Опреснение - Desalination

Опреснительная установка обратного осмоса в Барселоне, Испания

Опреснение - это процесс удаления минеральных компонентов из соленой воды . В более общем смысле, опреснение относится к удалению солей и минералов из целевого вещества, как при опреснении почвы , которое является проблемой для сельского хозяйства. Соленая вода (особенно морская вода ) опресняется для получения воды, пригодной для потребления человеком или для орошения . Побочным продуктом процесса опреснения является рассол . Опреснение используется на многих морских судах и подводных лодках . Большая часть современного интереса к опреснению воды сосредоточена на рентабельном обеспечении пресной водой.для использования человеком. Наряду с переработанными сточными водами , это один из немногих водных ресурсов, не зависящих от количества осадков .

Из - за его потребление энергии, опреснение морской воды , как правило , дороже , чем пресная вода из поверхностных вод или грунтовых вод , рециркуляций воды и сохранения водных ресурсов . Однако эти альтернативы не всегда доступны, и истощение запасов является серьезной проблемой во всем мире. Процессы опреснения обычно управляются либо тепловым (в случае перегонки ), либо механическим (в случае обратного осмоса ) в качестве основных типов энергии.

Приложения

Внешний звук
аудио значок «Заставляем пустыни цвести: используя природу, чтобы избавить нас от засухи» , подкаст Distillations и стенограмма, серия 239, 19 марта 2019 г., Институт истории науки
Схематическое изображение многостадийного вспышки опреснитель
А - пара в B - морская вода в C - питьевая вода из
D - рассол (отходы) E - конденсат из F - теплообменной G - сбор конденсата (опресненная вода)
H - нагреватель рассол
The сосуд высокого давления акты как противоточный теплообменник . Вакуумный насос снижает давление в сосуде , чтобы облегчить испарение нагретой морской воды ( рассола ) , который поступает в сосуд с правой стороны (темные оттенки указывают на более низкую температуру). Пар конденсируется на трубах в верхней части судна, по которым пресная морская вода движется слева направо.
План типовой опреснительной установки обратного осмоса

В настоящее время по всему миру работает около 21 000 опреснительных установок. Самые большие - в Объединенных Арабских Эмиратах , Саудовской Аравии и Израиле . Крупнейшая в мире опреснительная установка расположена в Саудовской Аравии ( электростанция и опреснительная установка Рас-Аль-Хайр ) мощностью 1 401 000 кубометров в сутки.

Опреснение в настоящее время обходится дорого по сравнению с большинством альтернативных источников воды, и лишь очень небольшая часть общего потребления воды человеком удовлетворяется за счет опреснения. Обычно это экономически целесообразно только для дорогостоящих видов использования (таких как домашнее и промышленное использование) в засушливых районах. Однако наблюдается рост использования опреснения для сельскохозяйственных нужд и в густонаселенных районах, таких как Сингапур или Калифорния. Наиболее широко используется в Персидском заливе .

Отмечая снижение затрат и в целом положительное отношение к технологии для богатых районов, расположенных вблизи океанов, в исследовании 2004 года утверждается: «Опресненная вода может быть решением для некоторых регионов, испытывающих нехватку воды, но не для бедных и глубоких районов. внутри континента или на большой высоте. К сожалению, это включает в себя некоторые из мест с самыми большими проблемами с водой », и:« Действительно, нужно поднять воду на 2000 м или переместить ее более чем на 1600 км, чтобы добраться транспортные расходы равны затратам на опреснение.

Таким образом, транспортировка пресной воды из другого места может оказаться более экономичной, чем ее опреснение. В местах, удаленных от моря, например в Нью-Дели , или на возвышенностях, например в Мехико , транспортные расходы могут соответствовать затратам на опреснение. Опресненная вода также стоит дорого в местах, которые находятся несколько далеко от моря и несколько высоко, таких как Эр-Рияд и Хараре . В отличие от других мест, транспортные расходы намного ниже, таких как Пекин , Бангкок , Сарагоса , Феникс и, конечно же, прибрежные города, такие как Триполи » . После опреснения воды в Джубайле , Саудовская Аравия, вода перекачивается на 320 км вглубь суши в Эр-Рияд . В прибрежных городах опреснение все чаще рассматривается как конкурентный выбор.

Не все убеждены в том, что опреснение является или будет экономически жизнеспособным или экологически устойчивым в обозримом будущем. Дебби Кук писала в 2011 году, что опреснительные установки могут быть энергоемкими и дорогостоящими. Следовательно, в регионах с дефицитом воды может быть лучше сосредоточиться на сохранении или других решениях водоснабжения, чем инвестировать в опреснительные установки.

Технологии

Опреснение - это искусственный процесс, с помощью которого соленая вода (обычно морская ) превращается в пресную. Наиболее распространенными процессами опреснения являются дистилляция и обратный осмос .

Есть несколько способов. У каждого есть свои преимущества и недостатки, но все они полезны. Способы можно разделить на мембранные (например, обратный осмос ) и термические (например, многоступенчатая флэш-дистилляция ). Традиционный процесс обессоливания является перегонка , т.е. кипения и повторно конденсации из морской воды , чтобы оставить соли и примеси позади.

В настоящее время в мире существуют две технологии с большей опреснительной способностью: многоступенчатая флэш-дистилляция и обратный осмос .

Дистилляция

Солнечная перегонка

Солнечная дистилляция имитирует естественный круговорот воды, в котором солнце нагревает морскую воду достаточно для ее испарения. После испарения водяной пар конденсируется на прохладной поверхности. Есть два типа солнечного опреснения. В первом из них используются фотоэлектрические элементы, которые преобразуют солнечную энергию в электрическую для обеспечения процесса опреснения. Последний использует солнечную энергию в форме тепла и известен как опреснение с помощью солнечной энергии.

Естественное испарение

Вода может испаряться под действием нескольких других физических воздействий, помимо солнечного излучения. Эти эффекты были включены в междисциплинарную методологию опреснения в теплице IBTS . IBTS - это промышленная опреснительная (энергетическая) установка с одной стороны и теплица, работающая с естественным водным циклом (в уменьшенном масштабе 1:10) с другой стороны. Различные процессы испарения и конденсации происходят в низкотехнологичных коммуникациях, частично под землей, и в архитектурной форме самого здания. Эта интегрированная биостектурная система наиболее подходит для крупномасштабного озеленения пустыни, так как она занимает площадь 2 км для дистилляции воды и то же самое для преобразования ландшафта в озеленение пустыни, соответственно, для восстановления естественного круговорота пресной воды.

Опреснение воды
Методы

Вакуумная перегонка

При вакуумной перегонке атмосферное давление снижается, что снижает температуру, необходимую для испарения воды. Жидкости закипают, когда давление пара становится равным давлению окружающей среды, а давление пара увеличивается с температурой. Фактически, жидкости кипят при более низкой температуре, когда окружающее атмосферное давление меньше обычного атмосферного давления. Таким образом, из-за пониженного давления можно использовать низкотемпературные «отходы» тепла от производства электроэнергии или промышленных процессов.

Многоступенчатая флэш-дистилляция

Вода испаряется и отделяется от морской воды посредством многоступенчатой ​​мгновенной дистилляции , которая представляет собой серию мгновенных испарений . Каждый последующий процесс мгновенного испарения использует энергию, выделяемую при конденсации водяного пара на предыдущем этапе.

Многоступенчатая дистилляция

Многоступенчатая дистилляция (MED) проходит через серию этапов, называемых «эффектами». Поступающая вода распыляется на трубы, которые затем нагреваются для образования пара. Затем пар используется для нагрева следующей партии поступающей морской воды. Для повышения эффективности пар, используемый для нагрева морской воды, можно брать с близлежащих электростанций. Хотя этот метод является наиболее термодинамически эффективным среди методов, работающих за счет тепла, существует несколько ограничений, таких как максимальная температура и максимальное количество эффектов.

Парокомпрессионная перегонка

Испарение с компрессией пара включает использование либо механического компрессора, либо струйного потока для сжатия пара, находящегося над жидкостью. Затем сжатый пар используется для обеспечения тепла, необходимого для испарения остальной морской воды. Поскольку для этой системы требуется только питание, она будет более экономичной, если она будет храниться в небольшом масштабе.

Опреснение с помощью волн

CETO - это технология, использующая энергию волн, которая опресняет морскую воду с помощью погружных буев. Опреснительные установки, работающие на волнах, начали работать на острове Гарден в Западной Австралии в 2013 году и в Перте в 2015 году.

Мембранная перегонка

Мембранная дистилляция использует разницу температур на мембране для испарения пара из солевого раствора и конденсации чистой воды на более холодной стороне. Конструкция мембраны может существенно повлиять на эффективность и долговечность. Исследование показало, что мембрана, созданная путем коаксиального электропрядения из PVDF - HFP и аэрогеля кремнезема, способна фильтровать 99,99% соли после непрерывного 30-дневного использования.

Осмос

Обратный осмос

Лидирующим процессом опреснения воды с точки зрения установленной мощности и годового роста является обратный осмос (RO). В мембранных процессах обратного осмоса используются полупроницаемые мембраны и прикладываемое давление (на стороне подачи мембраны), чтобы предпочтительно вызвать проникновение воды через мембрану при удалении солей. Мембранные системы обратного осмоса обычно используют меньше энергии, чем процессы термического опреснения. Стоимость энергии в процессах опреснения значительно варьируется в зависимости от солености воды, размера установки и типа процесса. В настоящее время стоимость опреснения морской воды, например, выше, чем у традиционных источников воды, но ожидается, что затраты будут продолжать снижаться за счет технологических усовершенствований, которые включают, помимо прочего, повышение эффективности, сокращение площади завода, улучшение работа и оптимизация установки, более эффективная предварительная обработка сырья и более дешевые источники энергии.

В обратном осмосе используется тонкопленочная композитная мембрана, состоящая из ультратонкой тонкой пленки из ароматического полиамида. Эта полиамидная пленка придает мембране ее транспортные свойства, тогда как остальная часть тонкопленочной композитной мембраны обеспечивает механическую опору. Полиамидная пленка представляет собой плотный полимер без пустот с большой площадью поверхности, что обеспечивает ее высокую водопроницаемость. Недавнее исследование показало, что водопроницаемость в первую очередь определяется внутренним наноразмерным распределением массы активного полиамидного слоя.

Процесс обратного осмоса не требует обслуживания. На эффективность влияют различные факторы: ионное загрязнение (кальций, магний и т. Д.); растворенный органический углерод (DOC); бактерии; вирусы; коллоиды и нерастворимые частицы; биообрастание и образование накипи . В крайних случаях мембраны обратного осмоса разрушаются. Чтобы уменьшить ущерб, вводятся различные этапы предварительной обработки. Ингибиторы против образования накипи включают кислоты и другие агенты, такие как органические полимеры, полиакриламид и полималеиновая кислота , фосфонаты и полифосфаты . Ингибиторами загрязнения являются биоциды (как окислители против бактерий и вирусов), такие как хлор, озон, гипохлорит натрия или кальция. Регулярно, в зависимости от загрязнения мембраны; колебания состояния морской воды; или по требованию процесса мониторинга мембраны необходимо очистить, что называется аварийной или шоковой промывкой. Промывка выполняется ингибиторами в растворе пресной воды, и система должна отключиться. Эта процедура опасна для окружающей среды, так как загрязненная вода без очистки сбрасывается в океан. Чувствительные морские среды обитания могут быть необратимо повреждены.

Автономные опреснительные установки, работающие на солнечной энергии, используют солнечную энергию для заполнения буферной емкости на холме морской водой. В процессе обратного осмоса морская вода под давлением подается в часы без солнечного света под действием силы тяжести, что приводит к устойчивому производству питьевой воды без необходимости использования ископаемого топлива, электросети или батарей. Нано-трубки также используются для той же функции (например, обратного осмоса).

Прямой осмос

В прямом осмосе используется полупроницаемая мембрана для отделения воды от растворенных веществ. Движущей силой этого разделения является градиент осмотического давления, так что «вытягивает» раствор высокой концентрации.

Замораживание – оттаивание

При опреснении замораживанием-оттаиванием (или опреснении замерзанием) используется замораживание для удаления пресной воды из соленой воды. Во время замерзания соленая вода разбрызгивается на подушку, где накапливается лед. Когда сезонные условия теплые, талая вода, подвергнутая естественному опреснению, восстанавливается. Этот метод основан на продолжительных периодах естественных отрицательных температур.

Другой метод замораживания-оттаивания, не зависящий от погодных условий и изобретенный Александром Зарчиным , замораживает морскую воду в вакууме. В условиях вакуума опресненный лед растапливают и направляют на сбор, а соль собирается.

Электродиализная мембрана

Электродиализ использует электрический потенциал для перемещения солей через пары заряженных мембран, которые удерживают соль в чередующихся каналах. Существует несколько разновидностей электродиализа, таких как обычный электродиализ , обратный электродиализ .

Аспекты дизайна

Потребление энергии

Энергозатратность процесса опреснения зависит от солености воды. Опреснение солоноватой воды требует меньше энергии, чем опреснение морской воды. Потребление энергии при опреснении морской воды достигло всего 3 кВтч / м³, включая предварительную фильтрацию и вспомогательные устройства, аналогично энергопотреблению других источников пресной воды, транспортируемых на большие расстояния, но намного выше, чем у местных источников пресной воды, которые используют 0,2 кВтч / м3. 3 или меньше.

Было определено минимальное потребление энергии для опреснения морской воды в размере около 1 кВтч / м 3 , без учета предварительной фильтрации и откачки на входе / выходе. Менее 2 кВт · ч / м 3 было достигнуто с помощью технологии мембран обратного осмоса , что оставляет ограниченные возможности для дальнейшего снижения энергии, поскольку потребление энергии обратным осмосом в 1970-х годах составляло 16 кВт · ч / м 3 .

Поставка всей бытовой воды в США путем опреснения увеличит бытовое потребление энергии примерно на 10%, примерно на количество энергии, потребляемой бытовыми холодильниками. Внутреннее потребление составляет относительно небольшую долю от общего объема потребления воды.

Энергозатратность методов опреснения морской воды.
Метод опреснения >> Многоступенчатая Flash MSF Многоступенчатая дистилляция MED Механическое сжатие пара MVC Обратный осмос RO
Электроэнергия (кВтч / м 3 ) 4–6 1,5–2,5 7–12 3–5,5
Тепловая энергия (кВтч / м 3 ) 50–110 60–110 Никто Никто
Электрический эквивалент тепловой энергии (кВтч / м 3 ) 9,5–19,5 5–8,5 Никто Никто
Общая эквивалентная электрическая энергия (кВтч / м 3 ) 13,5–25,5 6.5–11 7–12 3–5,5

Примечание: «Электрический эквивалент» означает количество электроэнергии, которое может быть произведено с использованием данного количества тепловой энергии и соответствующего турбогенератора. Эти расчеты не включают энергию, необходимую для строительства или ремонта предметов, потребляемых в процессе.

Учитывая энергоемкий характер опреснения с соответствующими экономическими и экологическими издержками, опреснение обычно считается последним средством после сбережения воды . Но это меняется, поскольку цены продолжают падать.

Когенерация

Когенерация - это избыточное производство тепла и электроэнергии в рамках единого процесса. Когенерация может обеспечить полезное тепло для опреснения в интегрированном или «двойном» объекте, где электростанция выдает энергию для опреснения. В качестве альтернативы, производство энергии на предприятии может быть направлено на производство питьевой воды (автономное предприятие), либо избыточная энергия может быть произведена и включена в энергосистему. Когенерация принимает различные формы, и теоретически можно использовать любую форму производства энергии. Однако большинство существующих и планируемых когенерационных опреснительных установок используют ископаемое топливо или ядерную энергию в качестве источника энергии. Большинство заводов расположены на Ближнем Востоке или в Северной Африке , которые используют свои нефтяные ресурсы для компенсации ограниченных водных ресурсов. Преимущество установок двойного назначения заключается в том, что они могут быть более эффективными в потреблении энергии, что делает опреснение более жизнеспособным.

Шевченко БН-350 , бывший блок опреснения ядерного нагрет в Казахстане

Современная тенденция в установках двойного назначения - это гибридные конфигурации, в которых пермеат от опреснения обратным осмосом смешивается с дистиллятом от термического опреснения. Обычно два или более процесса опреснения сочетаются с производством электроэнергии. Такие объекты были реализованы в Саудовской Аравии в Джидде и Янбу .

Типичный суперкар в армии США способен использовать ядерную энергию для опреснения 1 500 000 литров воды в день.

Альтернативы опреснению

Повышение экономии и эффективности водных ресурсов остается наиболее экономически эффективным подходом в областях с большим потенциалом повышения эффективности методов водопользования. Рекуперация сточных вод дает множество преимуществ по сравнению с опреснением соленой воды, хотя обычно при этом используются опреснительные мембраны. Городские стоки и улавливание ливневых вод также обеспечивают преимущества при очистке, восстановлении и подпитке грунтовых вод.

Предлагаемая альтернатива опреснению на юго-западе Америки - это коммерческий импорт воды из богатых водой районов либо нефтяными танкерами, переоборудованными в водовозы, либо по трубопроводам. Эта идея политически непопулярна в Канаде, где правительства наложили торговые барьеры на экспорт воды в больших объемах в результате требования Североамериканского соглашения о свободной торговле (НАФТА).

Расходы

Факторы, определяющие затраты на опреснение, включают мощность и тип установки, местоположение, питательную воду, рабочую силу, энергию, финансирование и утилизацию концентрата. Стоимость опреснения морской воды (инфраструктуры, энергетики, и техническое обслуживания) , как правило , выше , чем пресная вода из рек и подземных вод , оборотного водоснабжения и водосбережения , но альтернативы не всегда доступны. Затраты на опреснение в 2013 году варьировались от 0,45 до 1,00 долларов США / м 3 . Более половины затрат напрямую связано с затратами на энергию, и, поскольку цены на энергию очень изменчивы, фактические затраты могут существенно различаться.

Стоимость неочищенной пресной воды в развивающихся странах может достигать 5 долларов США за кубический метр.

Сравнение затрат на методы опреснения
Метод Стоимость (долл. / Литр)
Пассивная солнечная энергия (энергоэффективность 30,42%) 0,034
Пассивная солнечная (улучшенный односкатный, Индия) 0,024
Пассивный солнечный (улучшенный двойной склон, Индия) 0,007
Многоступенчатая вспышка (MSF) <0,001
Обратный осмос (концентрированная солнечная энергия) 0,0008
Обратный осмос (фотоэлектрическая энергия) 0,000825
Среднее потребление воды и стоимость снабжения опреснением морской воды из расчета 1 доллар США за кубический метр (± 50%)
Площадь Расход
литр на человека в день
Стоимость опресненной воды,
долл. США на человека в день.
нас 0378 00,38
Европа 0189 00,19
Африке 0057 год 00,06
Рекомендуемый ООН минимум 0049 00,05

Опреснения STILLS концентрации управляющего давления, температуры и рассола к эффективности оптимизируют. Опреснение с помощью ядерной энергии может быть экономичным в больших масштабах.

В 2014 году на израильских объектах в Хадере, Пальмахиме, Ашкелоне и Сореке опреснение воды производилось по цене менее 0,40 доллара США за кубический метр. По состоянию на 2006 год в Сингапуре стоимость опреснения воды составляла 0,49 доллара США за кубический метр.

Экологические аспекты

Прием

В США водозаборные сооружения охлаждающей воды регулируются Агентством по охране окружающей среды (EPA). Эти сооружения могут оказывать такое же воздействие на окружающую среду, как водозаборы опреснительных установок. Согласно EPA, водозаборные сооружения оказывают неблагоприятное воздействие на окружающую среду, засасывая рыбу и моллюсков или их икру в промышленную систему. Там организмы могут быть убиты или повреждены жарой, физическим стрессом или химическими веществами. Более крупные организмы могут быть убиты или травмированы, когда они попадут в ловушку против экранов на передней части водозаборной конструкции. Альтернативные типы водозабора, которые смягчают эти воздействия, включают колодцы на пляже, но они требуют больше энергии и более высоких затрат.

Завод по опреснению воды Kwinana открылся в Перте в 2007 году. Вода там, а также на опреснительной установке Gold Coast в Квинсленде и опреснительной установке Kurnell в Сиднее отбирается со скоростью 0,1 м / с (0,33 фута / с), что достаточно медленно, чтобы рыба могла ускользнуть. Завод обеспечивает около 140 000 м 3 (4 900 000 куб. Футов) чистой воды в день.

Отток

В процессах опреснения образуется большое количество рассола , возможно, при температуре выше окружающей среды, и он содержит остатки химикатов предварительной обработки и очистки, побочные продукты их реакции и тяжелые металлы из-за коррозии (особенно в установках, работающих на термической основе). Предварительная химическая обработка и очистка необходимы на большинстве опреснительных установок, что обычно включает предотвращение биообрастания, образования накипи, пенообразования и коррозии на тепловых установках, а также биообрастания, взвешенных твердых частиц и отложений накипи на мембранных установках.

Чтобы ограничить воздействие на окружающую среду возврата рассола в океан, его можно разбавить другим потоком воды, поступающим в океан, например, стоком очистных сооружений или электростанции. При средних и крупных электростанциях и опреснительных установках поток охлаждающей воды электростанции, вероятно, будет в несколько раз больше, чем у опреснительной установки, что снижает соленость комбинации. Другой метод разбавления рассола - смешивание его через диффузор в зоне смешивания. Например, как только трубопровод, содержащий рассол, достигает морского дна, он может разделиться на множество ответвлений, каждая из которых выпускает рассол постепенно через небольшие отверстия по своей длине. Смешивание можно сочетать с разбавлением на электростанциях или очистных сооружениях. Кроме того, для обработки рассола перед утилизацией могут быть применены системы с нулевым сбросом жидкости.

Другая возможность - сделать опреснительную установку подвижной, чтобы избежать накопления рассола в одном месте (поскольку он продолжает производиться опреснительной установкой). Было построено несколько таких передвижных (связанных с судном) опреснительных установок.

Рассол более плотный, чем морская вода, поэтому опускается на дно океана и может нанести ущерб экосистеме. Было замечено, что шлейфы рассола со временем уменьшаются до разбавленной концентрации, при которой практически не оказывалось никакого воздействия на окружающую среду. Однако исследования показали, что разведение может вводить в заблуждение из-за глубины, на которой оно произошло. Если разбавление наблюдалось в течение летнего сезона, существует вероятность того, что могло произойти сезонное явление термоклина, которое могло бы предотвратить опускание концентрированного рассола на морское дно. Это может не нарушить экосистему морского дна и, вместо этого, воды над ним. Было замечено, что рассол от опреснительных заводов распространяется на несколько километров, а это означает, что он может нанести вред экосистемам вдали от растений. Тщательная реинтродукция с соответствующими мерами и экологическими исследованиями может свести к минимуму эту проблему.

Другие вопросы

Из-за характера процесса необходимо разместить растения примерно на 25 акрах земли на береговой линии или рядом с ней. В случае завода, построенного внутри страны, трубы должны быть проложены в земле, чтобы обеспечить легкий прием и отвод. Однако после того, как трубы будут проложены в земле, они могут проникнуть в близлежащие водоносные горизонты и загрязнить их. Помимо экологических рисков, некоторые типы опреснительных установок могут издавать громкий шум.

Аспекты здоровья

Дефицит йода

Опреснение удаляет йод из воды и может увеличить риск йододефицитных заболеваний. Израильские исследователи заявили о возможной связи между опреснением морской воды и дефицитом йода, обнаружив, что дефицит йода у взрослых, подвергающихся воздействию воды с низким содержанием йода, одновременно с увеличением доли питьевой воды в их районе от обратного осмоса морской воды (SWRO). Позже они обнаружили вероятные нарушения йодной недостаточности у населения, зависимого от опресненной морской воды. Возможная связь между интенсивным использованием опресненной воды и дефицитом йода в стране была предложена израильскими исследователями. Они обнаружили высокое бремя йодной недостаточности среди населения Израиля в целом: 62% детей школьного возраста и 85% беременных женщин находятся ниже диапазона адекватности ВОЗ. Они также указали на национальную зависимость от опресненной воды с низким содержанием йода, отсутствие универсальной программы йодирования соли и сообщения об увеличении использования препаратов для лечения щитовидной железы в Израиле в качестве возможных причин низкого потребления йода населением. В год проведения исследования количество воды, произведенной на опреснительных установках, составляет около 50% от количества пресной воды, поставляемой для всех нужд, и около 80% воды, поставляемой для бытовых и промышленных нужд в Израиле.

Экспериментальные методы

Другие методы опреснения включают:

Отработанное тепло

Технологии опреснения с тепловым приводом часто рекомендуются для использования с низкотемпературными источниками отработанного тепла , поскольку низкие температуры не подходят для многих промышленных процессов, но идеально подходят для более низких температур, характерных для опреснения. Фактически, такое сочетание с отработанным теплом может даже улучшить электрические процессы: дизельные генераторы обычно обеспечивают электроэнергией отдаленные районы. Около 40–50% выходной энергии составляет низкопотенциальное тепло, которое покидает двигатель через выхлоп. Подключение технологии термического опреснения, такой как мембранная дистилляционная система, к выхлопу дизельного двигателя, перепрофилирует это низкопотенциальное тепло для опреснения. Система активно охлаждает дизельный генератор , улучшая его эффективность и увеличивая выработку электроэнергии. В результате получается энергетически нейтральный опреснительный раствор. Примерный завод был введен в эксплуатацию голландской компанией Aquaver в марте 2014 года для Гули , Мальдивы .

Низкотемпературный термический

Первоначально возникший в результате исследований по преобразованию тепловой энергии океана , низкотемпературное термическое опреснение (LTTD) использует преимущества кипения воды при низком давлении даже при температуре окружающей среды . В системе используются насосы для создания среды с низким давлением и низкой температурой, в которой вода кипит при температурном градиенте 8–10 ° C (46–50 ° F) между двумя объемами воды. Прохладная океанская вода подается с глубины до 600 м (2000 футов). Эта вода прокачивается через змеевики для конденсации водяного пара. Образующийся конденсат представляет собой очищенную воду. LTTD может использовать температурный градиент, доступный на электростанциях, где большие количества теплых сточных вод сбрасываются с электростанции, снижая затраты энергии, необходимые для создания температурного градиента.

Для проверки этого подхода были проведены эксперименты в США и Японии. В Японии система распыления-мгновенного испарения была испытана Университетом Саги. На Гавайях Национальная энергетическая лаборатория провела испытания установки OTEC открытого цикла с пресной водой и выработкой электроэнергии с использованием разницы температур 20 ° C между поверхностной водой и водой на глубине около 500 м (1600 футов). LTTD был изучен Национальным институтом океанических технологий Индии (NIOT) в 2004 году. Их первый завод LTTD открылся в 2005 году в Каваратти на островах Лакшадвип . Мощность завода составляет 100 000 л (22 000 имп. Галлонов; 26 000 галлонов США) в день при капитальных затратах в 50 миллионов индийских рупий (922 000 евро). Растение использует глубокую воду при температуре от 10 до 12 ° C (от 50 до 54 ° F). В 2007 году NIOT открыла экспериментальный плавучий завод LTTD у побережья Ченнаи мощностью 1 000 000 литров (220 000 имп галлонов; 260 000 галлонов США) в день. В 2009 году на тепловой электростанции Северного Ченнаи была построена небольшая установка, чтобы доказать возможность применения LTTD, где имеется охлаждающая вода для электростанций.

Термоионный процесс

В октябре 2009 года Saltworks Technologies объявила о процессе, в котором солнечное или другое тепловое тепло используется для возбуждения ионного тока, удаляющего все ионы натрия и хлора из воды с помощью ионообменных мембран.

Испарение и конденсация для сельскохозяйственных культур

В теплице с морской водой используются процессы естественного испарения и конденсации внутри теплицы, работающей от солнечной энергии, для выращивания сельскохозяйственных культур на засушливых прибрежных территориях.

Другие подходы

Адсорбционное опреснение (AD) зависит от влагопоглощающих свойств определенных материалов, таких как силикагель.

Прямой осмос

Один процесс был коммерциализирован Modern Water PLC с использованием прямого осмоса , и, как сообщается, ряд заводов уже работает.

Опреснение на основе гидрогеля

Схема опреснительной машины: опреснительная камера объемом V _ box содержит гель объемом V _ gel, который отделен ситом от внешнего объема раствора V _ out = V _ box - V _ гель . Бокс соединен с двумя большими резервуарами с высокой и низкой соленостью двумя кранами, которые можно открывать и закрывать по желанию. Цепочка ведер отображает потребление пресной воды с последующим заполнением соленой воды резервуара с низкой соленостью.

Идея метода заключается в том, что при контакте гидрогеля с водным раствором соли он набухает, поглощая раствор с ионным составом, отличным от исходного. Этот раствор легко выдавливается из геля с помощью сита или микрофильтрационной мембраны. Сжатие геля в закрытой системе приводит к изменению концентрации соли, тогда как сжатие в открытой системе, когда гель обменивается ионами с массой, приводит к изменению количества ионов. Последствия сжатия и набухания в условиях открытой и закрытой системы имитируют обратный цикл Карно холодильной машины. Единственное отличие состоит в том, что вместо тепла этот цикл переносит ионы соли из основной массы с низкой соленостью в массу с высокой соленостью. Подобно циклу Карно, этот цикл полностью обратим, поэтому в принципе может работать с идеальной термодинамической эффективностью. Поскольку в этом методе не используются осмотические мембраны, он может конкурировать с методом обратного осмоса. Кроме того, в отличие от обратного осмоса, этот подход не чувствителен к качеству питательной воды и его сезонным изменениям и позволяет производить воду любой желаемой концентрации.

Мелкомасштабная солнечная

Соединенные Штаты, Франция и Объединенные Арабские Эмираты работают над практическим развитием солнечного опреснения . WaterStillar от AquaDania был установлен в Дахабе, Египет, и в Плайя-дель-Кармен, Мексика. При таком подходе солнечный тепловой коллектор размером два квадратных метра может перегонять от 40 до 60 литров в день из любого местного источника воды - в пять раз больше, чем обычные дистилляторы. Это устраняет необходимость в пластиковых бутылках из ПЭТ или энергоемком водном транспорте. В Центральной Калифорнии стартап-компания WaterFX разрабатывает метод опреснения на солнечной энергии, который позволяет использовать местную воду, в том числе сточные воды, которые можно обрабатывать и использовать снова. Соленые грунтовые воды в этом регионе будут очищены, чтобы стать пресными, а в районах около океана можно будет очищать морскую воду.

Passarell

В процессе Пассарелла для опреснения испарением используется пониженное атмосферное давление, а не тепло. Чистый водяной пар, образующийся при перегонке, затем сжимается и конденсируется с помощью усовершенствованного компрессора. Процесс сжатия повышает эффективность дистилляции за счет создания пониженного давления в испарительной камере. Компрессор центрифугирует чистый водяной пар после того, как он проходит через туманоуловитель (удаляя остаточные примеси), заставляя его сжиматься относительно трубок в сборной камере. Сжатие пара увеличивает его температуру. Тепло передается входящей воде, падающей в трубки, испаряя воду в трубках. Водяной пар конденсируется на внешней стороне трубок в виде производимой воды. Комбинируя несколько физических процессов, Passarell позволяет рециркулировать большую часть энергии системы за счет процессов испарения, запотевания, сжатия пара, конденсации и движения воды.

Геотермальный

Геотермальная энергия может способствовать опреснению воды. В большинстве мест геотермальное опреснение лучше, чем использование дефицитных грунтовых или поверхностных вод, как с экологической, так и с экономической точки зрения.

Нанотехнологии

Мембраны из нанотрубок с более высокой проницаемостью, чем мембраны нынешнего поколения, могут привести в конечном итоге к сокращению площади опреснительных установок обратного осмоса. Также предполагалось, что использование таких мембран приведет к снижению энергии, необходимой для опреснения.

Доказано, что герметичные сульфированные нанокомпозитные мембраны способны удалять различные загрязняющие вещества на уровне частей на миллиард и практически не чувствительны к высоким уровням концентрации соли.

Биомимезис

Другой подход - биомиметические мембраны .

Электрохимический

В 2008 году компания Siemens Water Technologies анонсировала технологию, в которой электрические поля используются для опреснения одного кубического метра воды, при этом потребляется всего 1,5 кВт-ч энергии. Если быть точным, этот процесс потреблял бы половину энергии других процессов. По состоянию на 2012 год демонстрационный завод работал в Сингапуре. Исследователи из Техасского университета в Остине и Марбургского университета разрабатывают более эффективные методы электрохимического опреснения морской воды.

Электрокинетические шоки

Процесс с использованием электрокинетических ударных волн может быть использован для безмембранного опреснения воды при температуре и давлении окружающей среды. В этом процессе анионы и катионы в соленой воде обмениваются на карбонатные анионы и катионы кальция соответственно с использованием электрокинетических ударных волн. Ионы кальция и карбоната реагируют с образованием карбоната кальция , который выпадает в осадок, оставляя пресную воду. Теоретическая энергоэффективность этого метода сопоставима с электродиализом и обратным осмосом .

Экстракция растворителем с переменным температурным режимом

При экстракции растворителем с изменяющейся температурой (TSSE) используется растворитель вместо мембраны или высокие температуры.

Экстракция растворителем - распространенный метод в химической инженерии . Его можно активировать с помощью низкопотенциального тепла (менее 70 ° C (158 ° F), что может не потребовать активного нагрева. Согласно исследованию, TSSE удаляет до 98,4% соли в рассоле. Растворитель, растворимость которого зависит от Температура добавляется к соленой воде. При комнатной температуре растворитель оттягивает молекулы воды от соли. Затем насыщенный водой растворитель нагревается, в результате чего растворитель высвобождает уже не содержащую соли воду.

Он может опреснять чрезвычайно соленый рассол, в семь раз более соленый, чем океан. Для сравнения, нынешние методы позволяют обрабатывать рассол только вдвое более соленым.

Опреснительные установки

По мере того как новые технологические инновации продолжают снижать капитальные затраты на опреснение, все больше стран строят опреснительные установки в качестве небольшого элемента в решении своих проблем нехватки воды .

  • Израиль опресняет воду по цене 53 цента за кубический метр
  • Сингапур опресняет воду по цене 49 центов за кубический метр, а также обрабатывает сточные воды с помощью обратного осмоса для промышленного и питьевого использования ( NEWater ).
  • Китай и Индия, две самые густонаселенные страны мира, обращаются к опреснению воды, чтобы удовлетворить небольшую часть своих потребностей в воде.
  • В 2007 году Пакистан объявил о планах использовать опреснение.
  • Все австралийские столицы (кроме Дарвина, Северной территории и Хобарта ) либо находятся в процессе строительства опреснительных заводов, либо уже используют их. В конце 2011 года Мельбурн начнет использовать крупнейшую в Австралии опреснительную установку Wonthaggi для повышения уровня воды в резервуарах.
  • В 2007 году Бермудские острова подписали контракт на покупку опреснительной установки.
  • Самая большая опреснительная установка в Соединенных Штатах - это завод в Тампа-Бэй , Флорида , который начал опреснение 25 миллионов галлонов (95000 м³) воды в день в декабре 2007 года. В Соединенных Штатах стоимость опреснения составляет 3,06 доллара за 1000 галлонов. или 81 цент за кубометр. В Соединенных Штатах, Калифорния , Аризона , Техас и Флорида используют опреснение для очень небольшой части своего водоснабжения.
  • После опреснения воды в Джубайле , Саудовская Аравия , вода перекачивается на 200 миль (320 км) вглубь суши по трубопроводу в столицу Эр-Рияд .

По данным Международной ассоциации по опреснению, на 2008 год «во всем мире 13 080 опреснительных установок производят более 12 миллиардов галлонов воды в день». По оценкам 2009 года, мировые поставки опресненной воды утроятся в период с 2008 по 2020 год.

Самая большая в мире опреснительная установка - опреснительная установка Джебель-Али (Фаза 2) в Объединенных Арабских Эмиратах . Это установка двойного назначения, использующая многоступенчатую мгновенную дистилляцию и способная производить 300 миллионов кубометров воды в год.

Типичный авианосец в армии США использует ядерную энергию для опреснения 400 000 галлонов (1 500 000 л) воды в день.

В природе

Лист мангрового дерева с кристаллами соли

Испарение воды над океанами в круговороте воды - это естественный процесс опреснения.

При образовании морского льда образуется лед с небольшим содержанием соли, намного меньшим, чем в морской воде.

Морские птицы перегоняют морскую воду с помощью противотока в железе с помощью ретранслятора . Железа выделяет высококонцентрированный рассол, хранящийся возле ноздрей над клювом. Затем птица «чихает» рассол. Поскольку пресная вода обычно недоступна в их среде обитания, некоторые морские птицы, такие как пеликаны , буревестники , альбатросы , чайки и крачки , обладают этой железой, которая позволяет им пить соленую воду из окружающей среды, когда они находятся вдали от суши.

Мангровые деревья растут в морской воде; они выделяют соль, улавливая ее частями корня, которые затем поедаются животными (обычно крабами). Дополнительную соль удаляют, храня ее в опадающих листьях. У некоторых видов мангровых деревьев на листьях есть железы, которые работают аналогично опреснительной железе морских птиц. Соль извлекается наружу листа в виде мелких кристаллов , которые затем выпадают с листа.

Ивы и камыши поглощают соль и другие загрязнения, эффективно опресняя воду. Он используется на искусственно построенных заболоченных территориях для очистки сточных вод .

История

Опреснение было известно истории на протяжении тысячелетий и как концепция, и как более поздняя практика, хотя и в ограниченной форме. Древнегреческий философ Аристотель в своей работе « Метеорология » заметил, что «соленая вода, когда она превращается в пар, становится сладкой, и пар больше не образует соленую воду, когда конденсируется», а также заметил, что тонкий восковой сосуд будет удерживать питьевую воду после будучи погруженным на достаточно долгое время в морскую воду, будучи мембраной для фильтрации соли. Есть множество других примеров экспериментов по опреснению воды на протяжении античности и средневековья, но опреснение никогда не было осуществимо в больших масштабах до современной эпохи. Хороший пример такого эксперимента являются наблюдениями Леонардо да Винчи (Флоренция, 1452), которые поняли , что дистиллированная вода может быть сделана недорого в больших количествах путем адаптации еще к кухонной плите. В средние века повсюду в Центральной Европе продолжалась работа по усовершенствованию дистилляции, хотя и не обязательно направленная на опреснение.

Однако не исключено, что первая крупная наземная опреснительная установка могла быть установлена ​​в чрезвычайных условиях на острове у побережья Туниса в 1560 году. Считается, что гарнизон из 700 испанских солдат был осажден большим количеством турок. и что, во время блокады, капитан отвечает изготовил еще способен производить 40 баррелей пресной воды в сутки, хотя не сообщались деталь устройства.

До промышленной революции опреснение было в первую очередь заботой океанских судов, которым в противном случае необходимо было иметь на борту запасы пресной воды. Сэр Ричард Хокинс (1562-1622), который совершил обширное путешествие по Южным морям, сообщил в своем возвращении, что он смог снабдить своих людей пресной водой с помощью судовой дистилляции. Кроме того, в начале 1600-х годов несколько выдающихся деятелей той эпохи, такие как Фрэнсис Бэкон или Уолтер Рэли, опубликовали отчеты об опреснении воды. Эти и другие отчеты создают атмосферу для первого патентного спора, касающегося опреснителя. Два первых патента на опреснение воды относятся к 1675 и 1683 годам (патенты № 184 и № 226, опубликованные г-ном Уильямом Уолкотом и г-ном Робертом Фицджеральдом (и другими), соответственно). Тем не менее, ни одно из двух изобретений не было фактически введено в эксплуатацию из-за технических проблем, связанных с трудностями расширения. В течение 150 лет, с середины 1600-х до 1800-х годов, в течение некоторого времени в течение 150 лет с середины 1600-х годов до 1800 года не было внесено никаких значительных улучшений в основной процесс перегонки морской воды.

Когда фрегат Protector был продан Дании в 1780-х годах (как корабль Hussaren), опреснительная установка была изучена и подробно описана. В недавно образованных Соединенных Штатах Томас Джефферсон каталогизировал методы, основанные на нагреве, начиная с 1500-х годов, и сформулировал практические советы, которые были опубликованы для всех американских судов на оборотах разрешений на плавание.

Примерно с 1800 года ситуация начала очень быстро меняться в результате появления паровой машины и так называемой эры пара . Развитие знаний о термодинамике паровых процессов и потребности в источнике чистой воды для ее использования в котлах дало положительный эффект в отношении систем дистилляции. Кроме того, распространение европейского колониализма вызвало потребность в пресной воде в отдаленных частях мира, создав таким образом подходящий климат для опреснения воды.

Параллельно с разработкой и усовершенствованием систем с использованием пара ( многоэлементные испарители ), этот тип устройств быстро продемонстрировал свой потенциал в области опреснения воды. В 1852 году Альфонсу Рене ле Мир де Нормандия был выдан британский патент на установку для перегонки морской воды с вертикальной трубкой, которая благодаря своей простоте конструкции и конструкции очень быстро приобрела популярность для использования на борту судов. Наземные опреснительные установки практически не появлялись до второй половины девятнадцатого века. В 1860-х годах армия США закупила три испарителя Normandy, каждый мощностью 7000 галлонов в день, и установила их на островах Ки-Уэст и Драй-Тортугас . Еще одна важная наземная опреснительная установка была установлена ​​в Суакине в 1980-х годах, которая могла обеспечивать пресной водой размещенные там британские войска. Он состоял из шестиступенчатых дистилляторов производительностью 350 т / сутки.

Значительные исследования улучшенных методов опреснения проводились в Соединенных Штатах после Второй мировой войны. Управление соленой воды было создано в Министерстве внутренних дел США в 1955 году в соответствии с Законом о конверсии соленой воды 1952 года. В 1974 году оно было объединено с Управлением исследований водных ресурсов.

Первая промышленная опреснительная установка в Соединенных Штатах открылась во Фрипорте, штат Техас, в 1961 году с надеждой обеспечить водную безопасность в регионе после десятилетия засухи. Вице-президент Линдон Б. Джонсон присутствовал на открытии завода 21 июня 1961 года. Президент Джон Ф. Кеннеди записал в Белом доме речь , в которой описал опреснение как «работу, которая во многих отношениях более важна, чем любое другое научное предприятие, в котором эта страна сейчас занята ».

Исследования проводились в государственных университетах Калифорнии, в компаниях Dow Chemical Company и DuPont . Многие исследования посвящены способам оптимизации систем опреснения.

Первая коммерческая опреснительная установка обратного осмоса, опреснительная установка Coalinga, была открыта в Калифорнии в 1965 году для производства солоноватой воды . Спустя несколько лет, в 1975 году, была запущена первая установка по опреснению морской воды методом обратного осмоса.

Общество и культура

Несмотря на проблемы, связанные с процессами опреснения, общественная поддержка его развития может быть очень высокой. Одно исследование сообщества Южной Калифорнии показало, что 71,9% всех респондентов поддерживают развитие опреснительных заводов в их сообществе. Во многих случаях высокая нехватка пресной воды соответствует большей общественной поддержке развития опреснения, тогда как районы с низким дефицитом воды, как правило, получают меньшую общественную поддержку его развития.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки