Опреснение воды может обеспечить водой там, где мало альтернатив, но законы физики и энергопотребление накладывают жесткие ограничения на его роль.
0:00 / 0:00
Почти четыре миллиарда человек — около двух третей населения планеты — сталкиваются с острой нехваткой воды как минимум в течение одного месяца в году. На планете, 71 процент которой покрыт водой, менее одного процента составляет легкодоступная пресная вода.
Этот дисбаланс больше не представляет собой будущую угрозу. По мере роста спроса и усиления засух, вызванных изменением климата, инженеры обращаются к опреснению воды не как к панацее, а как к инструменту инфраструктуры последнего звена для регионов, где заканчиваются другие варианты.
Опреснение — это искусственный процесс преобразования соленой воды (обычно морской) в пресную путем удаления растворенных солей и загрязняющих веществ. По оценкам, до 350 миллионов человек зависят от опресненной воды для удовлетворения своих повседневных потребностей.
Опреснение находится в неудобном промежуточном положении между необходимостью и излишеством. Опреснение дорого, энергозатратно и наносит вред окружающей среде, но для многих прибрежных регионов это также единственный масштабируемый способ получения воды. Настоящий вопрос заключается не в том, работает ли опреснение, а в том, где, когда и по какой цене его следует использовать.
Опреснение воды в двух словах
Хотя существует несколько подходов, почти все современные опреснительные установки используют один из двух методов: мембранный и термический.
При мембранном опреснении соленая вода проходит через полупроницаемый барьер, который позволяет молекулам воды проходить, задерживая при этом соли. Обратный осмос (РО) является наиболее распространенной мембранной технологией.
Осмос — это естественное перемещение воды из области с высокой концентрацией соли в область с низкой концентрацией соли. В обратном процессе используются мощные насосы. Морская вода сначала фильтруется для удаления частиц и органических веществ.
Затем вода под чрезвычайно высоким давлением (80 бар) пропускается через специальные полимерные мембраны. При этом морская вода естественным образом стремится к более высоким концентрациям соли. Это означает, что системам обратного осмоса приходится преодолевать осмотическое давление, которое возрастает с увеличением солености.
Для прохождения воды с более высокой концентрацией соли через мембрану требуется большее давление, что может привести к ее разрыву. Механические пределы мембраны определяют соленость, с которой могут работать системы обратного осмоса. Это делает воду с высокой концентрацией соли непригодной для очистки методом обратного осмоса.
В то же время, методы термического опреснения, такие как многоступенчатая мгновенная дистилляция (MSF), многоступенчатая дистилляция (MED) и парокомпрессионная дистилляция (VP), нагревают воду до точки испарения. В ходе этого процесса соли и другие примеси остаются, а пар затем конденсируется в пресную воду.
Проблема электроснабжения
В системах опреснения методом обратного осмоса поддержание и создание давления, необходимого для противодействия осмотическим силам, является самой большой статьей энергетических затрат. Современные установки обратного осмоса обычно потребляют до 10 киловатт-часов (кВт·ч) электроэнергии на кубический метр произведенной пресной воды.
Однако более старые системы и менее эффективные установки могут потреблять значительно больше электроэнергии. Для очистки солоноватой воды, которая более соленая, чем пресная, но менее соленая, чем морская, требуется 2,5 кВт·ч электроэнергии на кубический метр. В то же время для очистки пресной воды из рек или грунтовых вод требуется менее 0,5 кВт·ч на кубический метр.
Различия в энергетических затратах можно объяснить с помощью основных принципов термодинамики. Например, морская вода содержит около 35 000 частей на миллион (ppm) растворенных солей. Отделение молекул воды от них требует работы, и существует жесткий теоретический минимум, называемый свободной энергией Гиббса разделения, ниже которого ни один процесс опреснения невозможен.
Источник: Cortec Corporation
Даже самые эффективные установки обратного осмоса работают значительно выше этого предела из-за потерь на трение, сопротивления мембран и требований к предварительной обработке. Современные установки извлекают энергию из рассола; однако дальнейшее повышение эффективности затруднительно без новых подходов.
С другой стороны, термическое опреснение еще более энергоемко, поскольку помимо электроэнергии требует значительного количества тепла. Опреснение методом MSF может потреблять до 16 кВт·ч электроэнергии на кубический метр произведенной пресной воды.
В отличие от этого, для опреснения методом средней дистилляции требуется до девяти кВт·ч на кубический метр. Именно поэтому установки термического опреснения ограничены местами, где имеется достаточное количество отработанного тепла от электростанций.
Побочные эффекты со стороны окружающей среды
Хотя с 1970-х годов технологии значительно улучшились (когда для опреснения одного кубического метра воды требовалось около 20 кВт·ч электроэнергии), энергозатраты по-прежнему составляют лишь часть проблемы. Отходы рассола представляют собой серьезную экологическую проблему.
Данные свидетельствуют о том, что опреснительные установки производят примерно 1,5 литра концентрированного рассола на каждый литр произведенной пресной воды. Этот соленый побочный продукт обычно сбрасывается обратно в океан, что вызывает опасения за морскую жизнь.
В результате опреснения воды ежедневно образуется около 142 миллионов кубических метров рассола, что примерно на 50 процентов больше, чем предполагалось ранее. Рассол плотный и оседает. Он может нанести вред организмам морского дна, поскольку часто содержит остатки химических веществ, используемых для предварительной обработки, таких как хлор и противообрастающие средства.
Крупные опреснительные установки часто забирают огромные объемы морской воды. Это означает, что водозаборные системы часто задерживают или уничтожают личинки рыб и планктон. Кроме того, в регионах, где опреснение зависит от энергосистем, работающих преимущественно на ископаемом топливе, это может значительно увеличить выбросы углекислого газа и создать большую нагрузку на электросети.
Более эффективные способы обессоливания
Несмотря на трудности, инновации в области опреснения воды развиваются. Более совершенные системы и использование возобновляемых источников энергии постепенно сокращают потребление энергии, необходимой для производства чистой питьевой воды.
Например, ученые из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре разрабатывают новый метод термического опреснения воды, направленный на сокращение потребления энергии до половины. Этот метод сочетает в себе повышение эффективности теплопередачи с использованием возобновляемых источников энергии, включая солнечную энергию или отработанное тепло от электростанций и центров обработки данных.
Фото: Цзиньтун Гао и Чжэньюань Сюй.
Тем временем инженеры Массачусетского технологического института (MIT) создали полностью пассивную систему опреснения воды, работающую на солнечной энергии и производящую питьевую воду без электричества. Система использует многоступенчатую структуру, имитирующую термохалинную циркуляцию океана. Это позволяет избежать накопления соли, которое ограничивает возможности большинства солнечных систем.
В свою очередь, Калифорнийский университет в Риверсайде недавно разработал систему солнечного опреснения, которая использует ультрафиолетовое (УФ) излучение для отделения соли от воды без ее нагрева. Это позволяет обойти наиболее энергоемкие этапы традиционного опреснения.
Более того, ученые из Гонконгского политехнического университета разработали губчатый аэрогель, напечатанный на 3D-принтере, который использует солнечный свет для опреснения морской воды без электричества, давления или нагрева больших объемов воды.
Является ли опреснение воды устойчивым методом опреснения?
Опреснение воды не может заменить традиционные источники воды, и законы физики гарантируют, что этот процесс останется энергоемким. Но оно, безусловно, может служить инструментом для решения глобального водного кризиса.
Опреснение морской воды может обеспечить водой те места, где мало альтернатив, что особенно важно для прибрежных районов, борющихся с засухой, вызванной изменением климата. Такие страны, как Саудовская Аравия, ОАЭ, Израиль и Кувейт, в значительной степени зависят от опреснения морской воды для получения пресной воды.
Тем не менее, этот процесс оказывает значительное воздействие на окружающую среду и зависит от источника энергии и интеграции системы. При стратегическом использовании в сочетании с повторным использованием воды, снижением спроса и возобновляемыми источниками энергии он может сыграть важную вспомогательную роль в обеспечении водной безопасности.
Sourse: interestingengineering.com
