Опреснение воды
Опреснение воды
Более ценной составной частью морской воды является пресная вода. Нехватка пресной воды больше чувствуется даже в таких странах, как Соединенные Штаты, где с каждогодним уровнем осадков дело обстоит совершенно хорошо. В почти всех областях Соединенных Штатов потребность в пресной воде для бытовых нужд, сельского хозяйства и индустрии превосходит ее имеющиеся припасы. В таких странах, как Израиль либо Кувейт, где уровень осадков очень низок, припасы пресной воды совсем не соответствуют потребностям в ней, которые; растут в связи с модернизацией хозяйства и приростом населения. В конце концов все население земли окажется перед необходимостью рассматривать океаны как источник воды.
Высочайшая концентрация солей делает морскую воду неприменимой для питья и для большинства других целей. В Соединенных Штатах содержание солей в водопроводной воде, согласно требованиям органов здравоохранения, не превосходит 0,05%. Это намного меньше по сопоставлению с их 3,5%-ным содержанием в обычной морской воде либо по сопоставлению с 0,5%-ным либо около того содержанием в солоноватых подземных водах. Понижение содержания солей в морской воде либо солоноватых водах до уровня, при котором вода становится применимой к использованию, именуется опреснением воды.
Существует огромное количество методов опреснения воды, и на базе хоть какого из их могут быть построены огромные производственные предприятия. Неувязка состоит в том, чтоб проводить опреснение с малой энергозатратой и наименьшими расходами на оборудование. Это требование принципиально поэтому, что правительство, которое вынуждено в большей мере полагаться на опресненную воду, должно выдерживать экономическую конкурентнсть с другими государствами, располагающими более обильными и дешевенькими источниками пресной воды. Такая маленькая страна, как Кувейт, расположенная на берегу Персидского залива и практически не располагающая природными источниками пресной воды, может позволить для себя роскошь зависеть от опресненной воды только поэтому, что она извлекает огромные доходы от реализации нефти.
ОПРЕСНЕНИЕ Методом ДИСТИЛЛЯЦИИ (ПЕРЕГОНКИ)
Воду можно отделить от растворенных в ней солей дистилляцией (перегонкой). Этот процесс основан на том принципе, что вода представляет собой летучее вещество, а соли являются нелетучими субстанциями. Принцип дистилляции достаточно прост, но с его фабричным внедрением связано много заморочек. К примеру, по мере выпаривания пресной воды из сосуда, в каком находится морская вода, раствор соли становится все более концентрированным, и в конце концов соль осаждается. Это приводит к образованию накипи, что в свою очередь усугубляет теплопроводимость стен сосуда, засоряет трубы и т.п.
Навязывается такое решение этой трудности, при котором морскую воду после дистилляции из нее некого количества пресной воды нужно сбрасывать, а заместо нее набирать новейшую порцию морской воды. Но это следует делать аккуратненько, чтоб не утратить весь припас тепла, скопленный в нагретой морской воде, и чтоб не пришлось подводить дополнительное тепло к вновь набираемой прохладной морской воде. Утраты тепла связаны с термическим загрязнением среды и удорожанием процесса. Следует также учитывать, что, если дистилляцию проводить при атмосферном давлении, воду нужно нагревать до 100°С; при более низком давлении температура кипения воды снижается, и, как следует, дистилляция просит наименьших термических издержек.
Рис. 3. Схема процесса многостадийной флеш-дистилляции для опреснения воды.
Одна из более удачных попыток обойти ряд таких проблем привела к разработке процесса многостадийной флеш-дистилляции, который схематически изображен на рис. 3. В камеру А поступает нагретая морская вода, которая именуется рассолом. Рассол прокачивают под давлением через витки теплообменника в камеру В, потом в камеру С и, в конце концов, в камеру D, при этом в каждой камере его температура становится все выше. Теплота поступает к рассолу от водяного пара, конденсирующегося на витках теплообменника каждой камеры. Сконденсировавшийся пар, являющийся пресной водой, собирают и откачивают из установки. В камере Е нагретый рассол нагревают еще посильнее паром, который пропускают через витки теплообменника; пар, применяемый в этой камере, приносит с собой огромную часть полной энергии, вводимой в систему. Из камеры Е жаркий рассол поступает в камеру D, где поддерживается пониженное давление. Так как давление в этой камере понижено, часть рассола испаряется и после конденсации преобразуется в пресную воду. Для испарения воды требуется энергия. Когда вода испаряется с поверхности нашего тела, происходит остывание этой поверхности. Точно так же остающийся после испарения некой части воды рассол тоже охлаждается. Потом он поступает в камеру С, где давление еще ниже, чем в камере D. Тут происходит испарение еще некого количества воды, а оставшийся рассол еще более охлаждается. На каждой следующей стадии рассол становится все более концентрированным и все более охлаждается. На последней стадии часть рассола, который содержит сейчас примерно 7% солей по весу, смешивается с вновь поступающей морской водой. Другая часть рассола сбрасывается в море, чтоб предупредить очень огромное увеличение концентрации солей.
На рис. 4 показана большая промышленная установка по опреснению морской воды способом многостадийной флеш-дистилляции. Такая установка способна производить раз в день около 9 миллионов л. пресной воды. Эффективность работы установки многостадийной флеш-дистилляции ограничена приемущественно появлением накипи в системе циркуляции жаркого рассола. Главными причинами образования накипи являются карбонат кальция и гидроксид магния. Чтоб воспрепятствовать их образованию и тем сделать вероятной эксплуатацию системы при более больших температурах, используются разные добавки. Но при больших температурах появляется неувязка, связанная с осаждением сульфата кальция.
Рис. 4. Установка для опреснения воды способом многостадийной флеш-дистилляции. Такая установка может раз в день производить примерно 9 миллионов л. пресной воды (компания «Аква-Кем» в г. Милуоки, США). Набросок из книжки Т. Брауна “Химия в центре наук”, М, Мир, 1983.
Основная часть издержек при осуществлении хоть какого варианта процесса дистилляции связана с большенными потребностями в термический энергии. Для обычной установки многостадийной флеш-дистилляции цена пара составляет примерно 40% от цены получаемой пресной воды. В связи с этим предложено огромное количество других методов опреснения воды, которые не связаны с необходимостью ее испарения. В одном из методов пресную воду убирают из морской воды методом ее замораживания. При образовании льда из морской воды растворенные в ней соли не попадают в него. Но, процесс замораживания тоже просит издержек энергии. В текущее время проводятся тесты крупномасштабных установок по опреснению воды, в каких употребляется принцип замораживания.
ОПРЕСНЕНИЕ ВОДЫ Способом Оборотного ОСМОСА
При опреснении воды способом оборотного осмоса пресную воду отделяют от растворенных в ней солей с помощью мембраны, проницаемой для воды, но непроницаемой для солей. Для этого нужно наличие селективной мембраны, пропускающей только воду, но задерживающей растворенные в ней вещества. Если поместить такую мембрану меж рассолом и пресной водой, тенденция к выравниванию концентраций по обе стороны мембраны принудит воду просачиваться через мембрану в рассол. Этому процессу можно воспрепятствовать, прикладывая давление со стороны рассола. При довольно большенном давлении проникновение воды через мембрану в рассол закончится. Давление, нужное, чтоб воспрепятствовать просачиванию воды через мембрану в раствор, именуется осмотическим. Для морской воды при обычных критериях осмотическое давление составляет примерно 25 атм.
Если прикладываемое к рассолу давление превзойдет осмотическое, то вода будет проходить через мембрану в оборотном направлении, другими словами, пресная вода будет выдавливаться из рассола через мембрану. Этот процесс, именуемый оборотным осмосом, схематически показан на рис. 5. Морскую либо солоноватую воду накачивают под высочайшим давлением в камеры, стены которых сделаны из полупроницаемых мембран. При прохождении воды через мембраны локальная концентрация солей у стены мембраны увеличивается, что приводит к увеличению осмотического давления и уменьшению потока пресной воды. Чтоб воспрепятствовать этому, через камеру необходимо безпрерывно прокачивать морскую воду. Поток пресной воды через мембрану пропорционален прикладываемому давлению. Наибольшее давление, которое можно приложить к мембране, определяется ее своими чертами. При очень высочайшем давлении мембрана может лопнуть, забиться присутствующими в воде примесями либо пропускать очень огромное количество растворенных солей.
Рис. 5. Схема процесса опреснения воды способом оборотного осмоса. Давление, создаваемое насосом высочайшего давления, превосходит осмотическое давление соленой воды относительно пресной. Благодаря этому пресная вода проникает через полупроницаемую мембрану. Чтоб предупредить скопление соли поблизости мембраны, насос должен повсевременно прокачивать по трубам соленую воду. На практике трубы обязаны иметь очень малый поперечник, и потому установку приходится изготовлять из многих тыщ труб.
В обыденных установках по опреснению воды способом оборотного осмоса трубы изготавливают из пористого вещества, выложенного с внутренней стороны узкой пленкой из ацетата целлюлозы. Ацетат целлюлозы (из которого изготовляют целлофан и базу фотографической пленки) играет роль полупроницаемой мембраны. Установка состоит из огромного количества таких труб, уложенных параллельно друг дружке. Скорость проникания воды через мембрану достаточно невелика. К примеру, при опреснении соленой воды из скважины, содержащей 0,5% растворенных солей, при давлении 50 атм в течение суток удается получить примерно 700 л пресной воды с каждого квадратного метра мембраны. Так как для получения большой площади поверхности нужно сильно много тонких труб, процесс оборотного осмоса еще пока не употребляется для получения огромных количеств пресной воды. Но этот процесс представляется перспективным, если будут разработаны усовершенствованные мембраны, в особенности для опреснения соленой воды из скважин. Эта вода имеет более низкую концентрацию растворенных солей по сопоставлению с морской водой, что позволяет проводить ее опреснение при более низких давлениях.
О.В.Мосин