Опреснение морской воды

На земле есть много регионов, которые страдают от недостатка пресной воды. Она нужна как для человека, так и для промышленности, а получить ее нельзя ни из поверхностных, ни из подземных источников. Рекомендованное максимальное солесодержание для питьевой воды - 500 мг/л, в некоторых случаях - 1000 мг/л. Морская вода же может содержать от 18 до 45 г/л солей.

К обессоливанию воды приходится прибегать в регионах, где нет других ее источников, например, в странах Ближнего Востока и Африки. Также существуют более узкие сферы применения морской воды для питья после ее деминерализации. Это морские суда длительного плавания, космические и арктические полярные станции и пр. Процессы обессоливания не заканчиваются морской водой, есть еще устья рек, впадающих в океаны, соленые болота.

Опреснительная система обратного осмоса на станции академик Вернадский

Станция опреснения воды на судне дальнего плавания

С технологической точки зрения воду делят на соленую (содержит от 30 до 45 граммов соли в литре) - это океаническая и большинство морской воды, и солоноватую (0,5 - 30 г/л) - это вода из некоторых материковых морей, например, наших Черного и Азовского. В составе солоноватой и морской соленой воды есть множество компонентов, но основными из них является хлорид натрия (или поваренная соль). Значительно меньший процент солесодержания добавляют сульфаты, хлориды, бикарбонаты других элементов: кальция, магния, калия.

Где применяют обессоливание морской воды?

Согласно анализу данных об обессоливании воды, проведенному в 2019 году, на тот момент функционировало 15906 опреснительных заводов, которые производили 95 млн м³/сут пресной воды.

48% процентов этой воды производится в Северной Африке и на Ближнем Востоке, 18,4% - в Восточной Азии, 11,9% в Северной Америке, 9,2% - в Европе в целом, из которых - 5,7% в Испании. Обессоливание воды для немуниципальных нужд (промышленность и энергетика) производится в регионах Северной Америки, Западной Европы, Восточной Азии и Тихого океана.

Если рассматривать применение обессоленной воды с точки зрения потребительского сектора, то 62,3% воды применяется в муниципальной сфере, 30,2% - в промышленности, всего 4,8% - в энергетике и 1,8% - в сельском хозяйстве.

Что касается Украины, то больших систем деминерализации воды у нас нет, так как нет и критичной проблемы с водой. На побережье Черного и Азовского моря практикуют установку небольших коммерческих систем обратного осмоса, так как это более экономично, чем использование привозной воды.

Значение и необходимость опреснения морской воды

Водный дефицит становится одной из самых актуальных проблем современного мира. Его рост обусловлен рядом факторов, влияющих на доступность чистой и безопасной воды для населения. Вот основные причины этой глобальной проблемы:

1. Рост населения. Быстрое увеличение количества людей способствует повышенному потреблению воды для питья, хозяйственных и производственных нужд. Это создает нагрузку на существующие водные ресурсы.

2. Интенсивная индустриализация и урбанизация. Развитие промышленности и городских зон приводит к загрязнению водных источников вредными веществами, что уменьшает количество пригодной для потребления воды.

3. Изменение климата. Потепление, засуха и неравномерное распределение осадков способствуют высыханию рек и озер, что снижает доступность пресной воды.

4. Загрязнение воды. Выбросы бытовых, промышленных и сельскохозяйственных отходов загрязняют источники водоснабжения, что затрудняет ее очистку и снижает количество пригодной для потребления воды.

5. Утрата природных водных ресурсов. Высыхание водохранилищ, вырубка лесов и уничтожение природных водоемов нарушают естественный баланс и уменьшают доступность воды.

Опреснение морской воды играет немаловажную роль в решении глобальной проблемы дефицита пресной воды. Это технология, позволяющая превращать соленую морскую воду в чистую, пригодную для питья и бытовых нужд. В современных условиях, когда природные источники пресной воды становятся все менее доступными из-за растущего населения, загрязнения и изменения климата, опреснение становится важным альтернативным источником воды.

Методы опреснения воды

Изобретение технологии опреснения морской воды стало одним из ключевых достижений в области водоснабжения и инженерии. К списку существующих технологий можно отнести:

• дистилляцию или термические процессы;
• мембранные методы.

Ограниченное применение имеют вымораживание (требует больших затрат либо на заморозку, либо на размораживание льда) и ионный обмен (ионообменные смолы имеют слишком маленький ресурс, а также требуют регенерации растворами кислот и щелочей).

Опреснение соленой воды дистилляцией

Термические методы предусматривают разнообразные технологии, которые в целом основаны на принципах дистилляции. Изначально дистилляция — самый старый метод получения деминерализованной воды. Принцип действия заключается в том, что во время нагревания часть воды выделяется в виде пара и конденсируется в емкости-сборнике конденсата, а потом выводится из системы.

Процессы термического опреснения подразделяются на следующие виды:

1. Многоступенчатая флэш-дистилляция предусматривает много этапов обработки воды. На начальном этапе вода нагревается при повышенном давлении, а при поступлении в первую и последующие испарительные камеры давление постепенно сбрасывается, что вызывает быстрое закипание воды и, соответственно, быстрое испарение (подобное вспышке) пара, который конденсируется в трубках теплообменника на каждой из ступеней. Такая технология опреснения морской воды начала использоваться в 50-х годах прошлого века.

2. Многоступенчатая дистилляция — работает по тому же принципу, только нагревается вода перед каждой ячейкой теплом, полученным в процессе конденсации. Этот метод считается более экономичным, чем флеш-дистилляция, так как более низкие температуры снижают интенсивность коррозионных процессов, а вторичное использование тепла снижает потребление электроэнергии.

3. Испарение при сжатии пара — предусматривает получение тепла для испарения воды за счет сжатия пара, а не за счет прямого теплообмена.
4. Солнечное опреснение воды — является оправданным для небольших объёмов воды в условиях высокого уровня солнечной радиации. В данном случае вода нагревается через слой стекла, а потом стекает по его поверхности в сборные желоба.

Действительно широкое применение имеют обычная многоступенчатая и флеш-дистилляция, которые все же уступают мембранным процессам.

Мембранные процессы обессоливания воды

Применимо к морской воде все чаще применяются мембранные методы, пожалуй, практически все новые системы обессоливания морской воды работают именно на базе мембранных технологий.

Обратный осмос предусматривает использование полупроницаемой мембраны, которая позволяет пропускать преимущественно молекулы воды, а также и некоторую часть ионов с маленькой молекулярной массой. Принцип работы обратного осмоса заключается в том, что растворитель (вода) из более концентрированной стремится выделиться в менее концентрированную среду. Важно отметить, что для солоноватой и соленой воды применяются специальные мембранные элементы, имеющие высокую селективность по ионам натрия и хлора.

Мембранная дистилляция — это термомембранный метод обессоливания, который работает схоже с осмосом, только не благодаря градиенту концентраций, а благодаря градиенту температур — через полупроницаемую мембрану выделяется водяной пар, а раствор остается за ее пределами.

Электродеионизация работает благодаря электролитическому разделению воды и ионоселективным процессам, что позволяет получить воду с самым низким содержанием минералов.

Что касается распространения мембранных методов, то первенство занимает, как мы упоминали выше, обратный осмос, другие методы применяются узко и обычно в промышленных нуждах.

Какие способы опреснения морской воды применяют сегодня?

До 1980-х годов 84% всей обессоленной воды производилось именно термическими методами. В 2000-м термические методы и обратный осмос практически уравнялись до 11,6 и 11,4 млн м³/сут, соответственно, и производили 93% всей обессоленной воды. Сегодня обратным осмосом производится 65,5 млн м³/сут, что составляет 69% всей обессоленной воды, а доля производства воды заводами на основе мембран составляет 84%.

Как опреснить морскую воду в домашних условиях?

Вопрос с опреснением воды в быту несколько более специфичен, но существуют некоторые опреснители воды, которые могут оказать помощь. Мы расскажем, как опреснить воду дома, и как это у вас это точно не получится.

• дистилляция — в данном случае нужно либо смастерить устройство из емкости для кипячения воды и трубки, которая будет отводить конденсат, либо использовать известное многим устройство — самогонный аппарат;
• обратный осмос — обычный бытовой фильтр обратного осмоса, конечно, не предназначен для морской воды, но ограниченное время способен произвести ее очистку;
• вымораживание — метод предусматривает частичное замораживание воды в емкости, когда внешняя замерзшая часть остается, а внутренний рассол выливается, такую операцию рекомендуется произвести несколько раз.

Опреснять воду в скважине является сложным процессом, поскольку предусматривает уменьшение уровня солености и удаление загрязнений в подземных водах. Основные методы включают использование технологий обратного осмоса, ионного обмена или дестилляции. Обратный осмос — самый популярный способ, когда вода под давлением проходит через полупроницаемую мембрану, которая задерживает соли и примеси. Перед началом опреснения важно провести лабораторные анализы. Также следует учитывать энергетические затраты и возможное образование отходов. Установка системы опреснения позволяет получить качественную воду для питья и хозяйственных нужд, но требует регулярного обслуживания и контроля.

Важно отметить, что ни кипячение (температура кипения соленой воды практически равняется пресной), ни бытовые ионообменные фильтры (выделяют натрий), ни фильтрация через активированный уголь (не удаляет соль) не помогут вам опреснить морскую воду, как это говорится в некоторых источниках.

Если у вас остались вопросы, задавайте их в комментариях.