ทิศทางการพัฒนาล่าสุดของการแยกเกลือออกจากน้ำทะเลเป็นอย่างไร?

แนวโน้มล่าสุดที่มุ่งลดต้นทุนการผลิตน้ำจืดคือการใช้ระบบออสโมซิสย้อนกลับของน้ำทะเล (SWRO) ซึ่งสามารถเพิ่มอัตราการกู้คืนโดยรวมของการแยกเกลือออกจากกันจาก 40-50% ทั่วไปเป็น 55-60%

จากการทดสอบระบบการกู้คืนสูงอย่างครอบคลุมล่าสุด พบว่าการใช้พลังงานของระบบ SWRO อยู่ที่ 2.1 kWh/m³และ 2.9 กิโลวัตต์ชั่วโมง/ตารางเมตร³ที่ความเค็มของน้ำทะเล 35,000 มก./ล. และ 43,000 มก./ล. ตามลำดับ

การใช้พลังงานนี้เทียบได้กับระบบ SWRO ดั้งเดิมที่ใช้ตัวแลกเปลี่ยนแรงดันในการกู้คืนน้ำทะเล แต่ความแตกต่างที่สำคัญก็คือช่วงการกู้คืนที่ยั่งยืนของระบบการกู้คืนสูงนั้นสูงกว่า 10-20%

การออกแบบระบบรับและบำบัดน้ำเสียสำหรับโรงงานน้ำให้มีอัตราการกู้คืนที่สูงขึ้นจะช่วยประหยัดเงินทุนและต้นทุนการผลิตน้ำสำหรับโรงงานน้ำแห่งใหม่ได้อย่างมาก และสามารถเพิ่มกำลังการผลิตน้ำจืดของโรงงานน้ำที่มีอยู่ได้ด้วยการลงทุนที่ค่อนข้างต่ำ
 

แนวโน้มล่าสุดในการแสวงหาวิธีลดการใช้พลังงานในการแยกเกลือออกจากน้ำและต้นทุนการผลิตน้ำจืด คือ การพัฒนาเมมเบรนออสโมซิสย้อนกลับที่มีโครงสร้างนาโน (NST) ที่มีประสิทธิภาพในการผ่านน้ำสูงกว่าองค์ประกอบเมมเบรนแบบเดิมที่มีอยู่

โดยพื้นฐานแล้วเมมเบรน NST คือเมมเบรน RO ที่ประกอบด้วยช่องเชิงเส้นขนาดนาโน (ท่อ/อนุภาค) ที่ฝังอยู่แบบสุ่มในเมทริกซ์โพลิเมอร์ของเมมเบรน หรืออาจทำทั้งหมดจากช่องเชิงเส้นขนาดนาโนที่รวมกันเป็นกลุ่ม (นาโนทิวบ์) ก็ได้

เทคโนโลยีเมมเบรน NST ได้รับการพัฒนาอย่างรวดเร็วในช่วง 10 ปีที่ผ่านมา และเมมเบรน NST ที่พัฒนาขึ้นใหม่ล่าสุดนั้นผสมอนุภาคนาโนอนินทรีย์ในเมมเบรนทั่วไปหรือทำจากเมมเบรนที่มีรูพรุนที่มีโครงสร้างสูงซึ่งประกอบด้วยอาร์เรย์ของนาโนทิวบ์ที่อัดแน่นกันอย่างหนาแน่น

รายงานว่าเมมเบรน NST เหล่านี้มีค่าการซึมผ่านเฉพาะที่สูงกว่าเมมเบรน RO ทั่วไปโดยมีอัตราการปฏิเสธที่สูงเกือบจะเท่ากัน

นอกจากนี้ เมมเบรน NST ยังมีอัตราการเกิดตะกรันที่ใกล้เคียงกันหรือต่ำกว่าเมมเบรนทั่วไปและเมมเบรน RO ที่ทำงานภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน และสามารถออกแบบมาเพื่อปรับปรุงการคัดเลือกการกักเก็บไอออนเฉพาะได้

เศรษฐกิจหมุนเวียนเป็นแนวทางเดียวสำหรับการเติบโตทางเศรษฐกิจระดับโลกอย่างยั่งยืน ตัวอย่างเช่น การใช้แบบจำลองเศรษฐกิจหมุนเวียน น้ำเกลือที่ผลิตโดยโรงงานกำจัดเกลือสามารถใช้เป็นแหล่งแร่ธาตุที่มีมูลค่าสูง เช่น แคลเซียม แมกนีเซียม และโซเดียมคลอไรด์ นอกจากนี้ ธาตุหายาก เช่น ลิเธียม สตรอนเซียม ทอเรียม และรูบิเดียม ยังสามารถสกัดได้จากน้ำเกลืออีกด้วย

เมื่อไม่นานมานี้ แรงกดดันจากตลาดธาตุหายากทั่วโลกทำให้ความพร้อมและอุปทานของโลหะหายากกลายมาเป็นหัวข้อสำคัญในการอภิปรายและวาระการวิจัยด้านการพัฒนาอย่างยั่งยืน โลหะเหล่านี้ใช้ในการผลิตส่วนประกอบสำคัญของผลิตภัณฑ์ต่างๆ มากมาย รวมถึงเครื่องบิน รถยนต์ สมาร์ทโฟน และอุปกรณ์ทางการแพทย์

มีการยอมรับมากขึ้นเรื่อยๆ ว่าการพัฒนาและการปรับใช้เทคโนโลยีพลังงานสะอาดและผลิตภัณฑ์ กระบวนการ และการผลิตที่ยั่งยืนจะต้องใช้โลหะหายากและธาตุมีค่าในปริมาณมาก ซึ่งรวมถึงโลหะกลุ่มแพลตตินัม เช่น ลิเธียม ทองแดง โคบอลต์ เงิน และทองคำ

แนวโน้มเทคโนโลยีล่าสุดแสดงให้เห็นว่าแมกนีเซียมกำลังเข้ามาแทนที่อลูมิเนียมในอุตสาหกรรมยานยนต์ คอมพิวเตอร์ และโทรศัพท์มือถือ เนื่องจากแมกนีเซียมมีน้ำหนักเบากว่าถึง 30% แม้ว่าแหล่งแมกนีเซียมในโลกจะมีอยู่อย่างจำกัด แต่ในน้ำทะเลก็มีแมกนีเซียมอยู่เป็นจำนวนมาก ซึ่งสามารถนำกลับมาใช้ได้โดยการทำให้เข้มข้นในน้ำเกลือที่ผ่านการแยกเกลือออกแล้วจึงสกัดออกมาผ่านการดูดซับแบบเลือก
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา อุตสาหกรรมการกำจัดเกลือได้พัฒนาเทคโนโลยีการทำให้น้ำเกลือเข้มข้นและการสกัดแร่ต่างๆ เพื่อให้สามารถผลิตผลิตภัณฑ์ที่มีมูลค่าเชิงพาณิชย์จากน้ำเกลือได้

การสกัดแร่ธาตุจากน้ำทะเลเป็นกิจการที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากกว่าการขุดบนบก

การทำเหมืองน้ำทะเลไม่จำเป็นต้องใช้น้ำจืดในการแปรรูป และไม่ก่อให้เกิดน้ำปนเปื้อนหรือของเสียจำนวนมากที่ต้องกำจัด

นอกจากนี้ เทคโนโลยีการทำให้น้ำเกลือเข้มข้นใหม่เหล่านี้สามารถลดการปล่อยน้ำเกลือลงในมหาสมุทรได้อย่างมากหรือหมดไปอย่างสิ้นเชิง

เนื่องจากเทคโนโลยีทรัพยากรน้ำเกลือมีการพัฒนา รายได้จากการสกัดแร่ธาตุที่มีมูลค่าสูง (เช่น แมกนีเซียม ลิเธียม และโซเดียมคลอไรด์บริสุทธิ์) จากน้ำเกลือในเชิงพาณิชย์สามารถชดเชยต้นทุนการผลิตน้ำที่ผ่านการแยกเกลือออกได้ จึงเปลี่ยนน้ำที่ผ่านการแยกเกลือออกจากแหล่งน้ำจืดที่ยั่งยืนซึ่งมีต้นทุนสูงที่สุดให้เป็นแหล่งน้ำจืดที่มีต้นทุนต่ำที่สุด
การกู้คืนทรัพยากรน้ำเกลืออาจเป็นกุญแจสำคัญในการแก้ไขปัญหาความยั่งยืนของพลังงานจากการแยกเกลือออกจากน้ำ โรงไฟฟ้านิวเคลียร์รุ่นต่อไปจะใช้ทอเรียมและรูบิเดียมแทนยูเรเนียมเป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์

โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ขนาดเล็กที่มีกำลังผลิตระหว่าง 10 ถึง 50 เมกะวัตต์สามารถผลิตไฟฟ้าสำหรับโรงงานกำจัดเกลือขนาดใหญ่และขนาดกลางได้ ข้อได้เปรียบหลักของแหล่งพลังงานใหม่นี้คือสามารถสกัดวัตถุดิบได้ในปริมาณที่เพียงพอจากน้ำเกลือของโรงงานกำจัดเกลือโดยตรง นอกจากจะสกัดจากน้ำเกลือได้ง่ายแล้ว ข้อดีอีกประการของธาตุหายากเหล่านี้ก็คือไม่สามารถใช้ทำอาวุธนิวเคลียร์ได้ ทำให้น้ำเกลือสำหรับการกำจัดเกลือกลายเป็นวัตถุดิบใหม่สำหรับการใช้พลังงานปรมาณูเพื่อสันติภาพและก่อให้เกิดประโยชน์มากมายต่อมนุษยชาติ

สารเคมีที่ใช้ในการทำความสะอาดเมมเบรนแบบออสโมซิสย้อนกลับที่เป็นน้ำกร่อยและน้ำทะเล มักจะเป็นสารเคมีชนิดเดียวกับที่ใช้ในยาสีฟัน สบู่ และผงซักฟอกเชิงพาณิชย์ น้ำที่ใช้ล้างย้อนและล้างเมมเบรนมักจะได้รับการบำบัดเพื่อขจัดของแข็งหรือสิ่งปนเปื้อนอื่นๆ ก่อนที่จะเติมลงในสารเข้มข้นที่ผ่านการแยกเกลือออกเพื่อระบายออก กระบวนการแยกเกลือที่ทันสมัยที่ใช้ในโรงงานแยกเกลือออกสมัยใหม่ใช้สารเคมีในปริมาณจำกัดมาก

สารเคมีทั้งหมดที่เติมลงไปในกระบวนการบำบัดการแยกเกลือต่างๆ เป็นสารเคมีเกรดอาหาร ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ และผ่านการคัดกรองแล้วว่าไม่เป็นพิษต่อสิ่งมีชีวิตในน้ำ ของเสียจากโรงงานแยกเกลือยังไม่เป็นพิษและไม่เป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิตในทะเล และได้รับการออกแบบมาให้ย่อยสลายได้อย่างรวดเร็วโดยไม่ก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงถาวรต่อระบบนิเวศทางทะเลโดยรอบ

เมื่อไม่นานนี้ การกำจัดเกลือออกจากน้ำได้เปลี่ยนมาเป็นการกำจัดเกลือออกจากน้ำโดยไม่ใช้สารเคมี และการนำแร่ธาตุที่มีค่าและโลหะหายากออกจากสารเข้มข้น โดยคาดว่าการกำจัดเกลือออกจากน้ำจะกลายมาเป็นทางเลือกแหล่งน้ำที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและยั่งยืนที่สุดทางเลือกหนึ่งในศตวรรษนี้

ในช่วง 5 ปีที่ผ่านมา ประเทศต่างๆ จำนวนมากที่มีโรงงานกำจัดเกลือขนาดใหญ่ เช่น ออสเตรเลีย สเปน ซาอุดีอาระเบีย และส่วนอื่นๆ ของตะวันออกกลาง ได้เริ่มดำเนินการตามโครงการกำจัดเกลือที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมอย่างครอบคลุม ซึ่งมุ่งหวังที่จะลดปริมาณและความหลากหลายของสารเคมีที่ใช้ในกระบวนการผลิตการแยกเกลือ แผนดังกล่าวจะใช้ประโยชน์จากความก้าวหน้าล่าสุดในเทคโนโลยีและการวิจัยการแยกเกลือ เพื่อเปลี่ยนโรงงานที่มีอยู่ทั้งหมดให้เป็นโรงงานแยกเกลือที่ปราศจากสารเคมีในที่สุด

ในอดีตโรงงานผลิตน้ำจืดจะใช้โซเดียมไฮโปคลอไรต์ในการเติมคลอรีนลงในน้ำที่ไหลเข้ามาเพื่อยับยั้งการเจริญเติบโตของสิ่งมีชีวิตในทะเลในท่อทางเข้าและบนเมมเบรนแบบออสโมซิสย้อนกลับ

ผู้ดำเนินการโรงงานผลิตน้ำจืดส่วนใหญ่เลิกใช้แนวทางปฏิบัตินี้มาเกือบ 10 ปีแล้ว และปัจจุบันใช้คลอรีนเพียงเดือนละครั้งหรือสองครั้ง โดยแต่ละครั้งใช้ครั้งละ 6 ถึง 8 ชั่วโมงเท่านั้น

นอกจากนี้ ผู้จัดการโรงงานกำจัดเกลือบางแห่งไม่ใช้สารฆ่าเชื้อใดๆ กับน้ำทะเลที่ไหลเข้ามา เนื่องจากพวกเขาชอบใช้ระบบบำบัดล่วงหน้าของโรงงานกำจัดเกลือเพื่อควบคุมสิ่งมีชีวิตเกาะติดมากกว่าการใช้สารเคมี

ปัจจุบันเฟอร์ริกคลอไรด์และเฟอร์ริกซัลเฟตเป็นสารตกตะกอนที่ใช้กันแพร่หลายที่สุดสำหรับการบำบัดน้ำทะเลเบื้องต้น ในอดีตมีการเติมสารเคมีเหล่านี้ในอัตราคงที่และในปริมาณที่ค่อนข้างสูง

อุตสาหกรรมการกำจัดเกลือได้นำการตรวจสอบปริมาณของแข็งในน้ำทะเลโดยอัตโนมัติ และปรับปริมาณสารตกตะกอนโดยอัตโนมัติตามสัดส่วนของปริมาณของแข็งแขวนลอยจริงในน้ำ

โรงงานส่วนใหญ่ทั่วโลกได้นำกลยุทธ์การดำเนินการนี้มาใช้ในช่วง 10 ปีที่ผ่านมา โดยลดการใช้สารตกตะกอนลงเหลือไม่ถึงครึ่งหนึ่งของเดิม

จนกระทั่งเมื่อทศวรรษที่ผ่านมา โรงงานกำจัดเกลือจำนวนมากใช้กรดและสารตกตะกอนเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพเคมีในการบำบัดน้ำ

ในปัจจุบัน โรงงานกำจัดเกลือที่มีความก้าวหน้าและวิศวกรที่มีประสบการณ์ส่วนใหญ่ไม่ใช้กรดและสารจับตะกอนในการบำบัดเบื้องต้นอีกต่อไป แต่จะใช้ระบบและการดำเนินการบำบัดเบื้องต้นที่เหมาะสมที่สุดเพื่อจัดการเคมีในการบำบัดน้ำ

จนกระทั่งถึงปี 2553 สารป้องกันตะกรันและโซเดียมไฮดรอกไซด์ถูกใช้กันทั่วไปในโรงงานกำจัดเกลือหลายแห่ง โดยส่วนใหญ่ใช้เพื่อป้องกันการเกิดตะกรันที่เกิดจากการกำจัดโบรอนออกจากน้ำที่กำจัดเกลือแล้ว ในปี 2554 องค์การอนามัยโลกได้เพิ่มขีดจำกัดแนวทางสำหรับโบรอนในน้ำดื่มจาก 0.5 มก./ล. เป็น 2.4 มก./ล. และตั้งแต่นั้นมา โรงงานกำจัดเกลือส่วนใหญ่ก็หยุดการเติมโซเดียมไฮดรอกไซด์และสารป้องกันตะกรัน

ขั้นตอนถัดไปในการนำเทคโนโลยีใหม่ที่ปราศจากสารเคมีและใช้พลังงานหมุนเวียนมาใช้ คือ การบำบัดน้ำที่ผ่านการแยกเกลือออกภายหลังโดยใช้แคลเซียมที่สกัดจากน้ำเกลือ แทนที่จะใช้สารประกอบแคลเซียมที่หาซื้อได้ในเชิงพาณิชย์ เช่น ปูนขาว

การแยกเกลือออกจากน้ำทะเลต้องใช้พลังงานจำนวนมากเพื่อเอาชนะแรงดันออสโมซิสที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติบนเมมเบรนออสโมซิสย้อนกลับ แม้ว่าปริมาณคาร์บอนฟุตพริ้นท์จากการผลิตน้ำดื่มจากน้ำที่ผ่านการแยกเกลือจะสูงกว่าการผลิตน้ำดื่มจากแหล่งน้ำจืดแบบดั้งเดิม แต่ก็ยังต่ำกว่ากิจกรรมอื่นๆ ของมนุษย์ที่ช่วยปรับปรุงคุณภาพชีวิต เช่น การแช่เย็นอาหาร การอุ่นน้ำอาบ การขับรถส่วนตัว หรือการบินด้วยเครื่องบิน

ปัจจุบัน โรงงานผลิตน้ำจืดส่วนใหญ่ใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลในการผลิตไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม โครงการพลังงานลมหลายโครงการล่าสุดในออสเตรเลียได้ดำเนินการที่โรงงานผลิตน้ำจืด SWRO ซึ่งผลิตไฟฟ้าได้เท่ากับที่โรงงานผลิตน้ำจืดใช้ ประเทศต่างๆ ในตะวันออกกลางและแอฟริกาเหนือหลายแห่งได้ริเริ่มพัฒนาโรงไฟฟ้าพลังงานหมุนเวียนที่แข็งแกร่งเพื่อผลิตไฟฟ้าสำหรับการผลิตน้ำจืด

ในขณะที่กำลังสำรวจทางเลือกของพลังงานหมุนเวียน ศูนย์วิจัยชั้นนำของโลกในสหรัฐอเมริกา ซาอุดีอาระเบีย และยุโรป กำลังพัฒนาอุปกรณ์กู้คืนพลังงานรุ่นใหม่ ปั๊มแรงดันสูง และเมมเบรนที่มีเป้าหมายที่จะลดการใช้พลังงานทั้งหมดในการแยกเกลือออกให้น้อยกว่า 2.45 กิโลวัตต์ชั่วโมง/ลูกบาศก์เมตร³และความต้องการพลังงานของการแยกเกลือออกจากน้ำด้วยระบบออสโมซิสย้อนกลับให้ต่ำกว่า 1.8 กิโลวัตต์ชั่วโมงต่อลูกบาศก์เมตร³ความก้าวหน้าเหล่านี้จะช่วยลดการใช้พลังงานโดยรวมและปริมาณการปล่อยคาร์บอนของโรงงานกำจัดเกลือลงมากกว่า 30%

นับตั้งแต่มีการนำเครื่องแลกเปลี่ยนความดันเครื่องแรกมาใช้ในปี 2544 เทคโนโลยีที่ก้าวล้ำนี้ได้เพิ่มประสิทธิภาพการกู้คืนพลังงานจากการแยกเกลือออกจากน้ำจาก 75% เป็น 96% อย่างไรก็ตาม ยังคงมีโอกาสที่จะเพิ่มการกู้คืนพลังงานให้ถึงค่าสูงสุดตามทฤษฎีที่ 99%