Maapallon vetiset kasvot näkyvät kauas avaruuteen.
Jopa Aurinkokunnan ulkolaidalla kuuden miljardin kilometrin päässä kulkevan Voyager-luotaimen kuvissa Maa näkyy sinisenä täplänä.
71 prosenttia maapallon pinnasta on vettä. Jos kaikki se vesi pullotettaisiin, sitä riittäisi 2 670 miljardiin miljardiin puolen litran pulloon.
Tosin 97 prosenttia Maan pintavedestä on suolaista merivettä, jota ihminen ei voi juoda.
Merivesi on silti välttämätön juomaveden lähde monissa paikoissa eri puolilla maailmaa.
Suolanpoistolaitokset ovat todennäköisesti myös välttämätön keino, kun etsitään ratkaisua Australian rajuun vesikriisiin ja pohjavesien hupenemiseen myös muualla maailmassa.
Suolanpoisto nielee energiaa
Merivesi ei käy sellaisenaan janonsammuttajaksi, koska se poistaa elimistöstä enemmän nestettä kuin antaa.
Ihmisen elimistöstä 60 prosenttia on vettä, ja se tarvitsee vain hyvin vähän suolaa: 5–6 grammaa päivässä. Jos suolaa on enemmän, munuaiset poistavat sen virtsan mukana.
Merivedessä on suolaa noin 35 grammaa litraa kohti. Jos ihminen joisi lasillisen merivettä, munuaisten täytyisi suolamäärän poistamiseksi erittää yli lasillinen. Meriveden juominen siis kuivattaisi elimistöä ja veisi ajan mittaan hengen.
Kelluvasta suolanpoistolaitoksesta juomavettä kaupungeille
Khalili Engineers -suunnittelutoimiston The Pipe on visio aurinkosähköllä toimivasta puhdistuslaitoksesta, joka poistaa merivedestä suolaa ja epäpuhtauksia sähkömagneettisella suodatintekniikalla. Kehittäjiensä mukaan The Pipe voisi puhdistaa 4,5 miljoonaa litraa vettä vuodessa.
Sähkömagneetti poistaa suolan
Merivesi kulkee putkistossa, jossa on sähkömagneetteja. Magneetit vetävät puoleensa veden sisältämän suolan ja epäpuhtauksien ioneja.
Aurinkopaneelit tuottavat sähkön
The Pipen pinta on tehty kierrätetyistä teräslevyistä. Pinnalla on myös aurinkokennoja, jotka tuottavat sähkön sähkömagneettisille magneeteille.
Tuotos suoraan vesijohtoverkkoon
Puhdistettu vesi voidaan pumpata sellaisenaan kaupungin vesijohtoverkkoon. The Pipe voi suurimmillaan olla 428 metriä pitkä ja 60 metriä leveä.
Puhdistettua merivettä sen sijaan juodaan valtavia määriä. Saudi-Arabian 28 suolanpoistolaitosta tuottavat 6,6 miljardia litraa juomavettä päivässä.
Se on 22 prosenttia kaikesta merivedestä puhdistetusta vedestä maailmassa. Perthissä Australiassa tuotetaan vuosittain 45 miljardia litraa juomavettä merivedestä. Se on 18 prosenttia miljoonakaupungin kulutuksesta.
Luvut voivat kuulostaa suurilta, mutta vain noin prosentti maailman juomavedestä saadaan suolanpoistolaitoksista.
Niiden haittapuolena on suuri energiantarve. Monin paikoin onkin helpompaa ja kannattavampaa pumpata pohjavettä.
Lisäksi suolanpoistolaitosten kuluttamaa sähköä yleensä tuotetaan hiilidioksidipäästöjä aiheuttavilla öljyllä tai kaasulla.
Ympäristöongelmia aiheuttaa myös suolanpoiston sivutuotteena syntyvä merivettä paljon väkevämpi suolaliemi, joka nykyisin yleensä johdetaan takaisiin meriin, missä se myrkyttää kaloja ja kasveja.
Suolaliuos sisältää metalleja ja muita mineraaleja, kuten magnesiumia, kalsiumia, litiumia ja natriumkloridia, joita voidaan käyttää teollisuudessa ja maanviljelyssä.
Massachusettsin teknillisessä korkeakoulussa MIT:ssä Yhdysvalloissa on kehitetty menetelmä, jolla suolaliuoksesta erotetaan natriumhydroksidia eli lipeää.
Vuonna 2030 Dubaissa on määrä tuottaa merivedestä 1,1 miljardia litraa juomavettä päivässä.
Nykyisin suolanpoistolaitokset joutuvat ostamaan lipeää. Sitä tarvitaan puhdistettavan meriveden esikäsittelyyn, jotta suolaa suodattavat kalvot eivät tukkeudu.
Ainakin osa lipeästä voitaisiin korvata laitosten omalla kierrätystuotteella.
Käänteisosmoosi poistaa suolan
Menetelmät, joilla merivedestä poistetaan suolaa, voidaan jakaa karkeasti kahteen luokkaan: toisessa vettä haihdutetaan ja toisessa suodatetaan kalvolla.
Vuoteen 2000 asti haihduttaminen oli selvästi yleisintä. Tehokkaimpia haihdutusmenetelmiä on niin sanottu MSF (multi-stage flash distillation) eli suomeksi monivaiheinen paisuntahaihdutus.
Siinä merivesi läpäisee monta eripaineista ja -lämpöistä kammiota ja lämmönvaihdinta, ja niissä puhdas vesi höyrystyy ja taas tiivistyy ja sivutuotteena syntyy suolaliuosta.
Veden haihduttaminen vaatii paljon energiaa, ja siksi viime vuosina on yleistynyt niin sanottuun käänteisosmoosiin perustuva suolanpoisto.
Osmoosi on ilmiö, jossa vesi kulkee puoliläpäisevän kalvon läpi. Puoliläpäisevä kalvo päästää lävitseen vain pieniä molekyylejä, kuten vettä. Kalvo voi olla esimerkiksi solukalvo.
Vesi pyrkii tasoittamaan puoliläpäisevän kalvon eri puolilla olevia pitoisuuseroja ja siirtyy siksi aina sille puolelle kalvoa, jossa vesipitoisuus on pienempi.
Jos kalvon toisella puolella on makeaa vettä ja toisella puolella suolaliuosta, vesimolekyylit kulkevat kalvon läpi suolaliuokseen.
Käänteisosmoosissa suolavettä puristetaan kovalla paineella päin esimerkiksi selluloosa-asetaatista valmistettua kalvoa, jonka toisella puolella on normaali paine.
Kalvo päästää läpi veden, mutta suola ja muut epäpuhtaudet jäävät toiselle puolelle.
Grafeenikalvolla lisää tehoa
Käänteinen osmoosi ei vaadi yhtä paljon energiaa kuin veden haihduttaminen, mutta silti veden pumppaaminen kuluttaa runsaasti sähköä.
Nyt etsitäänkin keinoja, joilla käänteisosmoosilaitokset saataisiin toimimaan uusiutuvalla energialla.
Dubaissa Persianlahden rannalla on suunnitteilla aurinkosähköllä toimiva suolanpoistolaitos.
Jos suunnitelmat toteutuvat, se tuottaa vuonna 2030 yli 1,1 miljardia litraa juomavettä päivässä.
Video: Forstå omvendt osmose på 4 minutter
Toinen ratkaisu suolanpoiston energiankulutusongelmaan on kehittää uudenlaisia puoliläpäiseviä kalvoja.
Jos kalvo pysäyttää suolan ja epäpuhtaudet mutta päästää vesimolekyylit läpi entistä helpommin ja pienemmällä paineella, veden pumppaamiseen tarvitaan vähemmän energiaa.
Lupaava kalvomateriaali on grafeeni eli vain yhden atomikerroksen paksuinen hiililevy.
Manchesterin yliopistossa Englannissa on testattu grafeenioksidista valmistettua suodatinkalvoa, jonka huokosten kokoa voidaan säädellä hyvin tarkasti.
3 tapaa tehdä merivedestä juotavaa
Merissä riittää vettä, mutta sen suolan poistaminen kuluttaa paljon energiaa. Ympäristöystävälliseksi ratkaisuksi on kehitetty grafeeni- ja puupohjaisia kalvoja ja poijuja, jotka pumppaavat vettä aaltojen voimalla.
Grafeenikalvo tekee käänteisosmoosista ympäristöystävällistä
Käänteisosmoosimenetelmässä merivesi puristetaan läpi kalvosta, joka poistaa 90–99 prosenttia suolasta. Menetelmä kuluttaa paljon energiaa, koska vesi on puristettava kalvoon kovalla paineella. Kiinalaistutkijat ovat kehittäneet grafeenikalvon, jonka vesi läpäisee 100 kertaa nykyistä paremmin ja jo pienellä paineella.
Puukuitu suodattaa suolaa tehokkaasti
Princetonin yliopistossa Yhdysvalloissa on kehitetty puupohjainen 0,5 millimetrin paksuinen kalvo. Kalvo hylkii vettä mutta päästää vesihöyryn lävitseen. Kun kalvon toisella puolella on viileää ja toisella puolella niin lämmintä, että vesi höyrystyy, vesihöyry kulkee kalvon
läpi viileälle puolelle. Suola jää lämpimälle puolelle.
Aaltojen keinunta puristaa vettä
Yhdysvaltalainen Atmocean-yhtiö on kehittänyt pumpun, joka kiinnitetään poijuun ja jota liikuttaa aaltojen liike. Kun aallot keinuttavat poijua, vesi virtaa pumpussa sisään ja ulos kovalla paineella. 15 poijulla saadaan aikaan niin kova vedenpaine, että sillä voidaan käyttää käänteisosmoosilaitosta ilman lisäsähkön tarvetta.
Brittitutkijoiden menetelmässä käytetään hyväksi suolamolekyylien taipumusta kerätä ikään kuin kuoreksi ympärilleen vesimolekyylejä, jolloin niistä tulee niin isoja, että ne eivät mahdu kalvon huokosista.
Kun huokosten kokoa voidaan säädellä, kalvosta voidaan tehdä sellainen, että vesimolekyylit pääsevät huokosista läpi pienelläkin paineella.
Sähköinen ristikko sitoo vettä
Suolanpoisto voi tapahtua myös kokonaan ilman kalvoa.
Sellaista keinoa on kaivattu, koska ajan mittaan suodatinkalvot tukkeutuvat ja ne pitää puhdistaa tai vaihtaa.
Massachusettsin teknillisessä korkeakoulussa MIT:ssä on kehitetty menetelmä, jolla merivettä puhdistetaan sähkön avulla.
Niin sanotussa sokki–sähködialyysissä puhdistettava merivesi johdetaan huokoiseen lasimateriaaliin, jossa on negatiivinen ja positiivinen elektrodi.
Kun elektrodeihin johdetaan sähkövirta, vesi jakautuu niiden ympärille niin, että toisen elektrodin ympärillä on hyvin suolaista ja toisen ympärillä lähes suolatonta vettä.
Kun elektrodien sähkövirran voimakkuus saavuttaa kriittisen pisteen, syntyy eräänlainen sokkiaalto, joka erottaa suolattoman ja suolaisen veden.
Tutkijoiden mukaan menetelmällä voidaan tuottaa 99,99-prosenttisen puhdasta vettä.
Huokoinen metalli imee vettä ilmasta
MOF eli metalli-orgaaninen runkorakenne sieppaa vettä ilmasta. Runkorakenne koostuu huokosista, joihin voi kertyä vesihöyryä.
Grammassa ainetta kosteutta keräävien huokosten pinta-ala on jalkapallokentän kokoinen. Kalifornian yliopistossa kehitetyssä vedenkeräimessä yksi kilo MOF-materiaalia imee ilmasta 1,3 litraa vettä päivässä.
Tuuletin imee ilmaa
Aurinkosähköllä toimiva tuuletin imee ilmaa vedenkeräimeen. Keräimessä on myös akku, jonka voimin se voi toimia, kun aurinko ei paista.
Suodatin sitoo veden
Keräimen suodattimien sisältämässä MOF-materiaalissa tapahtuu adsorptioksi kutsuttu ilmiö, eli kaasu, kuten vesihöyry, sitoutuu sen huokosten pintaan.
Höyrystä tiivistyy vettä
Keräimeen kertynyt vesi lämmitetään niin, että se muuttuu vesihöyryksi, jonka tuuletin puhaltaa putkea pitkin säiliöön. Säiliössä vesihöry viilenee ja tiivistyy nesteeksi. Vesi on juomakelpoista ilman erillistä puhdistamista.
Toinenkin MIT:n kehittämä vedentuotantotekniikka perustuu sähköön, mutta siinä vettä ei oteta merestä vaan höyrystä.
Nykyisellään Yhdysvalloissa 39 prosenttia makeasta vedestä kuluu voimalaitosten ja tehtaiden tuotantolaitteistojen jäähdyttämiseen.
Huomattava osa jäähdytysvedestä haihtuu ilmaan vesihöyrynä, josta voitaisiin tehdä juomavettä.
Ratkaisuksi on kehitetty tekniikka nimeltä Infinite Cooling eli jäähdytysveden suljettu kierto.
Siinä jäähdyttimistä tuleva vesihöyry johdetaan ristikon läpi, jolloin osa vedestä tiivistyy ristikkoon.
Normaalisti vain 1–3 prosenttia vesihöyrystä tiivistyy pisaroiksi, mutta kun ristikkoon johdetaan heikko sähkövirta, vesihöyry ionisoituu ja huomattavasti suurempi osa siitä tiivistyy ristikkoon.
Ristikosta pisarat johdetaan säiliöön. Näin kerätty vesi voidaan kierrättää uudestaan jäähdyttämään voimalaitosta tai johtaa yleiseen vesijohtoverkkoon.
Juomavettä viemäristä
Ulosteet kuivataan
Viemäristä talteen otettu liete johdetaan kuljetinhihnalla uuniin, jossa lämpö haihduttaa siitä veden. Höyrystynyt vesi johdetaan putkella talteen otettavaksi.
Kuivunut liete poltetaan
Kuivattu ulostemassa johdetaan polttolaitokseen, jossa sillä lämmitään vesikattilaa. Kattilassa syntyvä vesihöyry pyörittää generaattoria, joka tuottaa energiaa puhdistamolle.
Höyry kiertää takaisin uuniin
Se osa höyrystä, jota ei tarvita generaattorin pyörittämiseen, johdetaan lämmittämään kuivatusuunia. Siellä se sekoittuu lietteestä haihtuvaan vesihöyryyn ja kulkeutuu takaisin kattilaan.
Vesihöyry suodatetaan ja nesteytetään
Ulosteista höyrystynyt vesi johdetaan suodattimeen, jossa siitä poistetaan epäpuhtaudet. Sieltä höyry jatkaa matkaa lämmönvaihtimeen, jossa se tiivistyy nestemäiseksi vedeksi. Vesi on 99,9-prosenttisen puhdasta, ja sitä voidaan käyttää esimerkiksi viljelmien kasteluun tai juomavedeksi, kun siihen on lisätty mineraaleja, kuten kalkkia.
Vettä ei etsitä vain merestä ja tehtaan piipusta. Myös vessajätteiden sisältämä kosteus voidaan ottaa hyötykäyttöön.
Vuonna 2015 Senegalin pääkaupungissa Dakarissa otettiin käyttöön niin sanotun Omni Processor -tekniikan prototyyppi.
Video: Dakars slam omdannes til vand og strøm
Se tehostaa kaupungin viemärijärjestelmää.
Samalla se muuttaa 50 000–100 000 asukkaan viemärijätteet puhtaaksi juomavedeksi ja puhdistuslaitoksen polttoaineeksi.
