Abstrak
Desalinasi osmosis balik air laut (SWRO) menghasilkan produk sampingan air garam pekat yang kaya akan garam dan mineral terlarut. Studi ini menyajikan analisis ekonomi dan teknis yang ekstensif tentang pemulihan semua ion utama. Dari air garam SWRO, yang meliputi Na, Cl, Mg, Ca, SO4, K, Br, B, Li, Rb, dan Sr. Di bandingkan dengan penambangan konvensional dan produksi kimia komoditas ini. Data dari literatur dan studi kasus terbaru di kompilasi untuk mengukur komposisi air garam SWRO yang umum. Kerangka kerja biaya siklus hidup di terapkan. Yang menggabungkan dampak belanja modal (CAPEX), belanja operasional (OPEX), dan total biaya air (TWC). Simulasi representatif untuk pabrik SWRO besar 100.000 m3/hari menunjukkan bahwa sistem “penambangan air garam”. Terintegrasi dapat
memulihkan sekitar 3,8 juta ton garam per tahun.
.
Pada efisiensi pemulihan optimis , pendapatan tahunan kotor dari produk (NaCl, Mg(OH)2/MgO, CaCO3, KCl, Br2, Li2CO3, dll.). Dapat mencapai beberapa ratus juta USD. Pendapatan ini sebanding dengan atau melebihi biaya tambahan dari proses pemulihan dalam kondisi yang menguntungkan. Berpotensi mengimbangi biaya desalinasi sebesar USD 0,5/m3 atau lebih. Kami membandingkan proyeksi ini dengan ekonomi memperoleh bahan yang sama melalui penambangan konvensional dan proses kimia di seluruh dunia. Temuan utama menunjukkan bahwa pemulihan garam bernilai rendah yang melimpah (terutama NaCl) dapat menyediakan pendapatan massal. Untuk menutupi biaya pemrosesan, sementara ekstraksi unsur bernilai tinggi yang langka (Li, Rb, Sr, dll.). Dapat memberikan keuntungan tambahan yang signifikan jika pemisahan yang efisien tercapai. Kebutuhan energi dan biaya unit untuk pemulihan air garam di analisis terhadap penambangan terestrial atau konvensional. Dalam banyak kasus, produksi yang berasal dari air garam bersifat kompetitif.
Karena menghindari ekstraksi bahan baku dan potensi penggunaan limbah atau energi terbarukan. CAPEX untuk menambahkan pemulihan mineral ke pabrik desalinasi memang signifikan. Tetapi dapat di benarkan oleh pendapatan dan manfaat strategis seperti berkurangnya pembuangan air garam. Analisis kami, yang di dasarkan pada data global dan studi kasus (misalnya, proyek di Eropa dan Timur Tengah).Menunjukkan bahwa pemulihan logam dan garam dari air garam SWRO secara teknis layak. Dan pada skala yang memadai, layak secara ekonomi di banyak wilayah. Kami memberikan perbandingan rinci biaya, hasil, dan nilai pasar untuk setiap elemen target, beserta model dan formula empiris untuk profitabilitas. Hasilnya menawarkan peta jalan untuk mengintegrasikan penambangan air garam ke dalam operasi desalinasi. Dan menyoroti faktor-faktor kunci seperti harga komoditas, skala ekonomi, integrasi energi, dan insentif kebijakan. Yang memengaruhi daya saing pemulihan air garam.
Pendahuluan
Desalinasi air laut meluas secara global untuk memenuhi permintaan air tawar yang meningkat.
Tetapi menghasilkan limbah air garam pekat dalam jumlah besar [1,2]. Hampir 16.000 pabrik desalinasi
di seluruh dunia menghasilkan sekitar 142 juta meter kubik air garam hipersalin setiap hari. Di bandingkan dengan 95 juta m3 keluaran air tawar [1,3]. Air garam ini (aliran buangan SWRO) biasanya di anggap sebagai produk limbah, yang sering di buang ke laut. Pembuangan air garam menimbulkan masalah lingkungan karena salinitas yang tinggi, zat tambahan kimia, dan efek termal di perairan penerima [4].
Pada saat yang sama, air garam dapat di pandang sebagai sumber daya. Karena pada dasarnya mempertahankan konstituen ionik yang sama dengan air laut. Tetapi pada konsentrasi kira-kira dua kali lipat dalam proses SWRO dengan pemulihan air 50% [5,6]. Sejalan dengan prinsip-prinsip ekonomi sirkular, ada minat yang semakin meningkat untuk “menambang” garam dan logam terlarut ini. Dari air garam untuk menciptakan produk yang berharga, mengubah kewajiban lingkungan menjadi aset ekonomi [4].
.
Air garam SWRO tipikal dengan total padatan terlarut (TDS) 70 g/L. Sebagian besar mengandung ion natrium dan klorida (dari NaCl). Bersama dengan sulfat, magnesium, kalsium, kalium, dan sejumlah kecil bromida, boron, dan elemen jejak [7]. Klorida dan natrium bersama-sama menyumbang sekitar 85% dari total massa garam. Sulfat (5 g/L), magnesium (2,5 g/L), kalsium (0,8 g/L), dan kalium (0,8 g/L) merupakan sebagian besar massa yang tersisa [5]. Konstituen minor meliputi bikarbonat (0,2 g/L sebagai CO3 2ÿ) dan bromida (0,12 g/L) [4,5]. Serta jejak kadar boron (sebagai asam borat, sekitar 0,01–0,02 g/L), litium (0,0003–0,0005 g/ L), rubidium (0,0002 g/L), dan stronsium (0,016 g/L).
Dalam air garam yang berasal dari air laut [4,5]. Mineral terlarut ini sesuai dengan beragam produk potensial yang dapat di pulihkan. Mulai dari komoditas yang melimpah seperti garam natrium klorida dan gipsum. Hingga material yang jarang di temukan tetapi bernilai tinggi seperti senyawa litium dan garam rubidium [5].
.
Natrium dan klorida mendominasi (85% dari total garam), sedangkan sulfat, magnesium,
kalsium, dan kalium merupakan sebagian besar penyusun lainnya [5]. Unsur-unsur minor seperti
bromida, bikarbonat, boron, dan lain-lain, secara kolektif hanya berjumlah <2%.
Memulihkan unsur-unsur ini dari air garam menawarkan manfaat ganda:
(1) mengurangi dampak lingkungan dari pembuangan air garam dengan mengurangi salinitas dan menghilangkan kontaminan, dan
(2) meningkatkan ekonomi desalinasi dengan menghasilkan komoditas yang dapat di jual.
Dengan mengekstraksi sumber daya dari aliran limbah yang saat ini ada, pabrik SWRO dapat mengimbangi biaya operasional. Dan bergerak menuju operasi yang lebih berkelanjutan dan tanpa pembuangan cairan (ZLD). Namun, mewujudkan potensi “penambangan air garam”ini membutuhkan upaya mengatasi tantangan teknis dan ekonomi.
Konsep pemanenan mineral dari laut bukanlah hal baru. Secara historis, garam laut telah di produksi melalui penguapan matahari selama ribuan tahun. Dan logam magnesium di ekstraksi dari air laut pada abad ke-20. Kemajuan utama dengan air garam SWRO modern adalah bahwa umpannya sudah terkonsentrasi sebagian. Yang kira-kira dua kali lipat salinitas air laut mentah, dan yang, pada prinsipnya, mengurangi energi atau upaya yang di perlukan. Untuk lebih lanjut mengonsentrasikan atau mengisolasi komponen-komponen berharga [7]. Terlepas dari keunggulan ini, implementasi pemulihan sumber daya air garam skala penuh masih relatif sedikit. Karena kekhawatiran tentang efektivitas biaya dan kompleksitas proses [7].
.
Studi ini mengkaji keseimbangan biaya-manfaat dan kelayakan pasar ekstraksi logam dan garam. Dari air garam SWRO di bandingkan dengan penambangan terestrial konvensional dan rute produksi kimia. Kami berfokus pada semua unsur utama (Na, Cl, Mg, Ca, SO4, K, Br). Serta unsur minor atau jejak penting (B, Li, Rb, Sr) yang terdapat dalam air garam. Untuk masing-masing unsur tersebut, kami menganalisis kuantitas yang dapat di pulihkan. Metode ekstraksi yang layak, kebutuhan energi, dan potensi pendapatan berdasarkan harga pasar saat ini. Faktor-faktor ini kemudian di bandingkan dengan bagaimana komoditas yang sama di peroleh dari sumber berbasis lahan. Atau proses kimia industri, dengan biaya dan jejak lingkungan yang umum. Analisis ini menggunakan perspektif global, dengan mengambil data dari operasi dan studi di seluruh dunia untuk menghindari bias regional.
Kami juga menggabungkan studi kasus dunia nyata dan proyek percontohan (misalnya, di Eropa dan Timur Tengah). Yang telah menguji pemulihan air garam, untuk mendasarkan diskusi pada realitas operasional.
Dengan mengintegrasikan data kinerja teknis dengan model ekonomi seperti CAPEX, OPEX, dan biaya siklus hidup. Kami bertujuan untuk menentukan kondisi apa yang membuat pemulihan air garam menguntungkan secara bisnis. Tujuan utamanya adalah untuk memberikan kejelasan tentang apakah air garam SWRO hasil “penambangan” dapat bersaing. Dengan penambangan tradisional, dan untuk mengidentifikasi pendorong atau hambatan utama bagi adopsi komersialnya.
Metode
Pendekatan kami menggabungkan data yang di peroleh dari literatur, pemodelan empiris, dan simulasi asli. Untuk mengevaluasi metrik biaya-manfaat pemulihan mineral air garam di bandingkan dengan produksi konvensional. Analisis ini mengikuti langkah-langkah umum berikut:
Karakterisasi Komposisi Air Garam
SWRO Data representatif untuk konsentrasi ion dalam air garam SWRO. Di susun berdasarkan kimia air laut standar dan pengukuran yang di laporkan [9]. Tabel 1 merangkum ion target dan konsentrasi tipikalnya dalam air garam TDS 70 g/L. Beserta senyawa terkait yang dapat di hasilkan. Komposisi ini berfungsi sebagai dasar untuk menghitung potensi rendemen setiap mineral per satuan volume air garam.
Identifikasi Teknologi Pemulihan
Untuk setiap unsur atau garam, metode ekstraksi yang telah terbukti. Atau sedang di kembangkan yang cocok untuk pengolahan air garam telah di identifikasi. Metode ini mencakup pemisahan membran seperti osmosis terbalik. (Toray Industries, Tokyo, Jepang), nanofiltrasi (DuPont, Wilmington, DE, AS), dan tumpukan elektrodialisis (SUEZ Water Technologies, Trevose, PA, AS). Untuk konsentrasi selektif, presipitasi kimia menggunakan natrium hidroksida (NaOH, Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, AS). Atau kapur (Ca(OH)2, Merck, Darmstadt, Jerman). Pemberian dosis karbonat dengan natrium karbonat (Na2CO3, Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, AS). Untuk pemulihan CaCO3, proses termal seperti evaporator dan kristalisator (GEA Group, Düsseldorf, Jerman). Garam seperti NaCl dan KCl), dan metode elektrokimia seperti unit elektrolisis klor-alkali (Asahi Kasei Chemicals, Tokyo, Jepang). Untuk pemulihan klorin dan natrium hidroksida, elektrodialisis membran bipolar untuk produksi asam/basa) [10]. Persyaratan energi dan masukan kimia yang umum untuk metode ini di pertimbangkan dari literatur. Karena faktor-faktor ini secara langsung memengaruhi biaya.
Pengumpulan Data Ekonomi
Harga pasar terkini dan estimasi biaya produksi untuk komoditas terkait (seperti garam, senyawa magnesium, kalium karbonat, brom, boron, litium, dll.) di kumpulkan dari laporan dan basis data industri. Misalnya, harga rata-rata garam industri global berkisar antara USD 30–60 per ton untuk garam batu curah atau garam surya, magnesium oksida dengan kemurnian tinggi dapat mencapai sekitar USD 300/ton [11], harga brom kira-kira USD 3–5 per kg (nilai impor) [12]; dan harga litium karbonat pada tahun 2022–2024 berkisar antara USD 14.000 hingga USD 46.000 per ton di tengah volatilitas pasar [13]. Titik-titik harga ini, dengan referensi, membentuk dasar untuk menghitung potensi pendapatan dari produk turunan air garam. Demikian pula, kami meninjau model biaya untuk menambang atau memproduksi bahan-bahan ini secara konvensional (misalnya, biaya penambangan bijih kalium karbonat, biaya energi untuk ekstraksi litium dari air garam kontinental, dll.) untuk mendapatkan tolok ukur perbandingan.
Simulasi Pemulihan Air Garam Terintegrasi dalam Pabrik Desalinasi.
Simulasi sederhana untuk pabrik SWRO hipotetis berskala besar, dengan produksi air tawar 100.000 m³/ hari pada tingkat pemulihan 45%, di kembangkan untuk mengkuantifikasi jumlah tahunan setiap mineral yang dapat di pulihkan. Skenario ini mengasumsikan pabrik tersebut menyerap 250.000 m³/hari air laut dan menghasilkan 150.000 m³/hari air garam (70 g/L). Dengan menerapkan efisiensi pemulihan yang wajar untuk proses ekstraksi multi-tahap (misalnya, kristalisasi NaCl yang di ikuti dengan presipitasi Mg(OH)³ , dll.), kami memperkirakan tonase setiap produk per tahun dan konsumsi energi atau bahan kimia yang di butuhkan. Neraca material yang lengkap tidak tersedia dari satu sumber, sehingga kami mensintesis data dari beberapa studi untuk memperkirakan hasil.
Simulasi ini memberikan nilai konkret untuk analisis CAPEX/OPEX (misalnya, penentuan ukuran evaporator atau reaktor) dan untuk perhitungan pendapatan.
Prosesnya di mulai dengan analisis komposisi air garam untuk menentukan konsentrasi mineral yang
tersedia. Hal ini di ikuti dengan estimasi potensi pemulihan teknis berdasarkan efisiensi yang di peroleh dari literatur. Pemodelan pendapatan produk menggunakan harga pasar yang berlaku untuk memproyeksikan pendapatan per meter kubik. Biaya operasional di hitung secara terpisah untuk proses desalinasi dan pemulihan air garam. Biaya-biaya ini di integrasikan untuk mendapatkan biaya air bersih. Investasi modal di perhitungkan dalam langkah-langkah selanjutnya untuk mensimulasikan pengembalian jangka panjang menggunakan rasio biaya-manfaat dan estimasi periode pengembalian modal. Alur kerja ini berfungsi sebagai tulang punggung komputasi untuk evaluasi teknoekonomi dan mendukung keputusan yang di bahas di bagian hasil.
Simulasi dan Pemodelan Ekonomi
Untuk mengevaluasi kelayakan finansial pemulihan mineral dan garam dari air garam reverse osmosis air laut (SWRO). Sebuah kerangka kerja pemodelan berbasis simulasi di kembangkan. Kerangka kerja ini mengintegrasikan neraca massa kimia, prakiraan pendapatan, estimasi biaya operasional , dan perangkat evaluasi keuangan standar. Model ini di terapkan pada fasilitas SWRO berkapasitas tinggi yang representatif dan di gunakan. Untuk mengkuantifikasi hasil tekno-ekonomi yang terkait dengan pemulihan konstituen utama. Seperti natrium klorida (NaCl), magnesium hidroksida [Mg(OH)2], dan bromin (Br2).
Keseimbangan Massa Mineral
Jumlah mineral yang dapat di peroleh per satuan volume air garam. Di perkirakan menggunakan persamaan keseimbangan massa sederhana, seperti yang di tunjukkan pada Persamaan.
Di mana:
- Mr = massa mineral yang dapat di peroleh kembali (kg)
- Cb = konsentrasi ion target dalam air garam (kg/m3 )
- Vb = volume air garam yang di olah (m3 )
- ÿr = efisiensi perolehan kembali
(tanpa dimensi, 0–1)
Misalnya, dengan konsentrasi magnesium sebesar 1,3 kg/m3 dan efisiensi pemulihan sebesar 50%, massa yang dapat di pulihkan adalah 0,65 kg/m3.
Estimasi Pendapatan Produk
Nilai ekonomi material yang di ekstraksi di hitung dengan mengalikan kuantitas yang di ekstraksi dengan harga pasar yang berlaku. Harga rata-rata global berikut di gunakan: NaCl—USD 60/ton, MgO—USD 300/ton, dan Li2CO3— USD 4500/ ton. Pendapatan per meter kubik air garam yang di olah kemudian di tentukan menggunakan
Persamaan:
Di mana:
- R = total pendapatan dari penjualan produk (USD)
- Pi = harga pasar mineral i (USD/kg atau USD/ton)
- Mr,i = massa mineral i yang di peroleh (kg atau ton)
- n = jumlah mineral berbeda yang di temukan
Perhitungan Biaya Operasional (OPEX)
Biaya operasional termasuk biaya desalinasi dasar dan pemrosesan air garam tambahan yang konsisten. Biaya operasional SWRO dasar di asumsikan sebesar USD 0,80/m3 dengan rata-rata
industri. Pengolahan air garam menambahkan perkiraan USD 1,00/m3 [14], sehingga menghasilkan
total biaya operasional sebesar USD 1,80/m3 menggunakan Persamaan (3).
Evaluasi Biaya Air Bersih
Untuk mencerminkan dampak pendapatan produk terhadap ekonomi desalinasi, biaya air bersih di hitung menggunakan Persamaan (4) dan (5) dengan mengurangi pendapatan dari total biaya:
Di mana
- Cnet = biaya air bersih setelah kredit produk sampingan (USD/m3 )
- Rv = pendapatan per m3 air garam yang di olah (USD/m3 )
Untuk total pendapatan USD 1,50/m3 dan OPEX USD 1,80/m3 di kurangi, biaya bersihnya adalah menjadi USD 0,30/m3.
Rasio Biaya-Manfaat (CBR)
Kelayakan ekonomi jangka panjang di nilai menggunakan rasio biaya-manfaat (lihat Persamaan
(7) dan (8)):
- = total pendapatan selama periode t (USD)
- Ccap = belanja modal (USD)
- t = jumlah tahun operasi pabrik
Dengan asumsi pengeluaran modal sebesar USD 150 juta dan umur proyek selama 20 tahun. CBR lebih besar dari 1 di anggap menunjukkan daya tarik ekonomi.
Estimasi Payback Period (PBP)
Timeline pemulihan investasi di hitung menggunakan Persamaan (9):
Pendekatan pemodelan ini membentuk dasar kuantitatif untuk mengevaluasi kelayakan pemulihan dalam kondisi industri yang realistis. Hasil yang di peroleh dari perhitungan ini di gunakan untuk menganalisis intensitas modal, imbal hasil sumber daya, dan imbal hasil finansial, sebagaimana disajikan pada Bagian 3.