Способы опреснения морской воды


С каждым годом проблема нехватки пресной воды становится все острее. По прогнозам ученых, 21 век станет кризисным в этом плане, так как из-за глобального потепления, в связи с постоянным приростом населения в 80 млн. человек в год, уже к 2030 году воды, пригодной для питья, не будет хватать трети населения планеты. Поэтому, в связи с надвигающейся катастрофой мирового масштаба, проблему добычи новых источников пресной воды нужно решать уже сейчас. На сегодняшний день, жидкость пригодную для питья добывают путем конденсации осадков, растапливая ледовые и снежные шапки горных вершин, но самым перспективным, все же, считается метод опреснения морской воды.

Способы опреснения морской воды

Зачастую, в 1 килограмме морских и океанских вод, общее количество которых на планете равно 70%, содержится приблизительно 36 грамм разных солей, что делает ее непригодной как для употребления в пищу, так и для полива сельскохозяйственных угодий. Метод опреснения таких вод заключается в том, что из нее различными способами извлекают содержащуюся соль.

В данное время применяют следующие способы опреснения морских вод:


  • химический;
  • электродиализ;
  • ультрафильтрацию;
  • дистилляцию;
  • вымораживание.

Химическое опреснение – заключается в выделении солей, путем добавления в соленую воду реагентов на основе бария и серебра. Вступая в реакцию с солью, эти вещества делают ее нерастворимой, что позволяет легко извлечь соляные кристаллы. Применяется такой метод крайне редко из-за своей дороговизны и ядовитых свойств реагентов.

Электродиализ – это процесс очищения воды от соли с применением силы электрического тока. Для этого соленую жидкость помещают в специальный прибор постоянного действия, разделенный на три части специальными перегородками, одни такие мембраны задерживают ионы, а другие — катионы. Беспрерывно перемещаясь между перегородками, вода очищается, а изъятые из нее соли постепенно выводятся через специальный сток.

Ультрафильтрация, или как ее еще называют – обратный осмос – это способ, при котором соленый раствор заливают в один из отсеков специальной емкости, разделенной мембраной из антицеллюлозы. На воду воздействуют очень мощным поршнем, который при надавливании заставляет ее просачиваться через поры мембраны, оставляя в первом отсеке более крупные соляные составляющие. Такой метод довольно дорогой, поэтому малоэффективный.


Вымораживание – самый распространенный способ, основывается на том, что при заморозке соленой воды, первые образования льда происходят с пресной ее частью, а более соленая часть жидкости замерзает медленнее и при более низких температурах. После чего лед подогревают до 20 градусов, заставляя плавиться, и вода при этом будет практически избавленная от солей. Проблема вымораживания заключается в том, что для ее обеспечения, нужно специальное, очень дороге и профессиональное оборудование.

Дистилляция, или как его еще называют – термический метод,- самый экономичный вид опреснения, который заключается в простой конденсации, то есть соленую жидкость подвергают кипению, а из охлажденных испарений получают пресную воду.

Проблема опреснения морской воды состоит, в первую очередь, в больших затратах, связанных с самим процессом. Зачастую затраты на выведение солей с жидкости, не окупаются, поэтому применяются крайне редко. Также с каждым годом очищать воду морей и океанов — дистиллировать все труднее, так как остатки солей из уже очищенных вод не утилизируются, а возвращаются обратно в водные просторы, что делает концентрацию соли в них в разы выше. Исходя из этого, можно сделать вывод, что человечеству еще предстоит работа по открытию новых, эффективнейших методов опреснения морской воды.

Источник: ECOportal.info

Какую воду нужно опреснять?


Планета Земля имеет огромные запасы  воды, но  основная  ее часть  входит в состав мирового океана и является соленой морской водой. Качество морской воды не позволяет использовать ее в чистом виде для  промышленных сельскохозяйственных и тем более для пищевых целей.  В составе морской воды в растворенном виде присутствует более 50 элементов    системы Менделеева. Концентрация  каждого элемента в отдельности крайне ничтожна, но все вместе они определяют показатель, из-за которого морскую воду называют соленой. Вода, пригодная для пищевых целей  должна содержать солей   не более 0,002 г/мл. Для достижения  такой концентрации разработано большое количество способов, главная цель которых  очистить  морскую воду от солей и очистить ее. Главная задача разработчиков состоит в том, чтобы  найти способ, который  имел бы низкое потребление энергии и  максимально полную очистку, после которой вода могла бы использоваться  населением.

Способы опреснения

Сегодня существуют такие методы опреснения как  дистилляция, обратный осмос, ионизация и электродиализ,  которые можно использовать в промышленных масштабах.


  • Самым популярным способом является  обычная или многостадийная дистилляция,  при которой используется свойство  закипания и парообразования  при высоких температурах. Более половины опресненной воды получают именно таким способом.
  • Мембранная дистилляция,  метод, при котором производится нагрев воды с одной стороны мембраны, которая пропускает только пар и образует из него пресную воду.
  • Метод обратного осмоса относительно  дешевый, так как один  вложенный доллар  позволяет получить 16 тон пресной воды.  Прилагая к морской воде давление,  и продавливая ее через  мельчайшие фильтры  можно получить пресную воду с низким содержанием солей. Производительность   мембраны и степень опреснения зависят от многих факторов: от  количества содержания соли в исходном  сырье, солевого состава, температуры и давления.
  • Использование электродиализа, при котором вода проходит через камеру с  электродами, приводит к тому, что катионы и  анионы распределяются на  соответствующих  электродах. Преимущество электродиализа  состоит в том, что  в процессе используются  химически и термически стойкие мембраны, это дает возможность  проводить опреснение при высоких температурах.
  • Газогидратный метод основан на способности  углеродных газов при определенном давлении и температуре,  создавать, с участием воды, соединения клатратного типа. Замороженную соленую воду обрабатывают гидрат образующим газом, после чего формируются кристаллы. После отделения их от рассола, кристаллы промывают  и плавят, получая чистую пресную воду.

По данным Википедии:
  • испарение (дистилляция), в том числе:замораживание [1];
    • обычная дистилляция;
    • многостадийная флеш-дистилляция;
    • дистилляция под низким давлением (вакуумная дистилляция);
    • термокомпрессионная дистилляция.
  • ионный обмен;
  • электродиализ;
  • обратный осмос;
  • прямой осмос;
  • гидродинамическое разделение (сепарация).

Для опреснения  в южных регионах используют солнечные опреснители, в которых морская мода нагревается и испаряется. Существует и совершенно противоположный способ, при котором   просто замораживают морскую воду, вернее замораживают и отделяют пресную, так как она замерзает быстрее, чем морская.

Промышленное  опреснение

Недостаток в чистой питьевой воде испытывают в более чем 80 странах мира. Этот кризис спровоцирован ростом промышленного производства, ростом численности населения, ухудшением экологической обстановки  во всем мире и планетарных изменений в климате. Мировое сообщество стоит на грани острого дефицита пресной воды. В такой ситуации особенно остро встает вопрос  поиска  альтернативных технологий по  пополнению запасов пресной воды. Самым оптимальным считается  путь опреснения  вод мирового океана. Целесообразность этого пути  ученые видят в том, что большое  количество населения проживает в прибрежной зоне, имея доступ свободный  к практически бесплатному ресурсу.


Опреснительные станции строят  во многих странах, где  ощущается недостаток в питьевой воде, например в Кувейте, Саудовской Аравии, Израиле, Объединенные Арабские эмираты, США (Калифорния). Самые мощные опреснительные установки расположены  на Ближнем Востоке, например в Саудовской Аравии таких установок  семь и каждая из них может производить до 400000 кубометров пресной воды в сутки. Рынок производства постоянно расширяется. Такие государства как Австралия, Испания и Алжир  разрабатывают масштабные программы государственной поддержки  по стимулированию промышленного производства пресной воды.

Россия в этом вопросе значительно отстает, рынок опреснительной промышленности у нас не развит.  Климатическое и географическое расположение страны позволяет  не стремиться в лидеры государств, вкладывающих огромные средства в опреснение воды. Но  природа всегда  оставляет последнее слово за собой и выносит свой вердикт. Наличие таких проблемных зон  как Ставрополье, Волгоградская область, Прикаспийский регион и  оренбургские степи  не дает возможности забывать о  дефиците пресной воды.

Альтернативные возможности


  • Антарктида дает надежду.  Пока ученые ломают голову над  новыми промышленными  способами опреснения морской воды, другая  часть светлых голов повернулась в сторону Антарктиды.  Существует проекты,  основывающиеся на идее транспортировки  ледяных глыб с пресной водой  прямо в Средиземное море.  Расчеты показывают, что транспортировка льдины, размер которой  равен футбольному  полю, может быть осуществлен не менее чем за год, так как  более высокая скорость сопровождающего каравана  не возможна технически. Существуют и другие проекты, которые предусматривают измельчение  реликтового  айсберга  и доставку его в измельченном виде   в трюмах.
  • Регенерация воды. Для районов,  которые расположены в большой отдаленности от  морского побережья и где нет  других источников пресной воды, найти альтернативные варианты довольно трудно.  Здесь люди полагаются только на восстановление воды. Сбор сточных  и поверхностных вод, возврат их в оборот может стать идеальным вариантом при получении  воды. Этот способ используется при ирригации земель. Сбор дождевой воды, целенаправленный захват и последующее хранение в подземных хранилищах, позволяет решить проблему пусть даже в незначительной ее части.

Судовые опреснители

Для решения проблемы опреснения  морской воды в мировом масштабе  требуется  согласие и взаимопонимание   ученых, бизнесменов и политиков из разных стран.


лее мелкие проблемы, такие как судовые  опреснительные установки, решаются сегодня на уровне  промышленных предприятий, занимающихся машиностроением.  Судовые очистители-опреснители с мембранными фильтрами, это самое идеальное решения для оснащения морского судна в целях получения пресной воды в период длительного пребывания в плавании. Потребность в таких установках растет с каждым днем, и не только из-за того, что выросло количество судов, яхт и подводных лодок. Такие установки используются и в прибрежных зонах, в местности, где имеется  повышенная солоноватость  воды в устье реки или в озере.

Бытовые опреснители – дистилляторы

Бытовые опреснители используются  для очистки и опреснения воды в бытовых условиях, в лабораториях, автосалонах, лечебных учреждениях и в косметических салонах. Бытовые дистилляторы работают  по принципу круговорота воды в природе: нагревание, преобразование в пар, испарение и охлаждение. Этот метод позволяет получить мягкую и чистую воду.

Нехватка воды: миф или реальность?

Источник: www.13min.ru


image

Практически одновременно инженеры из Массачусетского технологического института (MIT) и Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне (UIUC) предложили новые способы опреснения солёной воды. Метод MIT основан на ударных волнах, а UIUC использовали для отделения соли от воды пористый материал нанотолщины.

Если в кране нет воды

Потребление воды в мире постоянно возрастает, и в некоторых густонаселённых регионах планеты её начинает не хватать. Проблема нехватки пресной воды уже не является прерогативой африканских пустынь. Несмотря на то, что Мировой океан покрывает 70% поверхности нашей планеты, питьевой воды на ней крайне мало.

В Калифорнии из-за трёхлетней засухи недосчитались примерно годовой нормы осадков, из-за чего властям пришлось ввести ограничения на использование воды. В Китае строят одну из крупнейших станций по опреснению воды в Бохайском заливе рядом с городом Таншань.

Обычными способами опреснения воды являются обратный осмос — проталкивание воды через мембрану, задерживающую частицы соли, перегонка — кипячение с последующим сбором и охлаждением пара, или электродиализ – изменении концентрации электролитов в растворе посредством электрического тока. Эти способы крайне энергозатратны.

Опреснение шоком

Работа инженеров MIT с необычным методом опреснения под руководством профессора Мартина Базанта [Martin Bazant] опубликована в журнале Environmental Science and Technology. «Это фундаментально новый процесс разделения, отличающийся от всех остальных,- утверждает Базант. – Он обеспечивает безмембранное разделение ионов и молекул воды».


При обычном электродиализе в сосуде для разделения делают перегородки из полупроницаемых мембран. Фильтрующие мембраны пропускают воду и задерживают более крупные частицы соли. Эти мембраны расположены поочередно и разделяют общий объем на множество полостей. Через ванну с раствором пропускают постоянный электрический ток, который приводит ионы растворенных солей в движение.

Противоположно заряженные ионы движутся в противоположные стороны, но из-за того, что ванна заполнена препятствующими движению ионов мембранами, ионы задерживаются на ближайшей мембране, соответствующей их заряду, и остаются в полости между двумя мембранами. В результате между одной парой мембран происходит повышение концентрации ионов (эту воду сливают обратно в море), а между другой – понижение, то есть получается пресная вода.

image

В новом процессе, получившем название шоковый электродиализ, вода течёт через фритту – пористый керамический материал. С обеих сторон масса материала ограничена электродами. Достаточно сильный постоянный ток, протекающий между электродами, приводит к тому, что в потоке возникает ударная волна, чётко разделяющая поток на две части – в одной из которых течёт чрезвычайно солёная, а в другой — пресная вода. Остаётся только разделить потоки простой перегородкой.

В этом процессе не используются мембраны, ничего не засоряется и не требует очистки, при этом обеспечивается постоянный поток воды через недорогой в производстве материал. Эффект, лежащий в основе процесса, был открыт несколько лет назад учёными из Стэнфордского университета.

Специалисты из MIT утверждают, что процесс можно использовать не только для опреснения, но и для очистки воды. Например, в процессе проведения работ по гидравлическому разрыву пластов образуется много солёной и загрязнённой химикатами воды, которую можно было бы очищать подобным образом. К тому же, по утверждению учёных, электрический ток, необходимый для организации процесса, достаточно сильный для того, чтобы убивать бактерии и стерилизовать воду.

Тонкий подход к опреснению

Инженеры из Иллинойса, тем не менее, предлагают свой вариант опреснения воды путём фильтрации её через мембрану. Однако их мембрана из дисульфида молибдена имеет толщину всего в несколько нанометров. Инженеры из UIUC утверждают, что их фильтр энергетически гораздо более выгоден, чем обычные фильтры для обратного осмоса, которые требуют больших энергетических затрат.

Для опреснения воды через фильтры обычно требуется создавать большое давление, а мембраны быстро засоряются и требуют очистки или замены. Но по утверждению инженеров, давление, необходимое для опреснения воды, пропорционально толщине мембраны. Многие учёные даже пытались использовать для фильтрации воды графен, но столкнулись со специфическими трудностями при взаимодействии его с водой.

Инженеры из UIUC взяли дисульфид молибдена, поскольку в нём молибден находится в окружении двух атомов серы. В результате у тонкого «листа» MoS2 снаружи находится сера, а молибден – внутри. Если в таком листе сделать отверстие, вокруг него будет кольцо из атомов молибдена.

image

«Преимущества фильтра из MoS2 в том, что молибден притягивает воду, а сера – отталкивает, что обеспечивает высокую скорость прохождения воды через отверстие,- говорит Мухаммед Хейраньян [Mohammad Heiranian], автор работы. – Это свойство химически заложено в MoS2, поэтому его не нужно специально подготавливать или каким-то образом дорабатывать, в отличие от графена, где такая подготовка является очень сложным процессом».

Как будем опреснять?

Прогресс не стоит на месте, и новые технологии появляются очень быстро. Время покажет, какая из упомянутых идей пройдёт проверку реальностью. Возможно, что для повышения эффективности различные технологии будут использоваться вместе. Главное, чтобы в результате они дали много пресной воды как для питья, так и для пищи – ведь основными потребителями пресной воды являются фермерские хозяйства.

Источник: habr.com


Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.