Solenergi kan göra mer än att leverera ren energi – den kan generera rent vatten i torra regioner

I länder som Kanada och Brasilien är tillgången till färskvatten sällan ett problem.  Men verkligheten är att det finns många befolkade och torra regioner världen över där färskvatten är en lyx.  Lyckligtvis finns redan lösningar på plats och under utveckling för att tackla detta problem – såsom atmosfäriska vattenuppsamlande enheter (AWH)

I ett nyligen genombrott har forskare utvecklat en potentiellt revolutionerande atmosfärisk vattenuppsamlande enhet som utnyttjar solenergidriven passiv adsorptionsbaserad teknik.  Kärnan i denna innovation ligger i dess användning av nyutvecklade ‘superhygroskopiska porösa geléer’.  Dessa består av titanimid, hydroxypropylmetylcellulosa och LiCl (THL) och har visat exceptionella vattenadsorptionskapaciteter över ett brett spektrum av luftfuktigheter (15 %–90 % relativ luftfuktighet).  Den unika kombinationen av material sägs möjliggöra snabb adsorptions- och desorptionskinetik (hastigheten med vilken ett tidigare adsorberat ämne frigörs), vilket avsevärt förbättrar effektiviteten när den används i atmosfäriska vattenuppsamlande enheter.

Den studie som publicerades, som beskriver det ovan nämnda genombrottet, understryker enhetens förmåga att uppnå höga vattenavkastningar även i torra miljöer, med dess praktiska tillämpning redan validerad genom utomhustester under olika årstider.

Denna AWH-teknik, som visar ett hållbart och effektivt tillvägagångssätt för att mildra vattenbrist i torra regioner, står sig väl i jämförelse med andra soldrivna vattenuppsamlingssystem och uppfyller dessutom WHO:s standarder för dricksvatten.

Atmosfäriska vattenuppsamlande enheter

Alltså, en ny hygroskopisk porös gel har utvecklats som bör öka effektiviteten och verkningsgraden hos AWH-enheter som används världen över.  Detta är fantastiskt, men hur fungerar dessa enheter egentligen?

Som namnet antyder är en Atmosfärisk Vattenuppsamlande Enhet (AWH) en anordning som är avsedd att extrahera vatten från luften. Dessa enheter är särskilt värdefulla i torra regioner där konventionella vattenkällor är knappa eller förorenade. Tekniken bakom befintliga AWH varierar, men den kretsar i allmänhet kring att fånga vattenånga från luften och kondensera den till flytande vatten.

Den mest vanliga designen av AWH-system är baserad på kondensationsprincipen, likt hur dagg bildas. Denna design involverar vanligtvis:

1. Luftintag: Luft sugs in i systemet med en fläkt.
2. Kylning och kondensation: Den fuktiga luften kyls sedan ner under sin daggpunkt, ofta med en kylskåps- eller Peltier-kylad kondensor, vilket får vattenångan att kondensera till droppar.
3. Vatteninsamling: Det kondenserade vattnet samlas i en reservoar, filtreras och ibland mineraliseras för smak.
4. Distribution: Slutligen lagras vattnet antingen för senare användning eller pumpas direkt för omedelbar konsumtion.

AWH-system kan variera i storlek från små, bärbara enheter som är lämpliga för individuellt eller hushållsbruk till stora, industriella installationer. Systemens effektivitet beror i stor utsträckning på omgivande luftfuktighet och temperatur; högre luftfuktighetsnivåer ger vanligtvis högre vattenavkastning – vilket förklarar varför varje förbättring av effektiviteten i torra miljöer är välkommen, såsom den som erbjuds genom användning av nya superhygroskopiska porösa geléer.

Med sin förmåga att skala i storlek används AWH ofta i olika miljöer:

Torra och torkutsatta områden: De tillhandahåller en kritisk källa till rent dricksvatten i regioner där vatten är knappt.

Militärapplikationer: Bärbara AWH-enheter är användbara för att förse trupper med vatten i avlägsna platser.

Fjärrsamhällen och nödhjälp: De erbjuder en omedelbar källa till dricksvatten i fjärrsamhällen eller under naturkatastrofer när traditionella vattenkällor är otillgängliga eller förorenade.

Jordbruk: Vissa AWH-system används för bevattning i torra regioner.

Framstegen inom AWH-teknik som involverar superhygroskopiska porösa geléer och MOF (metallorganiska ramverk) är redo att förbättra traditionella kylbaserade system, genom att erbjuda möjligheten att absorbera vattenånga till en mycket lägre energikostnad. Dessa innovationer bör göra AWH-enheter mer effektiva och genomförbara i ett bredare spektrum av klimatförhållanden.

Färskvattentillgångar

Det mesta av världens färskvatten finns i glaciärer och iskappar, vilket utgör cirka 69 % av de globala färskvattenresurserna. Dessa finns främst i polära regioner och högbergsområden, såsom Antarktis, Grönland och olika bergskedjor världen över. De näst största reservoarerna av färskvatten är grundvattenskällor, som utgör omkring 30 % av totalen. Endast en liten del (mindre än 1 %) av världens färskvatten är tillgängligt i floder, sjöar och atmosfären.

I regioner där atmosfäriska vattenuppsamlande enheter (AWH) behövs är rent vatten ofta svårt att hitta på grund av flera faktorer:

Torra klimat: Många regioner som behöver AWH är torra eller halvt torra med låg nederbörd. Detta inkluderar stora delar av Afrika, Mellanöstern, delar av Sydamerika, Centralasien och Australien.

Grundvattens uttömning och förorening: Överutnyttjande av grundvatten för jordbruk och dricksvatten, i kombination med otillräcklig återfyllning, leder till uttömning. Dessutom kan grundvatten förorenas av naturliga och mänskliga föroreningar, vilket gör det osäkert för konsumtion.

Brist på infrastruktur: Många avlägsna eller underutvecklade områden saknar infrastruktur för att samla in, behandla och distribuera vatten. Detta förvärras ofta av ekonomiska begränsningar.

Klimatförändringar: Förändringar i klimatmönster påverkar traditionella vattenkällor. Vissa regioner upplever långvariga torkor, medan andra står inför smältning av glaciärer, vilket påverkar den långsiktiga vattentillgången.

Överbefolkning och urbanisering: I tätbefolkade eller snabbt urbaniserande områden kan befintliga vattenförsörjningar vara otillräckliga för att möta efterfrågan. Dessutom leder urbanisering ofta till förorening av tillgängliga vattenkällor.

Politiska och ekonomiska utmaningar: I vissa fall påverkas förvaltning och distribution av vattenresurser av politiska och ekonomiska frågor, vilket leder till ojämlik tillgång till vatten.

AWH erbjuder ett alternativ genom att extrahera vatten från luften, vilket kan vara en livskraftig lösning i områden där andra källor är obefintliga, otillräckliga eller osäkra. Denna teknik är särskilt värdefull i regioner där luften är fuktig men nederbörden är låg, vilket gör konventionella vattenkällor opålitliga.

Nuvarande lösningar

I dagsläget finns flera teknologier som konkurrerar med eller kompletterar Atmosfäriska Vattenuppsamlande Enheter (AWH) för att generera färskvatten, särskilt i områden där vattenbrist är ett betydande problem.  Dock har varje teknik sina egna fördelar och utmaningar.  Några av de mest anmärkningsvärda alternativa lösningarna inkluderar,

Avsaltning: Detta är en av de mest framträdande metoderna för att producera färskvatten från havsvatten eller bräckt vatten. Avsaltning använder huvudsakligen två teknologier: omvänd osmos, som filtrerar vatten genom ett semipermeabelt membran, och termisk avsaltning, som innebär uppvärmning och avdunstning av vatten och sedan kondensation av ångan.  Avsaltningsanläggningar är särskilt vanliga i torra regioner som Mellanöstern.  Även om den är effektiv är avsaltning vanligtvis dyr och kräver stora mängder energi.

Vattenåtervinning och återanvändning: Avancerade vattenbehandlingstekniker möjliggör återvinning av avloppsvatten till dricksvatten. Detta inkluderar behandling av avloppsvatten, industriellt och jordbruksvatten.  Återvunnet vatten kan användas för olika ändamål, inklusive bevattning, industriella processer och påfyllning av färskvattentillgångar.  Detta tillvägagångssätt kräver vanligtvis stora anläggningar och ökade driftskostnader.

Regnvatteninsamling: Detta är en enklare och mer traditionell metod för att samla in och lagra regnvatten för senare bruk.  Regnvatteninsamlingssystem fångar vatten från tak eller andra ytor och lagrar det i tankar.  Även om den är mindre tekniskt avancerad än AWH, är den ett hållbart sätt att komplettera vattenförsörjningen, särskilt i regioner med säsongsbetonad nederbörd.  Eftersom metoden är beroende av regn är den inte lika pålitlig som vissa andra tillvägagångssätt.  Det finns dessutom ingen garanti för att det insamlade vattnet inte behöver ytterligare behandling för att säkerställa att det är säkert för konsumtion.

Dimmuppsamling: Liknande AWH-enheter samlar dimmuppsamlande enheter vatten från atmosfären.  De använder stora masknät för att fånga vattendroppar i dimma, som sedan samlas och droppar ner i insamlingsbehållare.  Denna metod är lämplig i kust- eller bergsområden där dimma är vanlig.

Grundvattenpåfyllning: Detta innebär att leda regnvatten eller återvunnet vatten ner i marken för att fylla på akviferer.  Tekniker inkluderar byggandet av påfyllningsbassänger, infiltrationsdammar och användning av genomträngliga beläggningar.  Det är en metod för att säkerställa hållbara grundvattentillgångar, vilket är en viktig källa till färskvatten i många regioner.

Solvattenstill: En enkel teknik där solenergi används för att avdunsta förorenat eller salt vatten, och kondensatet samlas som destillerat vatten.  Denna metod är mer lämplig för småskaliga tillämpningar och är särskilt användbar i avlägsna områden med rikligt solljus.

Var och en av dessa teknologier har sina tillämpningsnischer baserade på geografiska, klimatmässiga och ekonomiska faktorer.  I många fall används en kombination av dessa teknologier för att säkerställa en pålitlig och hållbar vattenförsörjning.