Klimamodelle und das Bevölkerungswachstum deuten auf eine zunehmende Verknappung von Frischwasser hin, aber neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin Entsalzung von brackigem Grundwasser könnte helfen, das Problem zu lindern.

Die Studie wird von MIT-Forschern durchgeführt und liefert eine gründliche Analyse der Energiemenge, die benötigt wird, um verschiedene Zusammensetzungen von Brackwasser zu entsalzen, und deren potentielle Verwendung sowohl in den USA als auch im Ausland.

Die Forschung ist veröffentlicht in der Zeitschrift Wasserforschung.

Was ist Brackwasser Grundwasser?

Brackiges Grundwasser ist Wasser, das mehr Salzgehalt als Süßwasser, aber nicht so viel wie Meerwasser enthält.

Die Menge an Brackwasser in den USA ist ungefähr 800-mal so groß wie die Gesamtmenge an Grundwasser, das landesweit entnommen wird, und dennoch stammt weniger als ein Prozent der Wasserversorgung des Landes aus dieser Quelle. Stattdessen stammt etwa ein Fünftel des US-amerikanischen Trinkwassers aus frischem Grundwasser.

Aber laut den Forschern könnte die Verwendung von nur einem Bruchteil des reichlich vorhandenen Brackwassers in den USA die Aussichten für wasserhungrige Gemeinschaften dramatisch verbessern.

„Die USA haben mehr brackiges Grundwasser als frisches Grundwasser. Und ein Großteil des Süßwassers der Welt wird intensiv genutzt, so dass viele Süßwasser-Grundwasserleiter Anzeichen eines Rückgangs aufweisen “, sagte er John Lienhard, Direktor der Abdul Latif Jameel Weltlabor für Wasser und Lebensmittelsicherheit am MIT.

Bis vor kurzem jedoch war Brackwasser eine weitgehend übersehene Ressource.

Untersuchung einer neuen Wasserquelle

Die Forschung begann in 2015, als Lienhard auf einer Konferenz einen Wissenschaftler des US Geological Survey (USGS) traf und etwas über die Sammlung von mehr als 100,000-Grundwasserproben aus Brunnen durch die Agentur erfuhr.

"Ich war fasziniert und habe mich gefragt, was wir über die Auswirkungen der Zusammensetzung des Grundwassers auf den Entsalzungsprozess wissen", sagte Lienhard in einer Erklärung.

Er diskutierte die Frage mit Yvana Ahdab, einer MIT-Doktorandin und Co-Autorin der Studie, die sie recherchierte und fand, dass es zwar zahlreiche Analysen zur Zusammensetzung des Meerwassers in der ganzen Welt gab, aber keine vergleichbaren Studien für das Grundwasser.

Dies ist wahrscheinlich auf die Tatsache zurückzuführen, dass die Zusammensetzung des Grundwassers sowohl im Salzgehalt als auch in der Konzentration anderer Stoffe wie Calcium und Sulfat stärker variiert als das Meerwasser.

Ungeachtet dessen machten sich die Forscher daran, den USGS-Datensatz zu analysieren und zu verstehen, wie die brackige Grundwasserzusammensetzung die Entsalzung beeinflussen könnte.

Analysieren von Zusammensetzungen

Meerwasser ist die Hauptquelle für bestehende Entsalzungssysteme, daher wurde die Technologie größtenteils für die Zusammensetzung von Meerwasser entwickelt und abgestimmt.

Und da das Brackwasser so anders ist, wollten die Forscher die theoretischen Grenzen der möglichen Reduzierung der Energie für die Entsalzung von Brackwasser mit einer bestimmten Zusammensetzung untersuchen.

Unter Verwendung der Thermodynamik, einer Wissenschaft, die sich mit der Beziehung zwischen Wärme und Energie befasst, untersuchten die Forscher, wie unterschiedliche Zusammensetzungen von Brackwasser die Energie für die Entsalzung beeinflussen.

„Mit Hilfe der Thermodynamik können wir untersuchen, wie sich verschiedene Salzmischungen auf die Energie auswirken, die zur Trennung von Süßwasser und Salzwasser benötigt wird“, sagte Lienhard. „Diese thermodynamische Modellierung zeigt uns den minimal möglichen Energiebedarf - als ob wir ein perfekt effizientes Entsalzungssystem hätten. Wir haben uns auch die Zahlen für echte Hardware angesehen, um den Raum für technologische Verbesserungen einzuschätzen. “

Die Forscher fanden heraus, dass die Zusammensetzungen in fünf Klassen fallen: einige werden von Natriumchlorid, Natriumbicarbonat oder Natriumsulfat dominiert, während andere von Calciumbicarbonat oder Calciumsulfat dominiert werden, erklärten sie.

Sie stellten fest, dass das von Natrium dominierte Grundwasser eine höhere Energie für die Entsalzung benötigt als die von Kalzium dominierten, während die von Chlorid dominierten mehr Energie benötigen als die von Sulfat dominierten.

Darüber hinaus fanden die Forscher heraus, dass ein großer Vorteil der Entsalzung von Brackwasser anstelle von Meerwasser die Wiederfindungsrate ist. Meerwasserentsalzung liefert typischerweise die Hälfte ihres Volumens in Süßwasser, aber Entsalzung von Brackwasser kann bis zu 90 Prozent Süßwasser ergeben, so die Forscher.

Standorte analysieren

Nach der Analyse der Zusammensetzung legte das Team auch die Standorte potentiell nutzbarer Brackwasser-Grundwasserquellen in Regionen fest, in denen die Wasserversorgung am stärksten belastet ist.

Die Ergebnisse weisen auf viele Standorte hin, darunter Southern California, Arizona und Gebiete im oberen mittleren Westen.

Obwohl der vollständigste Datensatz auf US-Bohrungen basierte, untersuchte das Team auch andere Probengruppen aus Regionen in Asien, Australien, Europa, Nordamerika und Südamerika und fand heraus, dass die US-Trends von behandelbarem Brackwasser wahrscheinlich in den meisten Teilen reproduzierbar sind der Welt.

Zusammenfassung

Die Informationen über Brackwasser Grundwasserzusammensetzungen, gekoppelt mit Karten von Brackwasser Grundwasserquellen im ganzen Land, kann dazu beitragen, Pläne zur Entwicklung neuer Wasserressourcen zu führen, glauben die Forscher.

Die Forscher untersuchen weiterhin brackiges Grundwasser und hoffen, dass die Ressource bald als Mittel zur Erweiterung der Süßwasserversorgung genutzt wird.  

„Die wachsende Bevölkerung und ein sich erwärmendes und variableres Klima stellen unsere Städte, Bauernhöfe und die Industrie vor beispiellose Herausforderungen“, sagte Lienhard. „Die nachhaltige Nutzung von Brackwasser durch Entsalzung kann zur Erweiterung unserer Süßwasserversorgung beitragen. Dieser Ansatz kann ein Bestandteil einer integrierten Wasserwirtschaftsstrategie für die vielen Teile der Welt sein, die von Wasserknappheit bedroht sind. “