Доступ к водным ресурсам имеет решающее значение для благосостояния людей во всех сферах жизни — личной, семейной и общественной. Вода также важна для экономической деятельности. Она — залог здоровья природных экологических и биологических систем. Во многих секторах экономики ведется борьба за ограниченные водные ресурсы.
Вода является единственным средством, с помощью которого могут быть в совокупности решены основные глобальные проблемы (продовольственный, энергетический кризис, кризис здравоохранения и климатические изменения, экономический кризис).
Значение водоснабжения в жизнедеятельности людей возрастает одновременно с ростом населения. Основное количество воды приходится на моря и океаны (более 98 %), засоленность морской воды достигает 35г/кг, а доля пресных вод (с солесодержанием менее 1 г/кг) составляет лишь 1,7 % мировых запасов, из которых на речные воды приходится всего лишь 0,001 % всех пресных вод.
Сейчас в России и за рубежом большой интерес и важной задачей представляется опреснение морской воды, очистки, водоочистки, так как даже водопроводная вода из городского водоснабжения содержит повышенное содержание солей и различных загрязнений.
Сегодня недостаток пресной воды испытывает примерно 14 % населения земного шара, однако уже к 2025 году, по оценкам ООН, серьезный недостаток пресной воды будут испытывать уже 25 % населения планеты [1]. В первую очередь, эта проблема затронет страны Ближнего и Среднего Востока, Средней и Центральной Азии, а также Северной Африки.
В связи с расширяющимся загрязнением источников воды, ростом населения, освоением новых территорий встаёт задача искусственного получения пресной воды. В настоящее время этого достигают следующими наиболее распространенными способами [2]:
- опреснением морской воды, в том числе солнечным опреснением;
- конденсацией водяных паров из воздуха, с использованием глубинной морской воды;
- конденсацией водяного пара в суточных аккумуляторах холода, в частности — естественного происхождения, таких как пещеры в прибрежных скалах.
На рынке пресной воды широкое промышленное применение пока нашли две технологии опреснения воды — мембранная (механическая) и термальная (дистилляция). В мембранной технологии преобладает метод опреснения воды, называемый «обратный осмос». При опреснении воды этим методом морскую воду пропускают через полупроницаемые мембраны под воздействием давления, существенно превышающего разницу давлений пресной и морской воды (для морской воды 25–50 атм.). Через микропоры этих мембран могут свободно проникать небольшие молекулы воды, в то время как более крупные ионы соли и другие примеси задерживаются мембраной. Такие мембраны изготавливаются преимущественно из полиамида или ацетата целлюлозы и выпускаются в виде полых волокон или рулонов.
Обратный осмос обладает рядом существенных преимуществ по-сравнению с другими методами опреснения воды: относительно невысокие энергозатраты, установки конструктивно просты и компактны, работа их может быть легко автоматизирована. Поэтому, управление системой обратного осмоса осуществляется в полуавтоматическом и автоматическом режиме. Тем не менее, данная технология не лишена недостатков. Например, имеется зависимость от эффективности предварительной обработки воды, питьевая вода получается с достаточно высоким содержанием соли — около 500 мг/м3 общего солесодержания, а также имеются повышенные эксплуатационные расходы из-за потребления сопутствующих химикатов и необходимости замены мембранных фильтров.
Крупнейший в мире завод по мембранному опреснению Wonthaggi Desalination Plant расположен в Мельбурне и имеет пропускную способность в 440 тыс. куб. м воды в день. В Израиле, в Ашкелоне, расположен завод опреснения воды по методу обратного осмоса, выпускающий 330 тыс. куб. м воды в день.
Сущность термального метода или дистилляции заключается в том, что морскую воду нагревают до кипения и выходящий пар собирают и конденсируют. Образуется пресная вода, называемая дистиллятом. Выпаривать воду можно как при кипении, так и без кипения. В последнем случае морскую воду нагревают при более высоком давлении, чем давление в камере испарения, куда направляется вода. Для парообразования используется теплота, содержащаяся в самой испаряемой воде, которая при этом охлаждается до температуры насыщения оставшегося рассола. Недостатком термического опреснения является малая экономичность, высокая энергоемкость, а также наличие внешнего источника пара. Однако именно этот метод позволяет получать самый большой объем опресненной воды за единицу времени. Так, завод Shoaiba 3 в Саудовской Аравии, работающий по методу дистилляции, позволяет в день производить до 880 тыс. куб. м пресной воды.
Сравнительная характеристика метода обратного осмоса и термальной технологии опреснения воды представлена в таблице 1.
Таблица 1
Сравнение крупномасштабных технологий опреснения
|
Параметры |
Обратный осмос |
Термальный метод |
|
Физико-химический принцип |
Мембранная диффузия |
Термальное испарение и конденсация |
|
Потребление энергии (с учетом потребления вспомогательных устройств) |
Электроэнергия: 3,5–4,5 кВ-ч/м3 |
Электроэнергия: 2,5–5 кВ-ч/м3, термальная 40–120 кВ-ч/м3 |
|
Наивысшая температура в процессе опреснения |
Температура морской воды |
До 120 ºC |
|
Качество воды (содержание солей мг/л) |
250–350 |
от 1 до 50 |
|
Средняя производительность одного модуля опреснения |
6000–24000 м3/день |
120000 м3/день |
|
Основные устройства |
Насосы, мембраны |
Насосы, клапаны, вакуумные установки |
|
Общая стоимость |
Низкая |
Высокая |
|
Уровень автоматизации производства |
Высокий |
Высокий |
|
Возможность изменения состава морской воды |
Не рекомендуется |
Средне-высокая |
|
Требования к техническому обслуживания |
Высокие |
Средние |
|
Потенциал масштабирования |
Высокий |
Средне-низкий |
|
Требования к занимаемой площади |
Низкие |
Средние |
|
Наиболее необходимые усовершенствования |
Улучшение предварительной обработки воды, улучшение свойств мембран |
Более дешевые материалы и способы теплопередачи |
Среди перспективных разработок следует выделить опреснительную установку, которая работает за счет энергии солнца. Данные проекты разрабатываются и реализуются учеными и инженерами в России, Индии, США, Саудовской Аравии, а также компанией Hitachi. Эти установки уступают по производительности опреснения воды традиционным технологиям, но обладают высокой энергоэффективностью. Основное направление использования солнечных опреснителей — индивидуальное и мелкопромышленное использование. Так, российская индивидуальная солнечная опреснительная установка, состоящая из 10 секций, производит в день 120–180л пресной воды, которая может использоваться, преимущественно, на сельскохозяйственное потребление. Пар проходит через серию мембран, которые отфильтровывают соль и другие загрязнения. Очищенная вода собирается на внешнем конденсаторе [3].
По оценкам, средние затраты на опреснительную установку из 10 секций с устройством для подачи воды составят 250–300$, что позволит ей быстро окупиться. Получаемая пресная вода идентична по составу дождевой, поэтому применение её в сельском хозяйстве будет способствовать улучшению почвы. Использование этой опреснительной установки позволит осваивать ранее непригодные для земледелия районы, а, следовательно, повысится уровень жизни и занятость населения, которое сможет снабжать сельхозпродуктами не только себя, но и поставлять продукты на продажу.
Заслуживает внимания проект опреснения воды компании Hitachi, реализованный в Арабских Эмиратах, в рамках государственной программы охраны и возрождения редких животных пустыни, которым требуется стабильное водоснабжение. Для этого опресняются грунтовые воды, обладающие высоким содержанием солей и примесей. Они удаляются посредством технологии обратного осмоса, и отправляются в водоемы для водопоя по трубам, которые проложены под песком. Источником энергии служат солнечные батареи и аккумуляторы избыточной электроэнергии, разработанные Hitachi.
Ветроэнергетические установки сравнительно недавно начали использоваться для получения качественной пресной воды, однако наблюдается тенденция развития и этого направления. Научные исследования по разработке установок по опреснению морской воды с использованием энергии солнца и ветра ведутся в Университете Кадиса. Научный проект «ETAP-ER project» (Evalucation del Tratamiento del Aqua Potable mediante Energia Renovable y Nanofiltration), финансируемый правительством Андалузии предполагает осуществление процесса опреснения также за счет возобновляемых источников, в том числе ветра. Установка предназначена для подготовки, очистки и опреснения воды, поступающей в водопроводную сеть города Порт Реал. Очистка воды производится с помощью специальных наномембран при многократном прогоне воды через них. Электропитание оборудования установки осуществляется от двух горизонтально-осевых ветро-энергетических установок общей мощностью 6 кВт и солнечной батареи на монокристаллическом кремнии с пиковой мощностью 4,2 кВт. В качестве дублирующего источника используется водородная установка мощностью 0,8 кВт [4].
Актуальность на сегодняшний день имеет технология опреснения морской воды, которая не требует больших затрат энергии. Это новый материал молекулярной фильтрации растворов на основе мембраны Perforene, разработанной американской оборонной компанией Lockheed Martin. Perforene представляет собой мембрану из материла графен. Графен представляет собой вещество из чистого углерода. Атомы углерода расположены в виде правильной шестиугольной сотовой структуры (рисунок 1).
Рис. 1. Структура графена
В ней есть отверстия размером один нанометр и менее. Эти отверстия настолько малы, что способны удержать частицы, несущие электрический заряд, но в то же время достаточно велики для того, чтобы сквозь них проходили молекулы воды. Несмотря на толщину в один атом, Perforene является одновременно прочным и долговечным материалом, что делает его эффективным для опреснения морской воды в больших объемах.
Новаторским отличием разработки Lockheed Martin можно считать использование графена вместо традиционных синтетических фильтров. Новая мембрана из графена в 500 раз тоньше, чем фильтры, используемые в современных опреснительных заводах. Толщина является одним из основных факторов, который определяет, сколько энергии должно быть использовано, чтобы заставить морскую воду проходить через фильтр в технологии обратного осмоса. Инновация позволит избежать засорения фильтров и экономить электроэнергию, потому что системе требуется меньшее рабочее давление, а значит, нужно меньше энергозатрат. Текущие фильтры используют пластиковые полимеры, которые потребляют огромное количество энергии в процессе проталкивания воды через них из-за высокого давления напора (от 5,52 МПа до 6,89 МПа), создание которого требует высоких энергозатрат.
Ниже представлены основные преимущества мембран Perforene от существующих на сегодняшний день:
- высокая устойчивость к большим значениям рН, агрессивным химикатам, углеводородам и другим химическим веществам в окружающей среде;
- возможность работы при высоких температурах;
- в два раза более проницаемые, чем существующие мембраны;
- большой потенциал для выдерживания высоких давлений;
- наличие хорошей гидрофобности, что снижает загрязнительные процессы в опреснительных установках [5].
Но работа с таким тонким материалом представляет новые проблемы, и инженеры до сих пор пытаются найти лучший способ для создания нанометровых отверстий в мембране быстро и в больших масштабах без повреждения основного материала, что в итоге может сказаться на стоимости этой технологии. Тем не менее, специалисты Lockheed Martin заявляют, что прототип мембраны Perforene будет готов в 2014–2015 году, и ее использование не потребует перестройки существующих опреснительных заводов. Компания также надеется найти применение эту мембрану в здравоохранении, где материал может заменить текущие мембраны диализа. [6]
Джеффри Гроссман, адъюнкт-профессор в Массачусетском технологическом институте, который занимается исследованием мембран из графена для фильтрации, сказал, что не был знаком с подробностями работы Lockheed. Но он отметил, что если будет найден способ производит графеновые фильтры в больших объемах, то это будет крупным достижением в технологиях опреснения воды [7]. Таким образом, в случае успешной реализации проекта Perforene, можно ожидать переход на качественно новый технологический уровень решения проблемы нехватки пресной воды в мире.
Литература:
1. Desalination: A National Perspective / Committee on Advancing Desalination Technology, National Research Council. National Academies Press, 2008. — 312 р.
2. Слесаренко В. Н. Современные методы опреснения морских и солончаковых вод / В. Н. Слесаренко. М.: Энергия, 1973. — 248с.
3. Солнечный опреснитель из России // [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.vodainfo.com/ru/5934.html. (19.02.14 — дата обращения)
4. Кирпичникова И. М. Опреснение воды с использованием энергий ветра и солнца / И. М. Кирпичникова // Вестник южно-уральского государственного университета. Серия: Энергетика. — 2012. — № 16. — С. 22–25.
5. Perforene membrane // [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://lockheedmartin.com/content/dam/lockheed/data/ms2/documents/Perforene-datasheet.pdf. (19.02.14 — дата обращения)
6. Spector D. Lockheed Martin Says This Desalination Technology Is An Industry Game-Changer / D. Spector // [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.businessinsider.com/lockheed-martin-desalination-graphene-filters-2013–3. (19.02.14 — дата обращения)
7. Weapons-maker finds cheap water tech // http://www.news24.com/Green/News/Weapons-maker-finds-cheap-water-tech-20130313. (19.02.14 — дата обращения)
