Технология опреснения морской воды


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

Способы опреснения морской воды

Актуальные на сегодняшний день способы опреснения морской воды подразделяются на две группы:

  1. Без вмешательства в агрегатное состояние воды.
  2. Преобразование воды в газообразное или твердое состояние

Химическое опреснение морской воды

В соленую воду добавляют реагенты, которые соединяются с ионами солей, образовывая нерастворимые вещества. Для успешного завершения процесса объем реагентов обычно составляет около 5% от имеющегося объема воды. В качестве реагентов используют ионы бария и серебра.

Химическое опреснение применяется весьма редко из-за относительной дороговизны реагентов, больших временных затрат и ядовитости солей.

Электродиализ морской воды

Для электродиализа используются специальные активные диафрагмы. Их изготавливают из пластмассы, катионитовых или анионитовых смол и резиновых наполнителей.

Электродиализ морской воды

Ванна, наполненная морской водой, ограничивается положительной и отрицательной диафрагмами. Самые главные камеры, предназначенные для опреснения, отделяются от остальных отсеков ионитовыми полупроницаемыми мембранами.

Ультрафильтрация или обратный осмос морской воды

Метод, также известный как «обратный осмос». Его суть состоит в оказании давления на раствор с той стороны мембраны, где соль не будет проникать вместе с водой.


Ультрафильтрация или обратный осмос морской воды

Специальные обратноосмотические системы, имеющие производительность 4 кубических метра в сутки и оказывающие на соленую воду давление примерно 160 кгс/см₂, оснащены мембранами из ацетилцеллюлозы. С обратной стороны мембран находятся пористые плиты из бронзы, способные оказывать сопротивление сильному давлению.

Среди недостатков ультрафильтрации отмечаются короткий эксплуатационный срок мембран и внушительные размеры поверхности, предназначенные для фильтрации.

Вымораживание морской воды

Поскольку океанский и морской лед не содержит солей, этот способ опреснения является довольно распространенным. Ради более качественного опреснения замороженную морскую воду плавят при температуре 20 градусов: таящая вода вымывает соли изо льда гораздо тщательнее.

Этот метод отличается простотой и экономичностью, однако для вымораживания необходимо громоздкое и профессиональное оборудование.

Дистилляция или термическое опреснение морской воды

Термическое опреснение морской воды — самый популярный способ вывода солей из морской воды.


Дистилляция или термическое опреснение морской воды

Суть процесса довольно проста: во время кипячения выходящий пар подвергается конденсации, вследствие чего получается опресненная вода (дистиллят).

Опреснительные установки

В продаже наиболее часто встречаются установки, работающие по принципу обратного осмоса. Они идеально подходят для обработки жидкости из любых источников: рек, озер, морей и т.д. Тем не менее производительность установки зависит от уровня солености и температуры воды, предполагаемой к обработке.

Исходя из способа обессоливания, соответствующее оборудование разделяется на установки поверхностного и бесповерхностного типа. Помимо этого, они классифицируются по назначению (опреснительные, испарительные, комбинированные), типу теплоносителя (паровые, газовые, водяные, электрические), методу выработки тепла (компрессионные и ступенчатые) и условиям работы (автономные и неавтономные).

Опреснительные установки

Катера и яхты малых габаритов, как правило, оснащаются опреснительными установками с системой рекуперации энергии, которые работают от напряжения 12/24 вольта. Подобное оборудование может выдавать примерно 100 литров обессоленной воды в час.


Коммерческие, промысловые и рабочие судна оборудуются более производительными опреснителями, производящими до 30.000 литров чистой воды в сутки. Такие установки часто эксплуатируются на нефтяных платформах, в курортных зонах и прибрежных поселениях.

Проблемы опреснения морской воды

Наиболее востребованная на текущий момент технология обратного осмоса требует существенных затрат на производство и эксплуатацию мембран, а также большие энергетические мощности для работы установок. К тому же после опреснения остается соляной раствор высокой концентрации, который зачастую возвращают в океан или море, тем самым повышая уровень солености воды. С каждым годом эти обстоятельства делают опреснение все более сложным и дорогостоящим занятием.

Помимо этого, около 2/3 запасов пресной воды в мире заморожены в ледниках и снежных покровах. Остальная часть находится в почве, откуда ее выкачивают настолько быстро, что природа просто не успевает восполнять потери.

В связи с этим прогнозируется рост дефицита пресной воды в мировом масштабе.


Например, американцы ежедневно расходуют около 400 литров на человека, тогда как в ряде малоразвитых стран потребляется всего лишь 19 литров, а дома почти половины всего населения планеты и вовсе не имеют водопровода.Все эти проблемы вскоре заставят человечество обратить пристальное внимание на океаны как источник воды для последующего опреснения.

Источник: www.sciencedebate2008.com

Проблема

Треть населения мира живет в странах с напряженной ситуацией с водой. Согласно прогнозам экспертов, к 2025 году этот показатель увеличится до двух третей.

1.png

Рисунок 1. Глобальная ситуация с водой на планете

Кризис будет спровоцирован ростом населения планеты. По оценкам ООН, к 2030 году оно увеличится с 6 до 8.5 млрд человек. Сейчас на обеспечение пищей одного человека, имеющего традиционный для индустриальной развитых стран рацион, ежегодно расходуется 2.5–3 тыс. литров воды. Если же численность населения увеличится на 2.5 млрд, то на их пропитание потребуется изыскать дополнительные 2 тыс. куб. км воды.

В подобных условиях острого дефицита пресной воды особую актуальность приобретают альтернативные технологии пополнения водных ресурсов, в том числе и за счет опреснения морской воды.

Запасы воды

Общий объем воды на Земле составляет примерно 1400 млн куб. км, из которых только 2.5% (около 35 млн куб. км) – пресная вода. Морская вода составляет около 98% всех водных ресурсов планеты.

Таблица 1.  Крупнейшие запасы воды в мире (источник: www.unep.org)

2.png

Одним из наиболее перспективных путей обеспечения пресной водой является опреснение соленых вод Мирового океана. Целесообразность данного пути подтверждается тем фактом, что 60% населения планеты живет в приморской полосе шириной 65 миль. Кроме того большие площади засушливых и малообводненных территорий примыкают к океанским берегам или находятся поблизости от них.

Таким образом, океанские и морские воды могут стать ценным источником водных ресурсов для промышленного использования. Их огромные запасы практически неисчерпаемы. Однако на современном уровне технологического развития применение технологий опреснения не везде экономически оправдано.

Применяемые технологии

Промышленное опреснение морской воды осуществляется одним из следующих методов: дистилляция, обратный осмос, электродиализ, вымораживание и ионный обмен.

Рассмотрим более подробно особенности каждой из технологий.

1. MSF (Multi-Stage Flash Distillation) – многоступенчатое мгновенное выпаривание (дистилляция).

В этом типе установок исходная вода, перед тем как быть пропущенной через специальное сопло внутрь большой камеры, подается насосом внутрь нагревателя при таком давлении, при котором еще не происходит кипение, т. е. вода находится в перегретом состоянии. Уменьшение давления влечет за собой моментальное превращение части воды в пар. Затем опресняемая вода пропускается через другое сопло в соседнюю «камеру моментального испарения», где продолжается процесс моментального парообразования и так далее до нижней части установки.

2. MD (Membrane Distillation) – мембранная дистилляция.

Предполагает нагрев воды с одной стороны гидрофобной мембраны. Такая мембрана пропускает только пар, который охлаждается с другой ее стороны, образуя пресную воду, но не пропускает воду.

3. MED (Multi-Effect Distillation) – метод многоколонной дистилляции.

Морская вода нагревается в первой колонне, а образовавшийся пар идет на нагрев в последующих колоннах.

4. MVC (Mechanical Vapour Compression) – механическое сжатие пара.

Заключается в сжатии пара, получаемого при обычной стадии дистилляции прежде, чем он сконденсируется. Эффект сжатия пара предполагает нагрев его до температуры выше температуры кипения подаваемой на опреснение воды (из которой он был получен). Затем сжатый пар может быть возвращен в ту же дистилляционную камеру, из которой он был выделен и использован для замещения первичного пара. Цикл повторяется непрерывно.

Использование сжатого пара позволяет уменьшить энергоемкость процесса, но препятствует обработке больших объемов воды.

5. FP (Freezing Process) – метод вымораживания.

Морская вода охлаждается до кристаллизации влаги. Полученные кристаллы выделяются и растворяются для получения пресной воды.

6. RO (Reverse Osmosis) – обратный осмос.

Предусматривает использование полупроницаемой мембраны, пропускающей под давлением воду и задерживающую молекулы примесей.

7. ED (Electrodialysis) – электродиализ.

Требуются две мембраны: одна пропускает только катион, вторая – только анион. Между ними включается напряжение постоянного тока, что позволяет убирать, к примеру, натриевый и хлорный анион из морской воды.

По оценкам экспертов, каждая из обозначенных технологий имеет существенные недостатки, к числу которых относятся:

  • значительные отложения на поверхностях теплообмена, мембран и т. п.
  • большие удельные энергетические затраты
  • наличие большого количества сменных материалов, комплектующих, дополнительного расхода химических реагентов
  • экологическая опасность в процессе эксплуатации установок
  • необходимость в высокой квалификации обслуживающего персонала.

В связи с этим актуальным остается вопрос разработки более эффективных и экологически безопасных методов опреснения морской воды.

Рынок

По состоянию на конец 2009 года в мире представлено 14 451 опреснительных заводов совокупной мощностью 59,9 млн куб. м в день. По сравнению с 2008 годом прирост мощности составил 12,3%. Кроме того, 244 опреснительных установок (дополнительно 9,1 млн куб. м в день) находятся в стадии строительства.

Всего технологии опреснения морской воды применяются в 150 странах мира. Средний объем производства пресной воды составляет около 38 млн тонн в год.

Рынок технологий опреснения соленой воды стремительно развивается. Около 62,4% общего объема промышленного производства пресной воды составляют воды Мирового океана.

3.png

Рисунок 2. Структура применения технологий получения пресной воды в зависимости от типа используемых водных ресурсов (источник: IDA)

Структура потребления пресной воды, полученной промышленным способом, распределяется следующим образом:

  • муниципалитеты – 66,2%;
  • промышленные объекты – 23,5%;
  • энергообъекты – 5,5%;
  • сельское хозяйство – 1,7%;
  • другие – 3,1%.

Наиболее востребована на рынке технология обратного осмоса.

4.png

Рисунок 3. Структура производства пресной воды по типу используемых технологий (источник: IDA)

Самые мощные опреснительные установки расположены в странах Ближнего Востока. В качестве примера крупнейшей системы опреснения можно привести Shoabia 3 (западное побережье Саудовской Аравии), выпускающей 880 000 куб. м пресной воды в день. Также в регионе на стадии строительства находятся 7 установок мощностью более 400 000 куб.м в день для каждой.

Вместе с тем тенденцией последних лет стало расширение географических рамок рынка опреснения морской воды. Ближний Восток по-прежнему является крупнейшим потребителем пресной воды из Мирового океана. Однако масштабные программы государственной поддержки отрасли стимулировали спрос на технологии в таких регионах, как Австралия, Алжир и Испания.

Таблица 2. Топ-10 стран по объему установленных мощностей по опреснению морской воды в 2009 году (источник: IDA) 

5.png

По оценкам экспертов, в ближайшие 10 лет рынок технологий опреснения морской воды вырастет на 60%: с текущих 10 млрд долларов до 16 млрд долларов в 2020 году. Основными драйверами роста станут Алжир, Испания и Австралия. Кроме того, рост спроса ожидается на развивающихся рынках Китая, Индии и США.

Ситуация в России

Рынок технологий опреснения морской воды в России неразвит. Отсутствует серийное производство опреснительных систем. Последняя установка производительностью 10 тыс. тонн в час была изготовлена на «Уралхиммаше» в 1988 году. Индивидуальное изготовление подобного оборудования в России ориентировано в основном на зарубежные рынки. Однако, по оценкам участников рынка, иностранные компании предъявляют крайне жесткие условия проведения тендеров, что снижает вероятность поставки из России даже при условии превосходных технико-экономических показателей систем. Продажи за рубеж возможны в настоящее время только по государственному контракту.

Источник: www.Cleandex.ru


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.