По актуальным статистическим данным более 30% людей проживают в регионах, где снабжение пресной водой затруднено. В соответствии с расчетами к середине 20-х годов 21 века этот негативный показатель увеличится вдвое. Для решения проблемы применяют специализированные технологии. Одна из них, промышленное опреснение воды, рассмотрена в данной публикации.
Океаны и скважины
При сохранении нынешних тенденций в 2024-2026 численность населения планеты составит более 8 млрд. Использование нынешних методик производства продуктов питания подразумевает годовой расход пресной воды 2,8-3,5 тыс. в расчете на одного человека. Еще больше (около 80 тыс. л) необходимо для удовлетворения обычных бытовых потребностей. Дефицит к этому временному периоду составит более 2 500 км куб.
В следующем перечне приведены приблизительные запасы в разных источниках (тыс. км куб.):
- реки – 2,2;
- озера – 91,5;
- заболоченные участки – 11,6;
- атмосфера – 12,8;
- горные ледники, снег (постоянный покров) – 24 100;
- подземные водоносные горизонты – 10 600.
Пользование озерами и другими открытыми источниками ограничено географическим размещением. Следует подчеркнуть высокий уровень загрязненности окружающей среды, что во многих случаях подразумевает обязательное применение дополнительной очистки. К горным вершинам доступ затруднен. Артезианские скважины также не везде позволят получить необходимый результат. Некоторые подземные воды перенасыщены солями, поэтому и в этих ситуациях понадобится предварительная подготовка.
Действительно неисчерпаемые ресурсы предоставляет океан ≈1 330 000 000 км куб. Рациональность применения этого источника подчеркивает историческое расположение поселений. В приморской зоне на расстоянии до 70-80 км от берега приживает более половины всего населения. В таких условиях транспортировка очищенной жидкости не будет чрезмерно дорогой.
Технологии промышленного опреснения морской воды
Скоростное выпаривание основано на способности перехода жидкости в другое фазовое состояние при уменьшении давления. На первой стадии воду нагревают до расчетного критического значения под границей уровня кипения. Ее подают в другую камеру с относительно низким давлением. При таком методе опреснения морской воды происходит практически мгновенное преобразование в пар. Для повышения эффективности применяют несколько последовательных рабочих объемов, специализированные распылительные системы.
В следующей методике начинают обработку по схеме классической дистилляции. До начала образования конденсата пор сжимают в отдельной камере, что сопровождается повышен температуры. Далее – возвращают обратно для завершения процедуры опреснения. Промежуточный цикл уменьшает затраты энергии, однако при этом ограничивается производительность.
Вымораживание применяют с тщательным контролем скорости. При медленном процессе на первой стадии около охлаждающих элементов образуются игольчатые кристаллы из пресной воды. В протоках между ними собирается жидкость с повышенной концентрацией примесей. С применением промывок и других операций солевые растворы удаляют. Растаявший лед используют по назначению.
Для реализации таких проектов применяют:
- контактное охлаждение;
- установки с раздельными рабочими камерами;
- жидкие и газообразные хладагенты.
Ионный обмен в промышленном опреснении морской воды по главным принципам не отличается от бытовых технологий. Засыпку подбирают с учетом реального содержания анионов и катионов солей в исходной морской воде. Используют прямое и обратной прохождение жидкости с регулярной промывкой и восстановительным процессом. Для повышения эффективности обеспечивают подвижность наполнителя. Чтобы уменьшить концентрацию солей до 0,4-0,6 мг на литр применяют не менее двух систем обработки.
Электродиализ – это разделение ионов с помощью разницы потенциалов. Типичная установка состоит из следующих функциональных компонентов:
- в бак подходящего объема заливают морскую воду;
- установленные около стенок электроды (плюс и минус) подключают к источнику постоянного тока;
- после подачи напряжения они притягивают к себе положительные и отрицательные ионы солей, других соединений;
- чтобы исключить перемешивание – предварительно монтируют вертикальные перегородки (частично проницаемые анионитовые и катионитовые мембраны);
- из соответствующих камер организуют отбор рассола и очищенной воды.
Особенности разных методов опреснения воды в промышленных масштабах
Как показано в предыдущем разделе, производительные технологии сопряжены с большим расходом энергии. Частичным исключением следует назвать вымораживание, когда низкая температура создается в естественных условиях. Однако эти ресурсы следует причислить к естественным источникам, которые расположены в труднодоступных местах (северные моря).
Для быстрого экономичного выпаривания необходим достаточно мощный источник дешевой энергии. Как правило, такие задачи решают с применением атомной или другой тепловой электростанции. Обязательное охлаждение рабочей зоны выполняет дополнительные функции. Это улучшает экономические показатели, позволяет выполнять опреснение воды в промышленных масштабах.
Установка из нескольких блоков, собранная по стандартной схеме (камеры с разной температурой + трубчатые нагревательные элементы) вырабатывает 800-920 кг очищенной воды на каждую тонну пара. Почти на порядок эффективнее технология с быстрым фазовым переходом. При проверке экономических расчетов не сложно убедиться в том, что большую часть составляют расходы на тепловую энергию (до 35-45% от общих эксплуатационных затрат). Для улучшения показателей основные рабочие циклы выполняют в камере с разряженным воздухом. Применение вакуума помогает уменьшить температуру кипения до +60°C.
Технологию опреснения воды ускоряют с помощью вакуумных камер. Перспективная разработка – применение вторичного углеводородного хладагента (бутана, пропана). При точном подборе давления и температуры подача таких соединений провоцирует быстрое образование кристаллических газогидратов. Насыщенный рассол удаляют промывкой. После плавления выделенный газ можно использовать вторично. Кроме экономичности такой способ отличается сравнительно меньшим охлаждением окружающей среды.
В бытовых установках ионного обмена для простоты и безопасности применяют регенерационный раствор на основе очищенной поваренной соли. Для промышленного опреснения воды используют более производительные методики (кислоты для восстановления катионитов, щелочи – анионитов соответственно). Чтобы снизить концентрацию солей до минимального уровня жесткости выполняют последовательно несколько этапов обработки.
В промышленных установках обратного осмоса с целью увеличения производительности ставят параллельно несколько мембран. Давление увеличивают до 40 атм и более. Рабочие элементы создают из труб с пористыми стенками. С внутренней стороны устанавливают слой из полупроницаемой пленки. Современные изделия этой категории обеспечивают получение 600-800 л опресненной воды в тихом океане с каждого квадратного метра площади за 24 часа. Эти показатели соответствуют входной концентрации солевых примесей на уровне до 0,75% при повышении давления до 50-60 атм.
Опреснение воды в промышленных масштабах с помощью электродиализа сопровождается средними затратами энергии. Типовая установка расходует 2-6 Вт за час для обработки литра воды с концентрацией солей 1,5-7 г/л. Главным преимуществом по сравнению с оборудованием обратного осмоса является отсутствие высокого давления. Также надо отметить возможность применения более устойчивых к внешним воздействиям разделительных мембран.
Контроль качества и сравнение технологий
Выпаривание, вымораживание и другие методики промышленного опреснения морской воды выполняют функции очистки. Кроме солей из жидкости удаляются:
- механические примеси;
- неприятные запахи;
- микроорганизмы;
- другие химические соединения.
Отдельно контролируют содержание тяжелой воды (дейтерия, D2O). При достижении определенной концентрации это соединение опасно для человеческого организма. Между тем, его содержание в морской воде на 30-60% выше, чем в типовом городском трубопроводе. Для отделения таких примесей применяют более высокую (низкую) температуру кипения (замерзания) соответственно. На финишных стадиях подготовки контролируют изотопный состав с применением лабораторных методов.
В сводной таблице приведены общие показатели популярных методов промышленного опреснения воды:
|
Технология
|
Преимущества
|
Недостатки
|
Максимальное содержание солей, г/ литр
|
|
Дистилляция
|
Хорошая производительность.
|
Образование накипи.
|
34-36
|
|
Минимальный расход электроэнергии, небольшое потребление технической воды.
|
Сложность технологических процессов, значительные затраты на вспомогательные химические реагенты.
|
20-24
|
|
|
Обратный осмос
|
Простота конструкции, разумные энергетические затраты.
|
Необходимость повышения давления, значительный расход промывочных реагентов.
|
23-24
|
Следует подчеркнуть, что экономическая целесообразность зависит от многих факторов. Ионный обмен применяют при концентрации солей на входе не более 2-3 г на литр. Он подходит для оснащения артезианских источников. Однако для обработки морской воды лучше применить другой метод.
Значительное потребление тепла при дистилляции оправдано, если можно распоряжаться недорогим источником энергии (АЭС). В теплых регионах с минимальной облачностью с успехом применяют солнечное излучение для повышения температуры. Отмеченные нюансы опреснения воды в промышленных масштабах объясняют соответствующее размещение производительных опреснительных установок, которые функционируют на принципах выпаривания.
Главный недостаток дистилляции – накипь. Эти отложения:
- ухудшают теплообмен и эффективность;
- провоцируют поломки, аварийные ситуации;
- повышают эксплуатационные расходы (очистка, замена вышедших из строя частей оборудования).
Обратный осмос автоматизируется без лишних трудностей, что позволяет уменьшить требования к числу работников и квалификации обслуживающего персонала. Кроме отмеченных выше недостатков следует помнить о сравнительно низкой производительности. Расходы увеличивает применение агрессивных соединений для регулярной промывки мембран.
Итоговое решение применяют на основе комплексного анализа. Кроме исходной концентрации примесей и производительности принимают во внимание возможность использования недорогих энергетических ресурсов. Проверяют не только объем инвестиционных вложений, но и затраты в процессе эксплуатации.