Poate desalinizarea potoli setea agriculturii?

Ralph Loya era destul de sigur că avea să piardă porumbul. Ferma lui fusese pârjolită de cel mai fierbinte iunie din El Paso și al doilea cel mai fierbinte august; județul West Texas a înregistrat o creștere de 53 de zile peste 100° Fahrenheit în vara anului 2024. De asemenea, regiunea se confrunta cu o secetă continuă, ceea ce a însemnat că culturile de pe cei peste opt acri de pepeni, bame, castraveți și alte produse din Loya au trebuit să fie udat mai des decât în ​​mod normal.

Loya își irigase porumbul cu apă oarecum sărată sau sălmată, pompată din fântâna lui, atât cât putea tolera cultura sensibilă la sare. Nu era de ajuns, iar apa municipală era scumpă; îl folosea cu măsură, iar spicele de porumb se uscau acolo unde stăteau.

Asigurarea supraviețuirii agriculturii într-un climat din ce în ce mai neregulat se apropie de a criză în Occidentul senin și înăbușitor și Sud-vest Statele Unite ale Americii, o zonă care furnizează o mare parte din carnea noastră de vită și lactate, lucernă, nuci și produse. Confruntandu-se cu prea putina apa pentru a-și susține plantele și animalele, fermierii au lucrat sub recolte, au scos copaci, au lăsat câmpuri în pământ și au vândut turmele. Au folosit și irigarea prin picurare pentru a injecta doze mai mici de apă mai aproape de rădăcinile plantei și senzori instalați în sol care spun mai precis când și cât de mult trebuie udat.

În ultimii cinci ani, cercetătorii au început să înțeleagă modul în care apa salmară, scoasă din subteran acviferear putea fi desarate suficient de ieftin pentru a oferi fermierilor un alt instrument de rezistență la apă. Proprietatea lui Loya, care își extrage apa ușor sărată din Hueco Bolson acviferul, este pe cale să devină un sit pilot pentru a testa cât de eficient poate fi folosită apa subterană desalinizată pentru a cultiva culturi în locuri altfel lipsite de apă.

Desalinizarea face ca apa sărată să fie mai puțin. Se aplică de obicei apei aspirate din ocean, în general pe terenuri aride cu puține opțiuni; unele țări din Golf, Africa și insulare se bazează în mare măsură sau în totalitate pe apa de mare desalinizată. Desalinizarea interioară are loc departe de coastă, cu ape acvifere care sunt salmastre – conținând între 1.000 și 10.000 de miligrame de sare pe litrufață de aproximativ 35.000 de miligrame pe litru pentru apa de mare. Texasul are mai mult de trei duzini de centrale de desalinizare a apelor subterane salmastre, California mai mult de 20.

O astfel de tehnologie a fost mult timp considerată prea costisitoare pentru agricultură. Unii experți încă mai cred că este un vis. „O vedem ca o soluție frumoasă, potrivită în anumite contexte, dar pentru agricultură, este greu de justificat, sincer”, spune Brad Franklineconomist în agricultură și mediu la Institutul de Politici Publice din California. Desalinizarea unui acru-picior (aproape 326.000 de galoane) de apă subterană sălmată pentru culturi costă acum aproximativ 800 de dolari, în timp ce fermierii pot plăti mult mai puțin – până la 3 dolari un acru-picior pentru unii deținători de drepturi înalți în unele locuri – pentru apă proaspătă municipală. Ca urmare, desalinizarea a fost în mare parte rezervată pentru a face lichid care este potrivit pentru oameni să bea. În unele cazuri, de asemenea, desalinizarea interioară poate fi riscantă pentru mediu, punând în pericol plantele și animalele din apropiere și reducând debitele cursurilor.

Dar cel Biroul de Recuperare al SUAîmpreună cu o operațiune de cercetare numită Alianța Națională pentru Inovarea în Apă (NAWI) care au primit 185 de milioane de dolari de la Departamentul de Energie, au investit recent în proiecte care ar putea schimba această paradigmă. Recunoscând nevoia urgentă de apă proaspătă pentru ferme – care în SUA sunt în mare parte interioare – combinată cu apa abundentă, chiar sărată de sub picioarele noastre, aceste entități au finanțat proiecte care ar putea ajuta la promovarea sistemelor de desalinizare mici, descentralizate, care pot fi amplasate chiar în ferme. unde este nevoie de ele. Loya’s este unul dintre ei.

Fermele americane consumă peste 83 de milioane de acri-picior (mai mult de 27 de trilioane de galoane) de apă de irigare în fiecare an – a doua industrie ca consumatoare de apă din țară, după energia termoelectrică. Nu toate acviferele sunt salmastre, dar cele mai multe dintre acestea există în vestul țăriiși de obicei sunt mai saline cu cât săpi mai adânc. Cu apa dulce de peste tot în lume devenind mai sărată datorita activitatii umane„trebuie să rezolvăm desalarea interioară pentru ag… pentru a crește cât de multă hrană avem nevoie”, spune Susan Amrose, cercetător la MIT care studiază în interior desalinizare în Orientul Mijlociu și Africa de Nord.

Aceasta înseamnă scăderea costurilor de energie și a altor costuri operaționale, făcând sistemele ușor de utilizat pentru fermieri; și descoperirea modului de tăiat saramura reziduală, care necesită eliminare și este considerată „călcâiul lui Ahile” al procesului, potrivit unui cercetător.

Ultima jumătate de deceniu de reparații științifice dă acum rezultate tangibile, spune Peter Fiske, directorul executiv al NAWI. „Credem că avem o linie de vedere clară pentru apa de calitate agricolă.”

Înghițind costul ridicat

Fiske consideră că mini-instalele din fermă pot fi rentabile pentru producție culturi de mare valoare precum broccoli, fructele de pădure și nucile, dintre care unele au nevoie de multă irigare. Acești 800 USD pe acru-picior au fost obținute prin reducerea consumului de energie, reducerea saramură și revoluționarea anumitor părți și materiale. Este încă scump, dar merită fără îndoială pentru un fermier care cultivă migdale sau fistic în California – spre deosebire de fermierii care cultivă culturi de mărfuri cu valoare mai mică, cum ar fi grâul și soia, pentru care desalinizarea probabil nu se va dovedi niciodată accesibilă. Ca fermier de nuci, „aș înregistra până la 800 de dolari pe acru-picior de apă până când vacile vin acasă”, spune Fiske.

Pilotul Loya este construit cu finanțare Biroul de Recuperare și va folosi un proces comun numit osmoza inversa. Presiunea împinge apa sărată printr-o membrană semi-permeabilă; apa proaspătă iese pe cealaltă parte, lăsând săruri în urmă sub formă de saramură concentrată. Loya crede că poate câștiga bani frumoși folosind apa desalinizată pentru a crește nu doar porumb agitat, ci și mai agitat. strugurii s-ar putea să vândă cu primă vinării locale.

Un astfel de sistem mic împărtășește unele dintre problemele verilor săi la scară largă – în principal, eliminarea saramură. El Paso, de exemplu, se mândrește cu cea mai mare fabrică de desalinizare interioară din lumeceea ce face 27,5 milioane de galoane de apă potabilă proaspătă pe zi. Acolo, fiecare galon de apă salmară este împărțit în două fluxuri: apă dulce și saramură reziduală, într-un raport de 83% la 17%. Deoarece nu există ocean în care să arunce saramură, ca și în cazul desalinării apei de mare, această plantă o injectează în formațiuni de roci poroase, adânci – un proces prea costisitor și complicat pentru fermieri.

Dar dacă desalinizarea ar putea crea 90 sau 95% apă dulce și 5 până la 10% saramură? Dacă ai putea obține 100% apă proaspătă, cu doar o pungă de săruri uscate rămase? Manipularea acelor solide este mult mai sigură și mai ușoară, „pentru că saramura cu apă super sărată este cu adevărat corozivă… așa că trebuie să o transportați în camioane din oțel inoxidabil”, spune Fiske.

În cele din urmă, dacă acele săruri ar putea fi divizat în componente—litiu, esențial pentru baterii; magneziu, folosit la crearea aliajelor; gips, transformat în gips-carton; precum și aur, platină și alte elemente din pământuri rare care pot fi vândute producătorilor? Deja, uzina El Paso participă gips „minier” și acid clorhidric pentru clienții industriali.

Saramura lui Loya va fi introdusă într-un iaz de evaporare. În cele din urmă, va trebui să plătească pentru a depozita solidele uscate, spune Quantum Wei, fondator și CEO al Desalinizarea armonieicare construiește uzina lui Loya. Mai sunt și alte cheltuieli: forarea unui puț (Loya, din întâmplare, are deja una pentru a deservi proiectul); construirea instalației fizice; și furnizarea de energie electrică pentru pomparea apei zi de zi. Acestea sunt pastile financiare amare pentru un fermier. „Nu ne îmbogățim; în niciun caz”, spune Loya.

Mai mult cost vine din desalinizarea în sine. Energia necesară pentru osmoza inversă este multă, iar cu cât apa este mai sărată, cu atât necesarul este mai mare. În plus, membranele care prind sare sunt subțiri ca gossamer și toată această presiune le distruge; de asemenea, sunt gunked up și trebuie tratate cu substanțe chimice.

Osmoza inversă prezintă o altă problemă pentru fermieri. Nu elimină doar ionii de sare din apă, ci și ioni de minerale beneficede asemenea, cum ar fi calciu, magneziu și sulfat. Potrivit lui Amrose, aceasta înseamnă că fermierii trebuie să o facă adăugați îngrășământ sau amestecați în apă pretratată pentru a înlocui ionii esențiali pe care procesul i-a scos.

Pentru a evita astfel de provocări, o echipă finanțată de NAWI experimentează membrane de ultra-înaltă presiunerealizat din plastic mai rigid, care poate rezista la o împingere mult mai grea. Rezultatele de până acum arată „destul de încurajatoare”, spune Fiske. Un altul caută un sistem în care a solvent chimic aruncat în apă izolează sarea fără membrană, așa cum polimerul din interiorul scutecului absoarbe urina. Solventul, în acest caz, compusul dimetil eter obișnuit pentru prelucrarea alimentelor, ar fi folosit din nou și din nou pentru a evita deșeurile potențial toxice. S-a dovedit suficient de ieftin pentru a fi luat în considerare pentru uz agricol.

Amrose testează un sistem care utilizează electrodializa în loc de osmoză inversă. Acest lucru trimite o creștere constantă a tensiunii peste apă pentru a trage ionii de sare printr-o stivă alternativă de membrane încărcate pozitiv și negativ. Amrose explică: „Ionii negativi se îndreaptă către electrodul respectiv până când nu pot trece prin membrane și se blochează”, și același lucru se întâmplă cu ionii pozitivi. Procesul obține o recuperare de apă dulce mult mai mare în sistemele mici decât osmoza inversă și este de două ori mai eficient energetic la salinităţi mai mici. Membranele durează și mai mult – 10 ani față de trei până la cinci ani, spune Amrose – și pot permite minerale esențiale a trece prin.

Proiectare bazată pe date

La ferma lui Loya, Wei se plimbă cu proprietatea într-o dimineață înăbușitoare de vară cu o companie locală de inginerie pe care a apelat-o pentru a proiecta iazul de depozitare a saramurului. Loya este nerăbdătoare ca iazul să fie cât mai mic pentru a menține terenul arabil în producție; Wei este mai îngrijorat că este suficient de mare și de adânc. Pentru a lua în considerare acest lucru, el va analiza condițiile meteorologice medii din 1954, precum și cele mai defavorabile date din ultimii 25 de ani referitoare la ratele lunare de evaporare și precipitații. De asemenea, va împărți spațiul în două secțiuni, astfel încât una să poată fi curățată în timp ce cealaltă este în uz. Iazul lui Loya va avea probabil o zecime de acru, săpat la 3 până la 6 picioare adâncime.

Instalația de desalinizare va împerechea membranele de osmoză inversă cu un proces „batch”, împingând apa de mai multe ori în loc de o singură dată și crescând treptat presiunea. Osmoza inversă obișnuită este consumatoare de energie, deoarece aplică în mod constant cele mai mari presiuni, spune Wei, dar procesul Harmony economisește energie utilizând presiuni mai scăzute pentru început. O spălare inversă între cicluri previne depunerile prin dizolvarea cristalelor minerale și spălarea lor. „Aveți cu adevărat avantajul ca fermierul să nu aibă de-a face cu dozarea substanțelor chimice sau cu înlocuirea membranelor”, spune Wei. „Scopul nostru este să o facem cât mai nedureroasă posibil.”

O altă inovație Harmony concentrează resturile de saramură prin trecerea acesteia printr-o membrană de nanofiltrare în sistemul lor de lot; astfel de membrane sunt de obicei folosite pentru a pretrata apa pentru a reduce detartrarea sau pentru a recupera minerale, dar Wei crede că sistemul său este primul care le combină cu osmoză inversă în lot. „Asta este ceea ce va reduce cu adevărat volumele de saramură”, spune el. Întregul sistem va fi conectat la panouri solare, păstrând energia Loya în afara rețelei și, în esență, liberă. Dacă totul merge conform planului, sistemul va fi operațional până la începutul anului 2025 și va produce 7 galoane de apă dulce pe minut în timpul celui mai puternic soare al zilei, cu un obiectiv de recuperare a apei proaspete de 90 până la 95%. Orice apă care nu este folosită imediat pentru irigare va fi depozitat într-un rezervor.

Răspândirea cercetării

Nouăzeci și opt de mile nord de ferma lui Loya, de-a lungul unei întinderi de drum plat și la nesfârșit bej care înconjoară Gama de rachete White Sands, mai multe proiecte de desalinizare burbuie la Facilitatea Națională de Cercetare a Desalinizării apelor subterane salmastre în Alamogordo, New Mexico. Unitatea, condusă de Biroul de Recuperare, oferă oamenilor de știință un laborator și patru puțuri cu salinități diferite cu care să se joace.

Pe o suprafață uscată de la poalele Munților Sacramento, un proiect pilot de agricultură de lungă durată se coace în lumina soarelui necruțătoare. După câteva cuvinte preventive despre cele trei iazuri cu saramură de pe proprietate — „Au un miros interesant, între grădină zoologică și ocean”—manager de facilitate Malynda Cappelle conduce un cărucior de golf plin de vizitatori pe lângă rețele solare și rezervoare de apă până la o parcelă îngrădită de praf și plante. Aici, din 2019, o echipă de la Universitatea din North Texas, New Mexico State University și Colorado State University a testat floarea soarelui, fasolea și, în prezent, 16 loturi de fasole pinto. Unele parcele sunt pământ goale; altele sunt acoperite cu compost care stimulează nutrienții, menține solul umed și oferă o barieră de sare. Unele parcele sunt irigate prin picurare cu apă salmatră direct dintr-o fântână; unii primesc un amestec de apă desalinizată/salmatră.

Privind parcelele chiar și de la distanță, plantele din parcelele cu apă dulce arată mari și sănătoase. Dar cele cu compost sunt aproape la fel de viguroase, chiar si atunci cand sunt irigate cu apa salmastra. Acest ar putea avea implicații semnificative pentru fermierii conștienți de numerar. „Poate că facem un nivel mai mic de desalinizare, mai mult amestecare, iar acest lucru va reduce costul”, spune Cappelle.

Pei Xu a fost co-investigator al acestui proiect de la începutul său. Ea este, de asemenea, progenitoarea unui pilot finanțat de NAWI la uzina de desalinizare El Paso. Mai târziu, în cursul zilei, într-un spațiu cu tavan înalt de lângă camera de tratament a fabricii, ea își arată părțile de consecință. La fel ca sistemul lui Amrose, al ei folosește electrodializa. În acest caz, totuși, Xu își propune să stoarce puțină apă proaspătă suplimentară – cel puțin proaspătă – din saramura rămasă a plantei. Cu niveluri adecvate scăzute de salinitate, planta ar putea să o conducă către fermieri prin sistemul de canale existent al județului, transformând un produs rezidual într-o resursă valoroasă.

83 Comentarii