समुद्री पानी का desalination इतना कठिन क्यों है?
(practical.engineering)- San Diego के पास स्थित Carlsbad Desalination Plant हर दिन लगभग 5 करोड़ गैलन, 23,000㎥ मीठा पानी बनाता है और क्षेत्र के मीठे पानी का करीब 10% सप्लाई करता है, लेकिन दुनिया भर के 18,000 से अधिक desalination plant मिलकर भी वैश्विक पानी की मांग का 1% से कम पूरा करते हैं
- समुद्री पानी में आम तौर पर प्रति लीटर लगभग 35g नमक होता है, इसलिए पीने योग्य 1‰ से कम या मीठे पानी की ऊपरी सीमा 500ppm के स्तर तक लाने के लिए 98% से अधिक नमक हटाना जरूरी है
- Distillation का सिद्धांत सरल है, लेकिन प्रयोग में 200ml बनाने में करीब 2 घंटे और 1kWh लगा; आधुनिक संयंत्र waste heat, multi-stage evaporation और pressure reduction से thermal efficiency बढ़ाते हैं
- Reverse osmosis (RO) लगभग 600psi जैसे उच्च pressure से पानी को membrane के पार धकेलता है; प्रयोगात्मक उपकरण में 1 लीटर के लिए लगभग 5 मिनट और 1,200W लगे, लेकिन latest RO plant इसे 1~2kWh प्रति 1㎥ तक घटा सकते हैं
- वास्तविक लागत pre-treatment, membrane/evaporator की cleaning और replacement, post-treatment, brine disposal, बिजली की कीमत, और तकनीकी-कानूनी-राजनीतिक-पर्यावरणीय risk मिलकर बढ़ाते हैं, जिससे कई मामलों में इसे दूसरे water sources की तुलना में justify करना कठिन हो जाता है
Desalination के सामने बुनियादी आंकड़े
- California में San Diego के पास स्थित Carlsbad Desalination Plant समुद्र से सीधे पानी लेकर हर दिन लगभग 5 करोड़ गैलन या 23,000㎥ मीठा पानी बनाता है
- यह उत्पादन उस क्षेत्र के मीठे पानी का लगभग 10% है
- दुनिया भर में 18,000 से अधिक desalination plant चल रहे हैं, लेकिन वे जो पानी सप्लाई करते हैं वह वैश्विक पानी की मांग का 1% से कम है
- Desalination plant पूरे water industry की energy usage का एक-चौथाई consume करते हैं
- समुद्री पानी की salinity क्षेत्र और मौसम के हिसाब से थोड़ी बदलती है, लेकिन आम तौर पर इसमें प्रति 1 लीटर लगभग 35g घुले हुए salts होते हैं
- यह 35‰, यानी parts per thousand के आधार पर 35 parts per thousand के बराबर है
- Medical saline लगभग 9‰ होता है और खून के साथ लगभग isotonic होता है, लेकिन यह concentration भी पीने में अच्छा स्वाद नहीं देता
- World Health Organization के अनुसार dissolved solids 1‰ से ऊपर हों तो आम तौर पर consumers के लिए स्वीकार करना मुश्किल होता है
- मीठे पानी की सामान्य ऊपरी सीमा 500ppm, यानी 0.5‰ के आसपास है, और इसमें सिर्फ नमक नहीं बल्कि सभी dissolved solids का कुल मान शामिल है
- समुद्री पानी को पीने योग्य स्तर तक लाने के लिए 98% से अधिक salts हटाने पड़ते हैं
Distillation सरल है, लेकिन energy और scale में अटकता है
- Distillation सबसे पुराना और intuitive desalination तरीका है: नमक पीछे छोड़कर पानी को गर्म कर भाप बनाया जाता है और फिर वापस condense किया जाता है
- प्रयोगात्मक setup में खुद बनाया गया समुद्री पानी flask में डालकर hot plate से गर्म किया गया, फिर cooling water circulate कर भाप को फिर से liquid बनाया गया
- Output में dissolved solids कुछ ppm के स्तर पर, लगभग न के बराबर थे, लेकिन 200ml पाने में लगभग 2 घंटे और लगभग 1kWh बिजली लगी
- अगर अमेरिकी household का daily water use मोटे तौर पर 300 gallons, यानी 1,100 liters माना जाए, तो इसी efficiency वाले experimental device को लगभग 500 गुना बड़ा करना पड़ेगा
- ऐसे में हर दिन लगभग 6,000kWh की जरूरत होगी
- अमेरिकी औसत residential electricity rate के हिसाब से यह लगभग 800 डॉलर प्रतिदिन पड़ेगा
- आधुनिक distillation facilities experimental device की तुलना में कहीं अधिक efficient design की जाती हैं
- waste heat का उपयोग करने के लिए इन्हें कभी-कभी coal या gas power plants के साथ colocate किया जाता है
- condensation process से निकली heat को reuse किया जाता है
- liquid को अधिक efficiently evaporate करने के लिए कई stages इस्तेमाल की जाती हैं
- pumps से pressure घटाकर mechanically evaporation induce किया जाता है
- Distillation में scale की समस्या भी आती है
- पानी उबलकर गायब होने के बाद salt deposits जमा हों तो heat transfer मुश्किल होता है और efficiency घटती है
- deposits को नियमित रूप से clean करना पड़ता है
- Flash evaporator liquid flow को expansion valve से भेजकर boiling point से कम temperature पर evaporation induce करता है, जिससे scale buildup घटता है
- यह Middle East सहित distillation-based desalination plants में दशकों से भरोसेमंद तरीके से मीठा पानी बनाने वाला core equipment रहा है
Reverse osmosis अधिक efficient है, लेकिन pressure और membrane management अहम हैं
- Reverse osmosis (RO) membrane के आर-पार naturally होने वाले osmosis को pressure से उलटी दिशा में push करने का तरीका है
- प्रयोग में इस्तेमाल seawater membrane spiral-wound थी, जिससे छोटे package में बड़ी surface area मिलती है
- यह पानी को गुजरने देती है और dissolved solids को रोकती है, यानी filter जैसी है, लेकिन कहीं छोटे scale पर काम करती है
- ज्यादातर आधुनिक desalination plants primary separation method के रूप में RO इस्तेमाल करते हैं
- यह thermal distillation से आम तौर पर काफी अधिक efficient है
- फिर भी सामान्य raw water treatment plant की तुलना में बहुत ज्यादा energy इस्तेमाल करता है
- प्रयोगात्मक device ने लगभग 600psi, यानी सामान्य atmospheric pressure से करीब 40 गुना pressure इस्तेमाल किया
- छोटे RO systems भी long-duration operation के लिए high-pressure pumps इस्तेमाल करते हैं
- प्रयोग में dedicated pump के बजाय low-cost pressure washer इस्तेमाल किया गया
- RO में सारा incoming water membrane से होकर नहीं गुजरता
- ज्यादातर पानी membrane के पास से गुजरते हुए अधिक नमकीन brine के रूप में निकलता है
- membrane से गुजरा पानी permeate के रूप में housing के center से निकलता है
- brine valve बंद करने पर housing pressure बढ़ता है और permeate flow बढ़ता है, लेकिन अगर salt को धोकर हटाने के लिए पानी न हो तो membrane foul हो जाती है
- Membrane को आम तौर पर optimal performance के करीब पहुंचने के लिए कई घंटों तक पानी flow करना पड़ता है
- प्रयोगात्मक pressure washer को इतनी देर चलाना कठिन था
- लगभग 30 मिनट बाद मिला पानी 1~2‰ dissolved solids स्तर का था; यह high-quality drinking water नहीं था, लेकिन पीने लायक स्तर पर था
- प्रयोग में booster pump और pressure washer की combined power लगभग 1,200W थी, और 1 लीटर उत्पादन में लगभग 5 मिनट लगे
- दिन में 300 gallons बनाने के लिए 4 pressure washers लगातार चलाने पड़ेंगे
- प्रतिदिन 100kWh से अधिक की जरूरत होगी, और लागत 15 डॉलर प्रतिदिन या सालाना 5,000 डॉलर से अधिक होगी
- Latest RO plants बड़े high-quality membrane racks, high-efficiency pumps और brine energy recovery devices इस्तेमाल करते हैं
- Experimental device को 1㎥ seawater, यानी 264 gallons process करने में लगभग 100kWh की जरूरत थी
- Latest RO plants उतनी ही मात्रा 1~2kWh में process कर सकते हैं
वास्तविक लागत separation process के बाहर बढ़ती है
- असली seawater desalination plant प्रयोग की तरह tap water से शुरू नहीं करते, बल्कि ऐसे raw seawater को process करते हैं जिसमें नमक के अलावा मिट्टी, algae, organic matter और अन्य contaminants मिले होते हैं
- ये घटक evaporator या membrane को foul या damage कर सकते हैं, इसलिए हर desalination plant पहले pre-treatment करता है
- Pre-treatment में chemicals dosing और filters की maintenance cost आती है
- यह cost और energy salt separation stage से पहले ही लग जाती है
- Pre-treatment अच्छा होने पर भी RO membrane या evaporator को नियमित रूप से operation रोककर clean करना पड़ता है
- समय के साथ replacement भी जरूरी होता है
- RO permeate या distilled water को आम तौर पर सीधे customers तक नहीं भेजा जा सकता
- पानी बहुत ज्यादा साफ होता है, इसलिए ज्यादातर लोगों को पसंद आने वाले taste के लिए post-treatment में minerals वापस जोड़ने पड़ते हैं
- Drainage system से गुजरते समय contamination रोकने के लिए disinfectant भी जोड़ा जाता है
- Brine वह waste है जिसमें produced water से हटाया गया salt कम पानी की मात्रा में केंद्रित हो जाता है
- आधुनिक desalination plants आम तौर पर incoming water का लगभग आधा recover करते हैं
- इसलिए brine की salinity सामान्य seawater से लगभग 2 गुना अधिक होती है
- High-salinity brine को सीधे समुद्र में discharge करने से seafloor के पास plants और animals पर environmental impact पड़ सकता है
- Concentrated solution आम तौर पर नीचे बैठता है
- कई outfall pipes diffuser का उपयोग कर salty water को तेजी से dilute करते हैं
- Power plant cooling water या sewage treatment effluent जैसे दूसरे water flows के साथ मिलाकर discharge से पहले dilute भी किया जाता है
- अगर ये तरीके संभव न हों, तो कुछ plants को brine को underground inject करना पड़ता है, जो महंगा तरीका है
Desalination दूसरे water sources से कैसे compete करता है
- Nature का water cycle पहले से ही solar energy से seawater को distill कर inland transport करता है और surface पर गिराता है
- Dams, reservoirs, canals, pump stations और surface water intake facilities की भी बड़ी लागत और environmental impact होते हैं, लेकिन seawater desalination की भारी cost और energy requirement को देखते हुए कुछ dense population areas के लिए लंबी pipelines बनाना और चलाना भी संभव हो सकता है
- Desalination ऊपर से सरल लगता है, लेकिन वास्तविक cost और complexity जोड़ने पर कई बार इसे दूसरे alternatives की तुलना में justify करना कठिन होता है
- Nuclear power की तरह, सतह पर यह simple लगता है लेकिन practical complexity बहुत बड़ी है
- यह अपेक्षाकृत नई technology है, इसलिए छिपे हुए technical, legal, political और environmental issues का अनुमान लगाना कठिन है
- High energy demand के कारण desalination water cost और electricity cost को मजबूती से जोड़ सकता है
- Drought के दौरान hydropower cost बढ़ सकती है
- Overall energy cost बढ़ने पर desalination उसी समय कम economical हो सकता है जब इसकी सबसे ज्यादा जरूरत हो
- बड़ी आबादी और गंभीर water scarcity वाले क्षेत्रों में desalination एक feasible solution हो सकता है
- सबसे बड़े plants Saudi Arabia और UAE जैसे Middle East देशों में हैं
- California, Texas, Florida जैसे high climate variability वाले क्षेत्रों में भी यह water supply portfolio का एक हिस्सा हो सकता है
- Desalinated water rivers, reservoirs और groundwater से महंगा है, लेकिन drought conditions में, जब दूसरे sources सीमित या unavailable हों, यह ज्यादा reliable हो सकता है
- जहां seawater से कम salinity वाले estuaries या brackish groundwater उपलब्ध हों, वहां desalination कहीं अधिक cost-effective freshwater source बन सकता है
Private risk और Carlsbad project के संकेत
- अगर private sector risk ले, तो desalination projects की viability बढ़ सकती है
- कई बड़े desalination plants ऐसे operate होते हैं कि public utilities सामान्य treatment plant को सीधे finance, build और operate नहीं करतीं, बल्कि private water companies के साथ partnership करती हैं
- Utilities water purchase agreements के जरिए financing cost और operational risk private company को transfer करती हैं और stable water purchase structure पाती हैं
- Government boards पर भी ऐसे complex technical issues और innovation पर सीधे निर्णय लेने का बोझ घटता है जिनके precedents कम हैं
- San Diego County के Carlsbad plant को operate करने वाली private company 2018 में पास का power plant बंद होने के बाद जरूरी independent seawater intake facility को 2024 तक पूरा करने के लक्ष्य से आगे बढ़ा रही है
- इस project के bonds को Fitch ने BBB rating तक upgrade किया
- इसका मतलब है कि facility का outlook अपेक्षाकृत stable है और default की संभावना कम आंकी गई है
- यह एक rating agency द्वारा एक project और एक membrane-based plant पर किया गया assessment है, लेकिन यह संकेत देता है कि desalination technology आगे बढ़ रही है
1 टिप्पणियां
Hacker News की राय
मुझे लगता है कि यह लेख मुख्य सवाल से थोड़ा बचता हुआ लगता है
मैं physicist नहीं हूँ, लेकिन ultraviolet या heavy metal oxidation जैसे कुछ खास चरणों को छोड़ दें तो ज़्यादातर filtration लगभग mechanical filtration के करीब है, जहाँ धीरे-धीरे छोटे होते छिद्रों वाले filters bacteria और particles को रोकते हैं, ultraviolet viruses को तोड़ता है, और oxidizers metals को precipitate कर देते हैं
लेकिन नमक अलग है, क्योंकि पानी का dipole ionic bond को अलग कर देता है और हर ion को hydration shell से घेर लेता है, इसलिए यह छिद्र के आकार से निशाना बनाने के लिए बहुत छोटा और thermodynamically stable होता है, और इसके लिए evaporation·distillation·precipitation reaction जैसी प्रक्रियाओं से energy डालनी पड़ती है
इसलिए सस्ते विकल्प के रूप में reverse osmosis का उपयोग किया जाता है, जिसमें semipermeable membrane पर high pressure डालकर water molecules को पार कराया जाता है और ions concentrated brine के रूप में पीछे रह जाते हैं; इसमें energy कम लगती है, लेकिन liquid waste पैदा होता है जिसे संभालना पड़ता है
आप कोई भी तरीका अपनाएँ, अंत में निकाले गए नमक के ढेर को कहीं न कहीं निपटाना ही पड़ता है
polymer materials thermal motion की वजह से बनते-मिटते अस्थायी खाली स्थानों वाले amorphous solids होते हैं, और इन्हें लंबे समय तक बने रहने वाले “छिद्र” की तरह नहीं बल्कि polymer+water को एक fluid phase की तरह model किया जाता है
MOF या zeolite जैसे defined pores वाले materials भी होते हैं, लेकिन वहाँ भी पानी pore space में liquid की तरह adsorb होता है और pores के बीच movement gateway की तरह काम करता है
वास्तव में desalination के लिए इस्तेमाल होने वाले polymers में भी पानी नमक हो या न हो, अच्छी तरह प्रवेश कर जाता है, इसलिए “छिद्र इतने छोटे हैं कि पानी सामान्यतः गुजर ही नहीं सकता” वाला विवरण सही नहीं है
ऐसे polymers जो अपने वजन का 50% तक पानी सोख लेते हैं और जिनमें बर्फ भी नहीं बनती, वे भी 3000psi से अधिक दबाव पर 90% से ज्यादा नमक रोक सकते हैं
दबाव न हो तो नमक और पानी बिना किसी selectivity के गुजरते हैं, इसलिए यह पानी को ions से physically छानना नहीं है; ज़्यादा सही यह कहना होगा कि pressure पानी की activity बदलता है, और पानी polymer के भीतर बेहतर घुलता है और तेज़ी से चलता है, जिससे desalination होती है
ठीक से पढ़ें तो यह distillation और osmosis सहित desalination के कई तरीकों पर बात करता है, और निष्कर्ष भी काफ़ी साफ़ है
desalination ऊपर से सरल दिख सकती है, लेकिन वास्तविक लागत और जटिलता जोड़ने पर इसे दूसरे विकल्पों की तुलना में सही ठहराना कठिन हो जाता है, खासकर ऊँची energy demand की वजह से पानी की कीमत बिजली के बिल से बहुत मज़बूती से जुड़ जाती है
सूखे के समय जब hydropower की लागत बढ़ती है तो कुल बिजली लागत भी बढ़ती है, इसलिए जिस समय इसकी सबसे ज़्यादा ज़रूरत होती है, उसी समय desalination की अर्थव्यवस्था कमजोर पड़ सकती है — यही मुख्य बात है
और सरल शब्दों में कहें तो समुद्री पानी और पीने योग्य fresh water के बीच energy और entropy का अंतर है, और इस न्यूनतम लागत से नीचे नहीं जाया जा सकता
आप कोई भी तरीका अपनाएँ, घुले हुए solids अंत में सतहों और pipes में चिपक जाते हैं या पीछे रह जाते हैं, और फिर उन्हें कैसे हटाया और साफ़ किया जाए, यह भी एक समस्या है
आखिरकार, बिना रंग-बिना स्वाद वाली पानी की एक बोतल और महीन पाउडर का साफ़ ढेर पाने का सपना मुश्किल है; व्यवहार में ज़्यादा संभावना यही होती है कि और अधिक नमकीन पानी को उसी मूल जलस्रोत में वापस भेज दिया जाए, इस उम्मीद के साथ कि बहुत सारी मछलियाँ न मरें
तरीका यह है कि brine को और गर्म किया जाए ताकि brine के ऊपर का vapor pressure, ठंडी तरफ बनने वाली salt-free water droplets के ऊपर के vapor pressure के बराबर हो जाए
फिर water vapor को compress करके brine से थोड़ा अधिक तापमान पर condense किया जाता है, और distilled water तथा बची हुई brine को अलग-अलग counterflow heat exchangers में भेजकर incoming seawater को column के operating temperature तक preheat करना होता है
thermodynamics के हिसाब से यह समान input/output conditions वाले reverse osmosis process के बराबर हो सकता है, और liquid को ambient pressure और internal operating pressure के बीच कम नुकसान के साथ मिलाने के लिए pumps और turbines भी चाहिए होते हैं
इसका फायदा यह है that solar thermal collector से brine को सीधे गर्म किया जाए तो vapor compression के बिना भी condensation संभव है, इसलिए इसे solar heat input वाले open type-1 absorption heat pump की तरह चलाया जा सकता है
desalination उम्मीद से सस्ती है
desalinated water की कीमत लगभग 50 cent प्रति 1000 liter है, और यह एक सामान्य अमेरिकी परिवार के एक दिन के पानी के उपयोग के लगभग बराबर है
अगर रोज़ 50 cent में पूरी तरह desalinated पानी की आपूर्ति हो सकती है, तो यह हैरान करने वाली हद तक सस्ता है
अगर आपको water policy और water resource management·engineering में दिलचस्पी है, तो "Let There Be Water: Israel's Solution for a Water-Starved World" की ज़ोरदार सिफारिश करता हूँ
https://en.wikipedia.org/wiki/Desalination#Costs
जैसा California दिखाता है, यह संभव है, लेकिन जैसा Central Valley भी दिखाता है, यह बड़े पैमाने पर कृषि के लिए freshwater उपलब्ध नहीं करा सकती
California जैसे राज्य में, जहाँ chronic water shortage है, residential·commercial·industrial water use को landscaping और golf courses सहित जोड़ लें, तब भी बारिश के आधार पर यह कुल का सिर्फ 10~20% ही होता है
food production, industrial water use आदि अलग हैं
यह लेख वास्तविक water treatment के अलावा आने वाले अतिरिक्त considerations को अच्छी तरह दिखाता है, और यह भी कहता है कि कई उपयोगों में यह व्यावहारिक है
Irvine, CA में सामान्य base consumer rate 748 gallon, यानी लगभग 3000 liter, के लिए 1.78 dollar है, जो इससे भी महँगा पड़ता है
हाँ, वह संख्या production cost है, और plant के बाद distribution·maintenance तक शामिल consumer price उससे ऊपर जाएगा, लेकिन फिर भी यह reasonable range में लगता है
विषय से थोड़ा हटकर, लेकिन लेख में Carlsbad desalination facility का ज़िक्र है; अगर आप San Diego जाएँ और oysters पसंद करते हों, तो Carlsbad Aquafarm tour की सिफारिश करूँगा
दिलचस्प बात यह है कि यह oyster farm desalination plant के pre-treatment filter की भूमिका निभाती है, और plant तथा farm के बीच एक symbiotic relationship है
अलवणीकरण ऐसा है मानो ऊष्माशोषी प्रतिक्रिया को उलटना, इसलिए इसकी ऊर्जा लागत तुलनात्मक रूप से अधिक होती है, और पानी बड़े पैमाने पर इस्तेमाल होता है, इसलिए इसका स्केल भी बड़ा होना चाहिए
सबसे बढ़कर, पृथ्वी भूवैज्ञानिक प्रक्रियाओं के जरिए पहले ही बहुत सारा अलवणीकरण मुफ्त में कर देती है, इसलिए अलवणीकरण की मानक कीमत लगभग 0 डॉलर प्रति लीटर के करीब मानी जा सकती है
वर्षा जल इकट्ठा करने, नदियों पर बांध बनाने और भूजल पंप करने वाली अवसंरचना पूरी तरह मुफ्त नहीं है, लेकिन अगले 1 लीटर की सीमांत लागत बहुत कम होती है
अलवणीकरण खुद मुश्किल नहीं है, बल्कि इसे बेहद सस्ता और बेहद बड़े पैमाने पर करना मुश्किल है
अगर सचमुच ज़रूरत और उसे लागू करने की इच्छा हो, तो आवश्यक तकनीक पहले से मौजूद है
https://en.wikipedia.org/wiki/Water_supply_and_sanitation_in...
कुछ साल पहले मुझे बिल्कुल उल्टे लक्ष्य वाली एक maple syrup प्रक्रिया देखने का मौका मिला था: यह पानी में घुले घटकों को सघन करने की प्रक्रिया है
पहले चरण में एक सीमा तक reverse osmosis का उपयोग होता है, और दूसरे चरण में उबालकर भाप से ऊष्मा को सक्रिय रूप से पुनर्प्राप्त किया जाता है ताकि अंदर आने वाले द्रव को पहले से गरम किया जा सके
यह सब ऊर्जा लागत को नियंत्रित करने के लिए था
जहाँ तक संभव हो waste heat recovery करनी चाहिए
सैद्धांतिक रूप से continuous distillation बहुत कुशल हो सकती है क्योंकि जितनी ऊष्मा डाली जाती है उतनी ही निकाली भी जाती है, लेकिन व्यवहार में insulation, pump, heat exchanger आदि मुफ्त नहीं होते, और स्केल बढ़ने पर लाभ में कमी बहुत जल्दी आने लगती है
या फिर शिपिंग और हैंडलिंग में आयतन और वजन के कारण बचत खत्म हो जाती है, या शुरू से ही पतले syrup का बाज़ार नहीं है इसलिए इसे बनाया ही नहीं जाता?
2020 में MIT के solar distiller ने 1 वर्गमीटर के membrane distillation process में एक घंटे में 1.5 गैलन ताज़ा पानी दिखाया था
ऐसे 10,000 वर्गमीटर उपकरण से 10 घंटे की सौर संचालन अवधि में 150,000 गैलन ताज़ा पानी निकाला जा सकता है
मुख्य बात diffuser plates के बीच 1.2cm या 80mm की दूरी लगती है, जहाँ एक ही क्षेत्र में solar heating, condensation और collection का संयुक्त उपयोग होता है
बेशक brine discharge collection की समस्या बनी रहती है, लेकिन इसी तरीके को 3 बार दोहराकर लवणता को 2~3 per mil, यानी 0.2~0.3% तक घटाते हुए क्रमिक रूप से हटाया जा सकता है
ऊर्जा के हिसाब से MIT की यह विधि passive solar तरीकों को reverse osmosis से काफ़ी आगे ले गई, लेकिन base output rate में reverse osmosis की बढ़त अब भी पार करना मुश्किल है
https://news.mit.edu/2020/passive-solar-powered-water-desali...
पानी का sodium hydroxide से pretreatment आम बात है और इसे खरीदना पड़ता है, और यहाँ discharge water से sodium hydroxide regeneration का तरीका सुझाया गया है
https://news.mit.edu/2019/brine-desalianation-waste-sodium-h...
यह बहुत बेवकूफ़ी भरा विचार हो सकता है, लेकिन क्या समुद्री पानी को गरम और शुष्क रेगिस्तान में पंप से छिड़ककर प्राकृतिक वाष्पीकरण कराया जा सकता है और फिर उसे ताज़ी बारिश के रूप में इकट्ठा किया जा सकता है?
वर्षा में साफ़ तौर पर बढ़ोतरी करने के लिए कितना पानी वाष्पित करना पड़ेगा?
https://www.youtube.com/watch?v=V2b7ztWvFOg
बहुत सारा पानी वाष्पित करने पर भी शायद वहाँ बारिश नहीं होगी जहाँ उसकी ज़रूरत है या जहाँ उसे वापस इकट्ठा किया जा सके
लेकिन इससे वर्षा नहीं बढ़ती
इज़राइल तो उल्टा पानी का अलवणीकरण करके नदियों को पुनर्जीवित कर रहा है, और वह पानी अंततः Dead Sea तक पहुँच सकता है
अगर बात इससे भी बहुत बड़े पैमाने की है, तो समुद्र खुद ही कहीं बड़ा है और उसकी सतह से लगातार पानी वाष्पित होता रहता है
इंसान समुद्र से बड़ा वाष्पीकरण क्षेत्र नहीं बना सकता
और पानी मुख्य रूप से ऊष्मा से नहीं बल्कि हवा से वाष्पित होता है
रेगिस्तान में ऊष्मा तो बहुत होती है, लेकिन हवा तुलनात्मक रूप से कम होती है, जबकि समुद्र में हवा ज़्यादा होती है
खारे पानी को वाष्पित करने पर काफ़ी मात्रा में ठोस नमक बच जाएगा, जिससे Great Salt Lake जैसी स्थिति याद आती है
ऊर्जा लागत, स्थानीय परिस्थितियों के अनुसार, कुछ हद तक भ्रमित करने वाला मुद्दा हो सकती है
California वसंत ऋतु में नवीकरणीय ऊर्जा की भारी मात्रा को curtail यानी बर्बाद कर देता है
यदि उस ऊर्जा का मौसमी रूप से अलवणीकरण में उपयोग कर ताज़ा पानी को बाद के लिए संग्रहित किया जा सके, तो यह वसंत की अतिरिक्त ऊर्जा को गर्मियों तक ले जाने वाली एक विशाल time-shift battery की तरह काम करेगा
नवीकरणीय ऊर्जा भी, चाहे कभी-कभी अतिरिक्त हो, फिर भी उसकी लागत होती है, और अतिरिक्त बिजली उपलब्ध होने का समय पानी की मांग से मेल नहीं खा सकता
ताज़े पानी की खपत के सिर्फ एक हिस्से को भी distillation से पूरा करने लायक पर्याप्त अतिरिक्त नवीकरणीय ऊर्जा न अभी है और न भविष्य में होने की संभावना ज़्यादा है
आखिरकार अलवणीकरण में इस्तेमाल होने वाली बिजली की प्रति kWh लागत निकालनी ही पड़ेगी, और सिर्फ अतिरिक्त बिजली उपयोग करने के लिए plant को overdesign करने पर भी लागत आती है
यह कीमत प्रति गैलन distilled water की लागत को reverse osmosis या पाइप से मिलने वाले पानी से अधिक बना देगी, इसलिए अलवणीकरण अभी भी लगभग अंतिम उपाय ही रहता है, जब ताज़ा पानी हासिल करने के बाकी सभी तरीके लागत के लिहाज़ से कठिन हो जाएँ
जब वह चल नहीं रहा होता, तब पूंजीगत लागत की वसूली नहीं होती, इसलिए वह पैसा ऐसी जगह लगाना बेहतर होता है जो 24 घंटे चलती हो
खासकर California में, जहाँ वाष्पीकरण अधिक होगा, लवणता बढ़ेगी और दक्षता भी घटेगी
मुश्किल होने से ज़्यादा यह ऊर्जा के लिहाज़ से चढ़ाई जैसा काम है
entropy को उलटना हो तो ऊर्जा लगती है, और यही thermodynamics का दूसरा नियम है
renewable energy की कीमतें गिरने के साथ यह और सस्ता होता जा रहा है
उपभोक्ता power grid की कीमतों को सीधे नहीं लेना चाहिए, क्योंकि उनमें energy suppliers का मुनाफ़ा और gas·coal·nuclear जैसे मौजूदा high-cost power generation investments की लागत शामिल होती है
40 डिग्री अक्षांश के भीतर के कई शुष्क इलाकों में solar सस्ती बड़े पैमाने की energy production के लिए अच्छा है, और kWh पर कुछ सेंट से लेकर निकट भविष्य में 1 सेंट से नीचे भी संभव हो सकता है
पानी को reservoir में store किया जा सकता है, इसलिए 24 घंटे desalination चलाने की ज़रूरत नहीं है
1000 लीटर पर लगभग 3kWh चाहिए, और अगर इसे अमेरिका के अक्षम घरेलू रोज़ाना पानी उपयोग के बराबर भी मानें, तो भी प्रति घर प्रति दिन यह कुछ सेंट के स्तर पर बैठता है
यह बिल्कुल नगण्य तो नहीं है, लेकिन desalination—जिसे अमेरिका में science fiction जैसी चीज़ समझा जाता है—औसत आय बहुत कम वाले क्षेत्रों में भी इतना सस्ता है कि यह एक आम समाधान बन चुका है
नमक के पानी में घुलने पर निकलने वाली ऊर्जा कम होती है, लगभग 3.9kJ/mol
नमक का molar mass 58g/mol है और औसत समुद्री जल की salinity लगभग 3.6% है, इसलिए 1㎥ समुद्री पानी में 1000×0.036/0.058=620 mol नमक होता है
एक perfect desalination device को नमक हटाने के लिए 2.4MJ, यानी लगभग 0.75kWh चाहिए होगा
अगर बिजली की कीमत 10 सेंट प्रति kWh हो, तो 1㎥ मीठे पानी की सैद्धांतिक न्यूनतम कीमत लगभग 8 सेंट होगी
जैसे 500 पाउंड उठाना या marathon दौड़ना
gravity और अलग-अलग आकार के छेदों से चलने वाले coin sorter के बारे में सोचिए
अगर आप खारे पानी के पास किसी शुष्क इलाके में रहते हैं, तो solar still को अस्थायी रूप से बनाना एक बुनियादी survival skill के तौर पर जानना उपयोगी है
यह सचमुच बहुत सरल है, prison hooch still जितना ही आसान बनता है, और बाहरी शक्ति के लिए सिर्फ सूरज चाहिए
इसी तरह कंकड़·रेत·कोयले को क्रम में इस्तेमाल करने वाला बुनियादी water purification system भी ऐसी चीज़ है जो हर किसी को पता होनी चाहिए
बच्चों के साथ करने लायक applied science experiment के रूप में भी इसकी क़ीमत है
मुझे लगता है कि पानी-आधारित solar thermal उपयोग भी आगे और शोध के लायक क्षेत्र है
solar PV के भी फ़ायदे हैं, लेकिन पानी सस्ता, साफ़ और भरोसेमंद है
दिन में सूरज से पानी गरम करके रात में heating में इस्तेमाल करने का सरल तरीका जाना-पहचाना है, और कुछ पैमानों पर शायद आर्थिक रूप से दिलचस्प Carnot cycle भी संभव हो
इसी तरह काम करने वाले molten salt solar power arrays भी मौजूद हैं