1. No category

Det Rene Vand
- Fremtidens vandbehandling
”Anyone who can solve the
problems of water will be worthy of two
Nobel prizes
- One for peace and one for science”
John F. Kennedy
HENRIK TÆKKER MADSEN
ADJUNKT
AALBORG UNIVERSITET
SEKTION FOR BÆREDYGTIG BIOTEKNOLOGI
Hvorfor overhovedet vand???
2
D
E
N
B
L
Å
P
L
A
N
E
T
Saltvand
97,5%
Ferskvand
2,5%
Is & sne
70,0%
Grundvan
d 29,7%
Floder &
søer
0,3%
3
Det hydrologiske kredsløb
4
The World’s Water Crisis *
Det globale perspektiv – en mængdemæssige krise
F N e s t i m e r e r, a t v i b r u g e r 5 4 % a f d e t i l g æ n g e l i g e v a n d r e s s o u r c e r
( b a s e r e t p å r a p p o r t a t S h i k l o m a n o v, 1 9 9 9 )
* Ikke blot en fancy overskrift, men titlen på det
første kapitel i den første udgave af FN’s World
Water Development Rapport
5
Den Menneskelige Faktor
Produkt
1 liter øl
Liter vand i
produktionen
300
1 L mælk
1.000
1 hvedefranskbrød
1.600
1 kg sukker
1.800
1 kg ris
2.500
1 bomulds t-shirt
2.700
1 par jeans
11.000
1 kg oksekød
15.400
6
Den Menneskelige Faktor
7
Den danske vandkrise - Pesticidforurening
90%
Andel af vandprøver med fund af
pesticider på globalt plan
99%
Andel af danske børn med
pesticider i deres urin
25%
Andel af dansk drikkevand,
hvori der findes pesticider
70%
Andel af drikkevandet i Esbjerg som må hentes
40 km væk på grund af pesticidforurening af det
lokale grundvand
Steder i Danmark hvor der er fundet pesticider i grund- og drikkevand
(små private boringer er ikke vist)
Den danske vandkrise - Hormonforstyrrende stoffer
: Steder med observerede
hormonelle påvirkninger
C a s e : Ve j l e
• Å l e k v a b b e r i Ve j l e F j o r d ( b l . a . ) e r b l e v e t
observeret til at blive født misdannede og
undergå hormonrelaterede forandringer
Stof
Udslip pr.
dag
Blommeprotein
Intersex
E1
36 g
10 ng/L
30 ng/L
E2
340 g
5 ng/L
10 ng/L
E3
69 g
500 ng/L
1000 ng/L
EE2
3,2 g
0,1 ng/L
0,1 ng/L
NP
0,1-2,73 ton
5 µg/L
30-100 µg/L
BPA
2 kg
Phtalater
?
10-40 µg/L
10-40 µg/L
Det aktive stof i P-piller
?
?
Perflour
?
?
?
Vand – Et fokusområde for dansk eksport
”
Vand- og miljøteknologi
er danske spidskompetencer
på det globale marked…..
Eksporten af vand- og
miljøydelser er i god vækst og
må forventes at komme til at
udgøre en betydelig del af
fremtidig dansk eksport
Udenrigsministeriet
”
I forhold til vandløsninger
forventes en af de store globale
udfordringer at blive knaphed
på ferskvand…. Rensning af
drikke- og spildevand vil være
helt centralt
Vækstteam for vand, bio og
miljøløsninger
10
Hvor gode er vi så?
- Nuværende vandværksteknologi
11
Effekt af nuværende vandværksteknologi
Fjernelse af pesticider i sandfiltre
Ens værdier for alle fire
pesticider gennem
filtreringsprocessen
INGEN FJERNELSE
Fra Kowalski K. & Madsen H. T., Comparison of sand and membrane filtration as non-chemical pre-treatment strategies for
pesticide removal with nanofiltration/low pressure reverse osmosis membranes, Water Science and Technology: Water Supply
NEWater – Inspiration fra andre
Erfaringer fra Singapore
Lille land (ø), uden naturlige søer eller
grundvandsmagasiner og de samler derfor alt det
vand de kan og det har medført behov for
a v a n c e r e d e v a n d b e h a n d l i n g s t e k n i k k e r.
Membranfiltrering
REGN
Behandling af
spildevand
HAV
Genindvinding
af spildevand
Opsamling
af regnvand
Afsaltning
Behandling til
drikkevand
Opsamling af
spildevand
Forsyning til
befolkning
og industri
13
Membranfiltering – Hvordan fungerer det?
Filtrering baseret på størrelse
Membrankategorier
Permeate
Feed
Kun partikler, der er mindre end membranens porer, kan
passere
Typisk størrelse på et pesticid
Materialer fra Madsen HT (2014). Membrane filtration in Water Treatment – Removal of Micropollutants. In: Søgaard EG, editor. Chemistry
of Advanced Environmental Purification Processes of Water. 1st ed. Elsevier; p. 199-248
14
Anvendelighed af eksisterende membraner
Filtrering af fire pesticider
DEIA
Pesticid
Transformations
Produkter
BAM
Atrazin
Pesticider
Bentazon
NF
LPRO
RO
Fra Madsen HT and Søgaard EG (2014). Separation and
Purification Technology, 125, 111-119
15
Ændring i adsorptionskapacitet
Forbedring af membraner
Brug af adsorbenter i membranen
Koncept
100% pesticider
98-99% pesticider
1-2% pesticider
Langtids adsorptionsevne
Adsorbent
0% pesticider
SEM billeder af faktisk membran (venstre) og polymeropløsninger
med forskellige adsorbenter (højre)
16
Fremtiden for vandbehandling
- Designet vand
Blødgøring
Desinficering
Pesticidfjernelse
…
Omvendt osmose Koncentrat
(≈ 10%)
membraner
Designet vand
(≈ 3-5 bar)
Renset vand
(≈ 90%)
0.2 kWh/m3
Energiforbrug for
membran
17
Næste generation af membranteknologi:
- Biomimetiske osmosemembraner
“The Tao of Water Treatment”
18
Osmosis – Princippet
Ferskvand
Saltvand
Tid
Natural process
Zero energy required
19
SECTION OF CHEM ICAL ENGINEERING
20
orking with
ature – Den biomimetiske tilgang
Aquaporiner i en naturlig membran
Effekt af aquaporiner på membranflux
Bedste membran
på markedet
1437
Ingen
aquaporiner
639
544
376
153
Stigende mængde af
aquaporin proteiner
21
Potentielle anvendelsesområder
- Vandbehandling i rummet
22
Potentielle anvendelsesområder
- Vandbehandling i rummet
Fordele ved “Space osmosis”
• Lav vægt
• Intet behov for tunge
højtrykspumper
• Kan drives udelukkende af
solenergi
Udfordringer
• Ingen tyngdekraft. Effekt på
processen?
Den danske astronaut, Andreas
Mogensen, i gang med at lave
eksperimenter med ”zero gravity
filtration” ombord på ISS
23
Potentielle anvendelsesområder
- Selvdrevne spildevandsanlæg
Tilbageholdelse (%)
100
80
60
40
20
0
DEIA
145 Da
Havvand som
den drivende
kraft
Osmosemembran
BAM
190 Da
Atrazine
216 Da
Osmose membraner kan udgøre en
fuldstændig barrier, der fjerner:
•
•
•
•
•
Bakterier & virus
Medicinrester & pesticider
Mikroplastik
Næringsstoffer
….
24
Potentielle anvendelsesområder
- Brug af havvand til vanding: Fertigation
Hav- eller
brakvand
Salt-brine
Fortyndet gødning,
klar til brug
Koncentret gødning
Muliggør brug af lavkvalitetsvand I
landbruget, hvilket nedsætter belastningen af
drikkevandsressourcerne.
Tommelfinger regel: 1 kg gødning kan
25
ekstrahere 11-29 L vand fra havvand (mere
hvis det er brakvand).
Potentielle anvendelsesområder
- Avanceret dosering af medicin
Osmotisk doseringssystem
Membran
Medicin reservoir
Stempel
Udsendelse
af medicin
0
0
Pumpehastigheden kan kontrolleres ved at
styre mængden af aquaporiner i membranen
Osmotic pump
Concentration
Osmotisk ”motor”
Traditional
Time
Koncentration af medicin i kroppen over tid
som funktion af forskellige doseringsmetoder
Potentielle anvendelsesområder
- Energiproduktion: Blå energi
27
Potentielle anvendelsesområder
- Energiproduktion: Blå energi
Fortyndet
saltvand
Draw
(høj salinitet)
Energigenerering
Fortyndet
saltvand
Feed
(lav salinitet)
Udnytter forskelle i osmotisk tryk til at
udvinde energi fra vandkilder.
Når en flod løber ud i havet genereres,
0.8 kWh per kubikmeter flodvand
Den årlige energiproduktion fra en flod
som Rhinen kunne være 19,520 GWh
28
Saltkraft på Aalborg Universitet
Verdens første hypersalte saltkraftværk
10 mio DKK EUDP projekt
Pilotanlæg
“Osmotic power generation from
geothermal wells”
Aalborg Universitet
Applied Biomimetic
Danfoss
Sønderborg Fjernvarme
Hofor/HGS
Dansk Fjernvarmes Geotermiselskab
29