuellen Technologie beherrschbar, aber es ist viel besser, Ressourcen aus der Sole zurückzugewinnen und die Menge an Salzlake zu reduzieren", sagt Lienhard.

Das Verfahren zur Umwandlung der Sole in nützliche Produkte verwendet bekannte und standardchemische Verfahren, einschließlich der anfänglichen Nanofiltration, um unerwünschte Verbindungen zu entfernen, gefolgt von einer oder mehreren Elektrodialysestufen, um das gewünschte Endprodukt zu erzeugen. Obwohl die vorgeschlagenen Prozesse nicht neu sind, haben die Forscher das Potenzial für die Herstellung nützlicher Chemikalien aus Salzlake analysiert und eine spezifische Kombination von Produkten und chemischen Prozessen vorgeschlagen, die in kommerzielle Operationen umgewandelt werden könnte, um die wirtschaftliche Lebensfähigkeit des Entsalzungsprozesses zu verbessern und gleichzeitig seine Umweltauswirkungen zu verringern.

"Diese sehr konzentrierte Sole muss sorgfältig behandelt werden, um das Leben im Ozean zu schützen, und es ist eine Ressourcenverschwendung, und es kostet Energie, sie wieder ins Meer zu pumpen"," Daher ist es eine Win-Win-Situation, sie in eine nützliche Ware zu verwandeln, sagt Kumar. Und Natriumhydroxid ist eine so allgegenwärtige Chemikalie, dass "jedes Labor am MIT etwas hat", sagt er, daher sollte es nicht schwierig sein, Märkte dafür zu finden.

Die Forscher haben das Konzept mit Unternehmen diskutiert, die am nächsten Schritt des Baus einer Prototypenanlage interessiert sein könnten, um die reale Ökonomie des Prozesses zu erarbeiten. "Eine große Herausforderung sind die Kosten – sowohl die Stromkosten als auch die Ausrüstungskosten", sagt Kumar.

Das Team betrachte auch weiterhin die Möglichkeit, andere, weniger konzentrierte Materialien aus dem Solestrom zu extrahieren, sagt er, einschließlich verschiedener Metalle und anderer Chemikalien, was die Soleverarbeitung zu einem noch wirtschaftlicheren Unterfangen machen könnte.

"Ein Aspekt, der erwähnt wurde ... und sehr resonanz fand bei mir der Vorschlag für solche Technologien, um eine "lokalisiertere" oder "dezentralisierte" Produktion dieser Chemikalien am Einsatzort zu unterstützen", sagt Jurg Keller, Professor für Wassermanagement an der University of Queensland in Australien, der an dieser Arbeit nicht beteiligt war. "Dies könnte einige große Energie- und Kostenvorteile mit sich bringen, da die Konzentration und der Transport dieser Chemikalien oft höhere Kosten und sogar einen höheren Energiebedarf verursachen als die tatsächliche Produktion dieser Inmengen in den normalerweise verwendeten Konzentrationen."

Zum Forschungsteam gehörten auch DIE MIT-Postdoc Katherine Phillips und die Studentin Janny Cai sowie Uwe Schroder an der Universität Braunschweig. Die Arbeit wurde von Cadagua, einer Tochtergesellschaft von Ferrovial, durch die MIT Energy Initiative unterstützt.