Apa Arah Perkembangan Terkini Desalinasi Air Laut?

Tren terkini yang bertujuan mengurangi biaya produksi air tawar adalah penggunaan sistem osmosis balik air laut (SWRO), yang dapat meningkatkan tingkat pemulihan desalinasi secara keseluruhan dari 40-50% menjadi 55-60%.

Berdasarkan pengujian komprehensif terbaru terhadap sistem pemulihan tinggi, konsumsi energi sistem SWRO adalah 2,1 kWh/m³dan 2,9 kWh/m³pada salinitas air laut masing-masing 35,000 mg/L dan 43,000 mg/L.

Konsumsi energi ini sebanding dengan sistem SWRO tradisional yang menggunakan penukar tekanan untuk memulihkan air laut, namun perbedaan utamanya adalah rentang pemulihan berkelanjutan dari sistem pemulihan tinggi 10-20% lebih tinggi.

Merancang sistem pengambilan dan pengolahan awal instalasi air untuk tingkat pemulihan yang lebih tinggi dapat menghemat modal dan biaya produksi air secara signifikan untuk instalasi air baru, dan dapat meningkatkan kapasitas produksi air tawar dari instalasi air yang sudah ada dengan investasi modal yang relatif rendah.
 

Tren terkini dalam upaya mengurangi konsumsi energi desalinasi dan biaya produksi air tawar adalah dengan mengembangkan membran reverse osmosis berstrukturnano (NST) yang memiliki efisiensi pelepasan air lebih tinggi dibandingkan elemen membran konvensional yang ada.

Membran NST pada dasarnya adalah membran RO yang mengandung saluran berukuran nano linier individu (tabung/partikel) yang tertanam secara acak dalam matriks polimer membran, atau dapat seluruhnya terbuat dari saluran berukuran nano yang berkerumun (nanotube).

Teknologi membran NST telah berkembang pesat selama 10 tahun terakhir, dan membran NST yang baru dikembangkan menggabungkan nanopartikel anorganik dalam membran konvensional atau terbuat dari membran berpori berstruktur tinggi yang terdiri dari susunan nanotube padat.

Membran NST ini dilaporkan memiliki permeabilitas spesifik yang lebih tinggi dibandingkan membran RO konvensional dengan tingkat penolakan yang hampir sama tingginya.

Selain itu, membran NST memiliki tingkat pengotoran yang sebanding atau lebih rendah dibandingkan membran konvensional dan membran RO yang beroperasi pada kondisi yang sama, dan dapat dirancang untuk meningkatkan selektivitas retensi ion tertentu.

Ekonomi sirkular adalah satu-satunya cara untuk mencapai pertumbuhan ekonomi global yang berkelanjutan. Misalnya, dengan menerapkan model ekonomi sirkular, air garam yang dihasilkan oleh pabrik desalinasi dapat digunakan sebagai sumber mineral bernilai tinggi, seperti kalsium, magnesium, dan natrium klorida. Unsur tanah jarang - termasuk litium, strontium, torium, dan rubidium - juga dapat diekstraksi dari air garam.

Baru-baru ini, tekanan pasar unsur tanah jarang secara global telah membawa ketersediaan dan pasokan logam langka ke garis depan dalam diskusi pembangunan berkelanjutan dan agenda penelitian. Logam-logam ini digunakan untuk memproduksi komponen utama berbagai produk, termasuk pesawat terbang, mobil, ponsel pintar, dan perangkat biomedis.

Ada kesadaran yang semakin besar bahwa pengembangan dan penerapan teknologi energi ramah lingkungan serta produk, proses, dan manufaktur berkelanjutan akan memerlukan logam langka dan elemen berharga dalam jumlah besar, termasuk logam golongan platinum seperti litium, tembaga, kobalt, perak, dan emas.

Tren teknologi terkini menunjukkan bahwa magnesium menggantikan aluminium di industri otomotif, komputer, dan telepon seluler karena magnesium lebih ringan 30%. Meskipun sumber magnesium di dunia terbatas, air laut mengandung magnesium dalam jumlah besar, yang dapat diperoleh kembali dengan memusatkannya dalam air garam desalinasi dan kemudian mengekstraksinya melalui adsorpsi selektif.
Selama beberapa tahun terakhir, industri desalinasi telah mengembangkan berbagai teknologi konsentrasi air garam dan ekstraksi mineral untuk memungkinkan pembuatan produk yang bernilai komersial dari air garam.

Mengekstraksi mineral dari air laut merupakan pekerjaan yang lebih ramah lingkungan dibandingkan menambang di darat.

Penambangan air laut tidak memerlukan air tawar untuk pengolahannya dan tidak menghasilkan air terkontaminasi dalam jumlah besar atau limbah yang memerlukan pembuangan.

Selain itu, teknologi konsentrasi air garam baru ini dapat secara signifikan mengurangi atau menghilangkan sama sekali pembuangan air garam ke laut.

Seiring berkembangnya teknologi sumber daya air garam, pendapatan dari ekstraksi komersial mineral bernilai tinggi (seperti magnesium, litium, dan natrium klorida murni) dari air garam dapat mengimbangi biaya produksi air desalinasi, sehingga mengubah air desalinasi dari sumber daya berkelanjutan yang paling mahal. pasokan air tawar ke sumber pasokan air tawar dengan biaya terendah.
Pemulihan sumber daya air garam juga dapat menjadi kunci untuk memecahkan tantangan keberlanjutan energi dalam desalinasi. Pembangkit listrik tenaga nuklir generasi berikutnya akan menggunakan thorium dan rubidium sebagai pengganti uranium sebagai bahan bakar nuklir.

Pembangkit listrik tenaga nuklir kecil dengan daya antara 10 dan 50 megawatt dapat menyediakan listrik untuk pembangkit desalinasi skala besar dan menengah. Keuntungan utama dari sumber energi baru ini adalah bahan mentah dalam jumlah yang cukup dapat diekstraksi langsung dari air garam di pabrik desalinasi. Selain mudah diekstraksi dari air garam, keuntungan lain dari unsur tanah jarang ini adalah tidak dapat digunakan untuk membuat senjata nuklir, sehingga air garam desalinasi menjadi bahan baku baru untuk penggunaan energi atom secara damai dan membawa manfaat yang lebih besar bagi umat manusia.

Bahan kimia yang digunakan untuk membersihkan membran reverse osmosis air payau dan air laut seringkali merupakan bahan kimia yang sama yang digunakan dalam pasta gigi, sabun, dan deterjen komersial. Air pencuci balik dan air pencuci membran sering kali diolah untuk menghilangkan padatan atau kontaminan lainnya sebelum ditambahkan ke konsentrat desalinasi untuk dibuang. Proses desalinasi canggih yang digunakan di pabrik desalinasi modern menggunakan bahan kimia yang sangat terbatas.

Semua bahan kimia yang ditambahkan selama berbagai proses pengolahan desalinasi bersifat food grade, dapat terurai secara hayati, dan disaring secara khusus agar tidak beracun bagi kehidupan akuatik. Limbah dari pabrik desalinasi juga tidak beracun dan tidak berbahaya bagi kehidupan laut dan dirancang untuk terurai dengan cepat tanpa menyebabkan perubahan permanen pada ekosistem laut di sekitarnya.

Baru-baru ini, desalinasi telah beralih ke desalinasi bebas bahan kimia dan pemulihan mineral berharga dan logam langka dari konsentratnya, dan desalinasi diharapkan menjadi salah satu alternatif pasokan air yang paling ramah lingkungan dan berkelanjutan di abad ini.

Dalam lima tahun terakhir, banyak negara dengan pabrik desalinasi besar, seperti Australia, Spanyol, Arab Saudi, dan negara-negara Timur Tengah lainnya, telah mulai menerapkan program desalinasi ramah lingkungan yang komprehensif yang bertujuan untuk mengurangi jumlah dan variasi bahan kimia yang digunakan dalam desalinasi. proses produksi. Rencana ini akan memanfaatkan kemajuan terkini dalam teknologi dan penelitian desalinasi untuk mengubah semua fasilitas yang ada menjadi pabrik desalinasi bebas bahan kimia.

Pabrik desalinasi secara historis menggunakan natrium hipoklorit untuk mengklorinasi air yang masuk guna menghambat pertumbuhan organisme laut di pipa saluran masuk dan pada membran osmosis balik.

Sebagian besar operator pabrik desalinasi meninggalkan praktik ini hampir satu dekade yang lalu dan sekarang hanya menggunakan klorinasi sekali atau dua kali sebulan selama 6 hingga 8 jam setiap kalinya.

Selain itu, beberapa pengelola pabrik desalinasi tidak menggunakan disinfektan apa pun pada air laut yang masuk karena mereka lebih memilih menggunakan sistem pra-perawatan pabrik desalinasi untuk mengendalikan biofouling daripada bahan kimia.

Ferri klorida dan besi sulfat saat ini merupakan koagulan yang paling umum digunakan untuk pengolahan awal air laut. Di masa lalu, bahan kimia ini ditambahkan dengan laju yang konstan dan dalam jumlah yang relatif tinggi.

Industri desalinasi telah menerapkan pemantauan otomatis terhadap kandungan padatan dalam air laut dan secara otomatis menyesuaikan dosis koagulan sebanding dengan kandungan padatan tersuspensi sebenarnya dalam air.

Sebagian besar pabrik di seluruh dunia telah menerapkan strategi operasi ini selama 10 tahun terakhir, sehingga mengurangi penggunaan koagulan menjadi kurang dari setengah penggunaan sebelumnya.

Hingga satu dekade lalu, banyak pabrik desalinasi menggunakan asam dan flokulan untuk mengoptimalkan bahan kimia pengolahan air.

Saat ini, sebagian besar pabrik desalinasi yang canggih dan insinyur berpengalaman tidak lagi menggunakan asam dan flokulan untuk pengolahan awal, namun mengandalkan sistem dan operasi pengolahan awal yang dioptimalkan untuk mengelola bahan kimia pengolahan air.

Hingga tahun 2010, antiscalant dan natrium hidroksida umumnya digunakan di banyak pabrik desalinasi, terutama untuk mencegah kerak yang disebabkan oleh penghilangan boron dari air desalinasi. Pada tahun 2011, Organisasi Kesehatan Dunia meningkatkan batas pedoman boron dalam air minum dari 0,5 mg/L menjadi 2,4 mg/L, dan sejak itu, sebagian besar pabrik desalinasi telah berhenti menambahkan natrium hidroksida dan antiscalant.

Langkah selanjutnya dalam mengadopsi teknologi baru yang bebas bahan kimia dan berbasis energi terbarukan adalah melakukan pengolahan pasca-pengolahan air desalinasi menggunakan kalsium yang diekstraksi dari air garam, dibandingkan menggunakan senyawa kalsium yang tersedia secara komersial seperti kapur.

Pemisahan garam dari air laut memerlukan energi yang besar untuk mengatasi tekanan osmotik alami pada membran reverse osmosis. Meskipun jejak karbon dari memproduksi air minum dari air desalinasi lebih tinggi dibandingkan memproduksi air minum dari sumber air tawar tradisional, namun jejak karbon tersebut lebih rendah dibandingkan aktivitas manusia lainnya yang meningkatkan kualitas hidup, seperti mendinginkan makanan, memanaskan air mandi, mengendarai mobil pribadi, atau terbang. di pesawat terbang.

Saat ini, sebagian besar pabrik desalinasi menggunakan bahan bakar fosil untuk menghasilkan listrik. Namun, beberapa proyek pembangkit listrik tenaga angin baru-baru ini di Australia telah dilaksanakan di pabrik desalinasi SWRO, yang menghasilkan listrik sebanyak yang digunakan oleh pabrik desalinasi. Beberapa negara Timur Tengah dan Afrika Utara telah mengambil inisiatif untuk mengembangkan portofolio pembangkit listrik energi terbarukan yang kuat guna menyediakan listrik untuk desalinasi.

Sambil menjajaki alternatif energi terbarukan, pusat penelitian terkemuka dunia di Amerika Serikat, Arab Saudi, dan Eropa sedang mengembangkan perangkat pemulihan energi generasi baru, pompa dan membran bertekanan tinggi yang bertujuan untuk mengurangi total konsumsi energi desalinasi menjadi kurang dari 2,45. kWh/m³dan kebutuhan energi desalinasi reverse osmosis kurang dari 1,8 kWh/m2³. Kemajuan ini akan mengurangi total konsumsi energi dan jejak karbon dari pabrik desalinasi hingga lebih dari 30%.

Sejak diperkenalkannya alat penukar tekanan pertama pada tahun 2001, teknologi disruptif ini telah meningkatkan efisiensi pemulihan energi desalinasi dari 75% menjadi 96%. Namun, masih ada peluang untuk meningkatkan pemulihan energi hingga maksimum teoritis sebesar 99%.