Обратный осмос: как это работает
Перед тем как разобраться, что такое обратный осмос, нужно понять явление обычного осмоса. Прямой осмос – это баромембранный массообменный процесс. Простыми словами его можно описать следующим образом: молекулы растворителя под осмотическим давлением через мембрану переходят на сторону раствора и разбавляют его. Раствор увеличивается, в свою очередь, под ростом гидростатического давления. Процесс прекращается, когда статическое и осмотическое давления приходят в равновесие. Таким образом для этого процесса нужны раствор, растворитель, а также барьер – полупроницаемая мембрана.
Кстати, именно прямой осмос лежит в основе обменных процессов всех живых организмов на клеточном уровне – так «работают» водно-солевой обмен, получение питательных веществ, вывод продуктов жизнедеятельности. В природе роль полупроницаемой перегородки играет стенка клетки. По иронии именно из-за осмоса и нельзя пить морскую воду. Когда соленая вода попадает в пищеварительный тракт, осмос вытягивает воду из клеток, в итоге наступают обезвоживание и смерть.
Однако процесс осмоса – обратимый. Если солевой раствор будет находиться под высоким давлением, молекулы воды станут проходить через мембрану в обратном направлении – в сторону емкости с чистой водой. Таким образом, полупроницаемая мембрана действует как очень тонкий фильтр: чистая вода проходит, а в контейнере остается меньшее количество более концентрированного солевого раствора.
Именно такой принцип лежит в основе работы новой установки МО-140-М от холдинга «Швабе». Разработана она для опреснения воды с высокими концентрациями соли (до 59 г/л) и окисляемыми примесями, например нефтепродуктами и взвесями. В ходе очистки также устраняются бактерии, вирусы, запах, привкус, мутность, минимизируется количество железа и марганца.
Так что система на основе обратного осмоса не только поможет получить питьевую воду из морской воды, но и особо чистую воду для медицины, промышленности и других нужд. Обратный осмос считается более экономически выгодной альтернативой промышленной дистилляции, однако стоимость строительства одного такого крупного водоочистительного сооружения может достигать миллионов долларов. Эти установки все еще могут быть непосильны для некоторых регионов, где присутствует дефицит питьевой воды.
В таких случаях на помощь могут прийти более компактные варианты, такие как новая система от «Швабе». К тому же она существенно дешевле существующих аналогов – если брать минимальную рыночную цену на подобное оборудование, экономия составит почти 25%. Эта техника точно будет востребована в Крыму и в других южных регионах России, которые периодически сталкиваются с проблемами обмеления водохранилищ из-за сильной засухи и, как следствие, ограничением водоснабжения.
Разработке пророчат и хороший экспортный потенциал. Функционал установки позволяет применять ее для опреснения воды практически любого моря. Потенциальными экспортными рынками сбыта могут стать Южная Африка, страны Персидского залива – там потребность в подобном оборудовании действительно высока.
Правила эксплуатации
Для каждого типа оборудования существуют свои правила эксплуатации. Но есть и несколько общих моментов:
- Регулярно проводить технический осмотр оборудования, в том числе – перед каждым запуском следует убедиться в его исправности. Внутренний осмотр проводится через каждые 15000-3000 часов работы, в зависимости от агрегата.
- Нужно поддерживать оптимальные, указанные в технической документации температурные параметры.
- Работа оборудования должна осуществлять с учетом его мощности и производительности, то есть необходима рациональная подача морской воды в таких количествах, чтобы агрегат не перегревался, но и не простаивал впустую.
- Изоляцию опреснительной установки нужно постоянно поддерживать в рабочем состоянии. Все поверхности нужно чистить, чтобы не допустить коррозии.
Недостатки опреснения
- Высокая стоимость энергии.
- Увеличение углеродного следа, когда энергия исходит из ископаемого топлива; чтобы исправить это, пилотные проекты по опреснению воды, основанные на возобновляемых источниках энергии, осуществляются четырьмя промышленными группами, включая французскую Veolia и Suez Environnement , в регионе Абу-Даби под руководством Института устойчивого развития города Масдара ; в эмирате есть проект экологически безопасной опреснительной установки производительностью 150 000 м 3 / сутки ; в Саудовской Аравии испанец Abengoa будет участвовать в разработке солнечной электростанции мощностью 60 000 м 3 / день для снабжения города Эль-Хафджи; обе страны также полагаются на ядерную энергетику.
- Сброс рассолов с концентрацией в два раза выше естественной солености в море или закачкой в почву; таким образом, сброс сточных вод в Аравийском море с очень большим содержанием соли вызвал взрыв уровня солености его вод; в некоторых районах морское дно превратилось в пустыню.
- Сброс горячей воды в море в случае дистилляции.
- Использование химикатов для очистки мембран (хлор).
- Следы утечки меди из установок; химическая коррозия трубопроводного оборудования.
- Нет специального законодательства, касающегося пригодности воды, полученной в результате этих обработок.
- Забор воды из моря может изменить морские потоки.
- Риск повреждения морского дна с точки зрения фауны и флоры.
Стоимость энергии
Нетрадиционные источники опреснения и повторного использования воды для стран с ограниченными ресурсами пресной воды помогают сократить разрыв между забором пресной воды и устойчивым водоснабжением, но при использовании подхода « водно-энергетическая связь » они также способствуют увеличению спроса на энергию в водном секторе. . Хотя на опреснение и повторное использование воды приходится менее 1% мировых потребностей в воде, на эти процессы приходится почти четверть общего потребления энергии в водном секторе. К 2040 году ожидается, что на эти два источника будет приходиться 4% водоснабжения, но 60% потребления энергии в водном секторе. Ожидается, что мощность опреснения значительно возрастет на Ближнем Востоке, и к 2040 году ожидается, что на опреснение будет приходиться более 10% от общего конечного потребления энергии на Ближнем Востоке.
Здравоохранение
Израильское исследование, проведенное университетом Бар-Илан , фондом медицинского страхования Клалит и больницей Тель-Хашомер в 2018 году, показало, что «жители районов, потребляющих опресненную воду, в шесть раз больше подвержены риску. Проблемы с сердцем, и в частности смерть от приступа. », Чем в районах, не потребляющих опресненную воду. Причина в том, что в отличие от грунтовых вод, опресненная вода не содержит магния.
Стоимость окружающей среды
Сбросы рассола, часто содержащие токсичные загрязнители, оцениваются примерно в 141,5 млн. М 3 / сутки
Отчет, опубликованный в журнале Science of the Total Environment в начале 2019 года экспертами ООН, обратил внимание общественности на эту проблему, столкнувшуюся с развитием технологий опреснения с большими объемами сбросов. Очень зависимые от этого способа поставки Саудовская Аравия, Объединенные Арабские Эмираты, Кувейт и Катар производят 32% общего объема опресненной воды за счет своих нефтяных ресурсов, а также 55% рассола
В этом засушливом регионе земного шара опреснение воды, массово забираемой из моря, осуществляется путем нагревания, процесса, который производит в четыре раза больше рассола на м 3 опресненной воды, чем более передовые технологии, такие как мембранная фильтрация, широко используется в США. 80% этих сбросов происходит в пределах 10 км от побережья и накапливается на морском дне, вызывая повышенное засоление вод и морских экосистем и исчезновение растворенного кислорода, что затрудняет, а то и делает невозможным жизнь их флоры и фауны.
Электродиализ
При подаче электрического тока на электроды, помещенные в раствор солей в воде (в данном случае — морскую воду), можно наблюдать процесс электродиализа — перемещение зараженных частиц к соответствующим электродам: катионы направляются к отрицательному электроду — катоду, а анионы — к положительному — аноду. Между электродами со временем появляется область с пониженной концентрацией солей. Технически этот метод применен в электродиализаторах, в которых кроме катода и анода так же присутствуют камеры из катионообменных и анионообменных мембран, что позволяет значительно более эффективно вести процесс разделения.
Из истории обработки воды. Опреснение
О том, какую воду приходится пить, человечество стало задумываться ещё на заре своего существования. До наших дней дошло немного свидетельств того, как наши предки пытались увеличить запас и повысить качество питьевой воды, но о некоторых любопытных фактах мы расскажем.
Самые ранние случаи обработки воды, т.е., выражаясь современным языком, водоподготовки, происходили уже в незапамятные времена. Первые опыты относились к опреснению морской воды. Более двух тысяч лет назад морские путешественники придумали способ перегонки солёной воды: сначала подвергали её кипячению, потом собирали губкой возникавший при кипячении пар, а после высасывали из этой губки воду, которая – о чудо! – оказывалась уже пресной, пригодной для питья! Первым об опреснении воды методом нагрева и сбора пара-конденсата написал Аристотель (384–322 гг. до н.э.): «Путём испарения солёная вода превращается в пресную…»
Интересно то, что это знание, видимо, постепенно распространялось повсеместно, так как упоминание о таком способе опреснения воды есть и в «Изборнике Святославовом» (1073 г.) – третьей по древности рукописной книге на Руси, представляющей собой собрание высказываний Святых Отцов. В «Изборнике» слова о том, что мореплаватели удовлетворяют свои нужды в пресной воде путём кипячения солёной и сбора паров губками, приписываются Святому Василию. Это реальное историческое лицо, святитель, архиепископ Кесарии Каппадокийской, живший в 330 – 379 гг.
Точные годы жизни и биография Плиния Старшего нам неизвестны, за исключением того, что погиб он в 79 г. н. э. при извержении Везувия. Однако до нас дошли 37 книг его фундаментального труда, названного «Естественная история», где, в частности, описывается метод опреснения воды, которым пользовались в древности моряки: они вывешивали ночами за борт корабля шкуры овец. Шкуры впитывали влагу (испарения морской воды), а утром, отжав их, получали пресную воду.
Китайцы считают, что первые опыты дистилляции были произведены в их стране, однако этому нет фактических доказательств. Доказательства существования древнейшего устройства для перегонки воды есть у египтян: греческий философ Зосим, живший в III в. н. э., обнаружил на стенах храма Мемфиса среди древних иероглифов чертёж перегонного аппарата. А город Мемфис был царской резиденцией до 2707–2170 гг. до н. э., т. е. Зосим имел основания предполагать, что рисунки на стенах храма – очень древние.
В Средние века о получении пресной воды в перегонном кубе писал в своих трудах Леонардо да Винчи, знаменитый итальянский художник и учёный, называвший воду «возницей природы» и «соком жизни».
В конце XVI в. уже появились сложные системы перегонных кубов с множеством конденсаторных трубок. Был изобретен термоопреснитель (солнечный опреснитель, основанный на испарении воды под действием энергии Солнца).
В том же веке английская королева Елизавета назначила огромную премию (10 тысяч фунтов стерлингов) тому, кто предложит наиболее эффективный и экономичный способ опреснения воды).
Томас Джефферсон, госсекретарь США (1743–1826) подготовил большой доклад, посвящённый методам получения пресной воды из солёной, где обобщил выводы исследователей, занимавшихся данным вопросом. В докладе высказывалось предположение о том, что поиски химических добавок, которые могли бы улучшить качество получаемой пресной воды, являются бесперспективными
Доклад обращал внимание на необходимость сокращения затрат топлива на опреснение воды
Новый виток развития испарительной техники произошёл в XVIII в., когда И. И. Ползуновым и Д. Уайтом был изобретён паровой двигатель. В XIX в. были изобретены вакуумные испарители, и для испарения воды в условиях вакуума перестало требоваться доведение её до кипения.
Впервые многоцелевой вакуумный испаритель был внедрён в США, в Луизиане на предприятии, перерабатывающем сахарный тростник.
В российской промышленности первая дисталяционная установка появилась в Красноводске на берегу Каспийского моря в 1881 г. Её производительность составляла 67 куб.м в сутки.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к технологии опреснения морской воды (MB) в вакууме и может быть использовано в промышленности, жилищно-коммунальной отрасли, в медицинской и химической промышленностях, а также в сельском хозяйстве и в строительстве, где требуется использование дистиллята, питьевой и технической воды.
Известно многокамерное опреснительное устройство мгновенного вскипания в вакууме (Якубовский Ю.В. и др. Судовые опреснительные установки мгновенного вскипания. Учебное пособие, изд. ДВПИ. – Владивосток, 1988, стр. 8-23), представляющие последовательно соединенные между собой камеры испарения и конденсации морской воды.
Недостатками известного устройства являются сложность технического исполнения, необходимость использования больших площадей поверхности испарения и конденсации, а также высокая стоимость их изготовления.
Ближайшим техническим решением является опреснительное устройство мгновенного вскипания морской воды в вакууме (Патент RU 2142912, МКИ С 02 F 1/04, 1999 г.), которое содержит корпус с крышкой, рубашки, разделенную на паровые секции пароводяную рубашку, в которую вертикальными рядами установлены плоские теплопередающие устройства, образующие совмещенные вместе камеры испарения и конденсации морской воды, коллекторы подвода и отвода морской воды, желоба слива рассола и дистиллята, форсунки, подводящие и отводящие трубопроводы морской воды и дистиллята, а также вакуумный насос опреснителя, насос подачи и отвода морской воды и дистиллята.
Недостатками известного технического решения являются технологическая сложность изготовления автономных элементов теплопередающих устройств и использования дополнительного дорогостоящего оборудования и, как следствие, повышение стоимости получаемого дистиллята.
Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции теплопередающих устройств, изготовленных в виде плоских панелей с внутренними полостями, что приводит к удешевлению стоимости получаемого дистиллята и увеличению КПД опреснителя морской воды.
Технический результат достигается тем, что в устройство для опреснения морской воды, содержащее корпус, герметично соединенный с крышкой, пароводяную рубашку, разделенную на камеры испарения и конденсации, коллекторы подвода и отвода морской воды, желоба слива рассола и дистиллята, форсунки, вакуумный насос, гидронасос подачи и отвода морской воды и дистиллята, соединенные подводящими и отводящими трубопроводами с опреснителем, дополнительно введен источник тепла с постоянно циркулирующим рабочим телом, при этом система циркуляции рабочего тела включает распределительный коллектор рабочего тела источника тепла опреснителя, вход которого соединен с выходом коллектора источника тепла, а выходы камеры испарения герметично соединены через сборный коллектор рабочего тела источника тепла, опреснителя и трубопровод с входом коллектора источника тепла, камеры испарения и конденсации выполнены в виде полых панелей, жестко закрепленных в корпусе перпендикулярно своим осям и установленных с зазором между параллельными плоскостями панелей испарения и конденсации, распределительный и сборный коллекторы рабочего тела источника тепла выполнены между боковыми стенками корпуса и пароводяной рубашки, распределительные и сборные коллекторы морской воды опреснителя выполнены между верхним и нижним основанием корпуса пароводяной рубашки, а распределительный коллектор опреснителя для подачи дистиллята на форсунки выполнен внутри крышки устройства, внутренние полости панелей испарения и конденсации опреснителя разделены на горизонтальные и вертикальные секции, а на внешних сторонах панелей испарения опреснителя жестко закреплены металлические сетки и зазор между параллельными плоскостями панелей испарения и конденсации опреснителя выбран 2-7 см, по всей длине трубок подачи морской воды на панелях испарения опреснителя установлены козырьки, а сами трубки подачи морской воды по всей длине закреплены на панелях испарения опреснителя в карманах, выходной коллектор морской воды опреснителя образован козырьками и поверхностями панелей испарения по всей длине.
Изобретение поясняется чертежами, где
на фиг.1 представлена конструктивная схема устройства для опреснения морской воды.
На фиг.2 показан поперечный разрез опреснителя морской воды, на фиг.3 показан продольный разрез опреснителя, на фиг.4 показан фрагмент конструктивного выполнения крепления трубок подачи морской воды и сбора дистиллята.
Методы опреснения морской воды
Ключевые технологии подразделяются на две основные группы. Первая — та, что не подразумевает изменения агрегатного состояния вода (она остается жидкостью на всех этапах обработки). Вторая предполагает переход жидкости в твердую или газообразную форму на определенном этапе.
Химический способ
В воду вводят реагенты, которые связывают ионы солей и способствуют их выпадению в осадок. В качестве реагентов используются соли серебра и бария, причем их нужно до 5% от общего количества опресняемой воды. Реакция проходит с выделением ядовитых веществ, поэтому этот метод практически не используется.
Электродиализ
В ванну с рассолом устанавливают 2 электрода в виде электрохимических активных диафрагм (с пластмассовым или резиновым корпусом и наполнителем из смол), после чего пропускают постоянный ток.
Проходит химическая реакция с выделением в атмосферу хлора и кислорода. Вода скапливается в промежуточных камерах и отводится, а соляной раствор остается в емкости.
Такой метод еще называют ионообменное опреснение: он применяется там, где соленость морской воды изначально невысока. Также он часто используется для мобильных установок на рыболовецких судах, траулерах.
Ультрафильтрация (обратный осмос)
В этом случае солевой раствор подают под давлением через мембрану, которая проницаема для воды, но непроницаема для соли. Такие мембраны создают из ацетилцеллюлозного волокна и пропитывают перхлоратом магния, что позволяет увеличить водопроницаемость.
Поскольку давление значительное, до 150 кгс/см2, мембраны дополняются пористыми бронзовыми плитами. Управление процессом возможно в автоматическом и полуавтоматическом режиме, при этом главное здесь — контроль стабильного давления подачи воды. Выход пресной воды из соленой — до 70%.
Вымораживание
В природных условиях лед, покрывающий океаны и моря, — пресный. Искусственно проводят медленное замораживание. что позволяет получать лед с игольчатой кристаллической структурой. Рассол при этом оседает и не попадает в толщу льда.
Полученный лед растаивают, что позволяет получить воду с соленостью не выше 500-1000 мг/л. Для замораживания используют кристаллизаторы (контактные, вакуумные, с теплообменом через стенку), где обеспечивается контакт воды с газообразным или жидким хладагентом.
Термическое опреснение (дистилляция)
Такой метод часто используют на морских судах для получения пресной воды из забортной соленой. В этом случае морскую воду нагревают до кипения, а выходящий пар конденсируют. Так собирается дистиллят, представляющий собой пресную воду.
Дистилляционные установки включают в себя испарители, нагревательные элементы, конденсаторы и сборники дистиллята. Сам процесс испарения может быть, как одно-, так и многоступенчатым.
При этом из первичного пара получается до 90% пресной воды за одну ступень. В установках с многоступенчатым опреснением, когда не вскипевшая вода перетекает из одной камеры в другую, и так до 50-60 раз, выход воды увеличивается в 15-20 раз. Однако такие системы гораздо сложнее в работе из-за существенной концентрации солевого раствора на последних этапах и порчи оборудования из-за отложения солей на трубопроводах.
Можно ли сделать воду пресной?
Изменение климата, вероятно, поменяет многие аспекты жизни на Земле, в том числе сделает доступ к чистой воде проблемой. Повышение температуры, засуха и природные катаклизмы потенциально могут оказать негативное влияние на водные ресурсы в некоторых регионах и засуха – лишь один из возможных вариантов развития событий. Повышение уровня моря также угрожает прибрежным водным ресурсам, которые часто черпают пресную воду из подземных грунтовых вод. В связи с многочисленными угрозами для источников пресной воды все большую озабоченность вызывает поиск новых и более совершенных способов производства питьевой воды.
Океан – самый большой источник воды на планете, но воду из него нельзя пить из-за высокого содержания в ней соли. К счастью, ученые придумали несколько способов, чтобы извлечь соль из воды и сделать ее пригодной для питья. Более того, ведется разработка еще одного. К сожалению, опреснение любым методом является дорогостоящим и в настоящее время непрактичным для каждого сообщества, испытывающего нехватку воды. Но, как пишет National Geographic, ученые работают над усовершенствованием существующих методов, чтобы сделать их более эффективными и менее дорогостоящими. Ранее мой коллега Рамис Ганиев в своей статье рассказал об одном из самых больших запасов пресной воды в США.
