Опреснение – это процесс удаления минеральных компонентов из соленой воды . В более общем смысле, опреснение — это удаление солей и минералов из целевого вещества, [1] как и при опреснении почвы , что является проблемой для сельского хозяйства. Соленую воду (особенно морскую ) опресняют для получения воды, пригодной для потребления человеком или орошения . Побочным продуктом процесса опреснения является рассол . [2] Опреснение используется на многих морских кораблях и подводных лодках . Большая часть современного интереса к опреснению сосредоточена на экономически эффективном обеспечении пресной водой для использования человеком. Наряду с переработанными сточными водами , это один из немногих водных ресурсов , независимых от осадков . [3]
Из-за энергопотребления опреснение морской воды обычно обходится дороже, чем пресная вода из поверхностных или подземных вод , рециркуляция воды и водосбережение . Однако эти альтернативы не всегда доступны, и истощение запасов является критической проблемой во всем мире. [4] [5] В процессах опреснения используются либо термические методы (в случае дистилляции ), либо мембранные методы (например, в случае обратного осмоса ) типов энергии. [6] [7] : 24
По оценкам, проведенным в 2018 году, «18 426 опреснительных установок действуют в более чем 150 странах. Они производят 87 миллионов кубических метров чистой воды каждый день и снабжают ею более 300 миллионов человек». [7] : 24 Энергоемкость улучшилась: сейчас она составляет около 3 кВтч/м 3 (в 2018 году), что в 10 раз меньше, чем 20-30 кВтч/м 3 в 1970 году . [7] : 24 Тем не менее, опреснение представляло около 25% энергии, потребляемой водным сектором в 2016 году. [7] : 24
Опреснение было известно в истории на протяжении тысячелетий как концепция, а также как более поздняя практика, хотя и в ограниченной форме. Древнегреческий философ Аристотель в своей работе «Метеорология» заметил , что «соленая вода, когда она превращается в пар, становится сладкой, и пар не образует снова соленую воду при конденсации», а также заметил, что тонкий восковой сосуд может содержать питьевую воду после будучи погруженным на достаточно долгое время в морскую воду, действуя как мембрана для фильтрации соли. [8] Существует множество других примеров экспериментов по опреснению воды в древности и средневековье, [9] но опреснение никогда не было осуществимо в больших масштабах до современной эпохи. [10] Хорошим примером этого эксперимента являются наблюдения Леонардо да Винчи (Флоренция, 1452 г.), который понял, что дистиллированную воду можно дешево производить в больших количествах, приспособив перегонный куб к кухонной плите. [11] В средние века в других частях Центральной Европы продолжались работы по усовершенствованию дистилляции, хотя и не обязательно направленные на опреснение. [12]
Однако не исключено, что первая крупная наземная опреснительная установка могла быть установлена в чрезвычайных условиях на острове у побережья Туниса в 1560 году. [12] [13] Считается, что гарнизон из 700 испанских солдат был осаждён. большим количеством турок и что во время осады командующий капитаном изготовил перегонный аппарат, способный производить 40 баррелей пресной воды в день, хотя подробности об устройстве не сообщаются. [13]
До промышленной революции опреснение воды в первую очередь беспокоило океанские суда, которым в противном случае приходилось иметь на борту запасы пресной воды. Сэр Ричард Хокинс (1562–1622), совершивший обширные путешествия по Южным морям, сообщил в своем возвращении, что ему удалось снабдить своих людей пресной водой с помощью корабельной дистилляции. [14] Кроме того, в начале 1600-х годов несколько выдающихся деятелей той эпохи, таких как Фрэнсис Бэкон или Уолтер Рэли, опубликовали отчеты об опреснении воды. [13] [15] Эти и другие отчеты, [16] создали климат для первого патентного спора, касающегося опреснительного устройства. Два первых патента на опреснение воды датируются 1675 и 1683 годами (патенты № 184 [17] и № 226, [18] , опубликованные г-ном Уильямом Уолкотом и г-ном Робертом Фицджеральдом (и другими) соответственно). Тем не менее ни одно из двух изобретений на самом деле не было введено в эксплуатацию из-за технических проблем, возникших из-за трудностей с масштабированием. [12] Никаких существенных улучшений в базовом процессе дистилляции морской воды не было сделано в течение некоторого времени в течение 150 лет, с середины 1600-х годов до 1800 года.
Когда в 1780-х годах фрегат «Протектор» был продан Дании (как корабль « Хусарен »), опреснительная установка была тщательно изучена и записана. [19] В недавно образованных Соединенных Штатах Томас Джефферсон каталогизировал методы, основанные на нагревании, начиная с 1500-х годов, и сформулировал практические советы, которые были доведены до сведения всех американских кораблей на оборотах разрешений на плавание. [20] [21]
Начиная примерно с 1800 года, ситуация начала очень быстро меняться вследствие появления парового двигателя и так называемой эпохи пара . [12] Развитие знаний о термодинамике паровых процессов [22] и необходимости источника чистой воды для ее использования в котлах [23] оказало положительное влияние на дистилляционные системы. Кроме того, распространение европейского колониализма вызвало потребность в пресной воде в отдаленных частях мира, что создало подходящий климат для опреснения воды. [12]
Параллельно с разработкой и усовершенствованием систем, использующих пар ( многокорпусные испарители ), устройства этого типа быстро продемонстрировали свой потенциал в области опреснения воды. [12] В 1852 году Альфонсу Рене ле Миру Нормандскому был выдан британский патент на установку для перегонки морской воды с вертикальной трубкой, которая благодаря простоте конструкции и легкости конструкции очень быстро завоевала популярность для использования на борту корабля. [12] [24] Наземные опреснительные установки появились лишь во второй половине девятнадцатого века. [24] В 1860-х годах армия США закупила три испарителя «Нормандия», каждый мощностью 7000 галлонов в день, и установила их на островах Ки-Уэст и Драй-Тортугас . [12] [24] [25] Еще один важный наземный опреснительный завод был установлен в Суакине в 1880-х годах, который был в состоянии обеспечить пресной водой размещенные там британские войска. В ее состав вошли шестикорпусные дистилляторы производительностью 350 тонн/сутки. [12] [24]
Значительные исследования улучшенных методов опреснения воды произошли в Соединенных Штатах после Второй мировой войны. Управление соленой воды было создано в Министерстве внутренних дел США в 1955 году в соответствии с Законом о преобразовании соленой воды 1952 года. [5] [26] Этот закон был мотивирован нехваткой воды в Калифорнии и внутренних районах западных Соединенных Штатов. Министерство внутренних дел выделило ресурсы, включая исследовательские гранты, экспертный персонал, патентные данные и землю для экспериментов с целью дальнейшего развития опреснения воды. [27] Результаты этих усилий были разнообразными, включая строительство более 200 электродиализных и дистилляционных установок по всему миру, многообещающие исследования обратного осмоса и международное сотрудничество в этом деле (например, Первый международный симпозиум и выставка по опреснению воды в 1965 году). [28] В 1974 году Управление соленой воды было объединено с Управлением исследований водных ресурсов. [26]
Первая промышленная опреснительная установка в США открылась во Фрипорте, штат Техас, в 1961 году с надеждой обеспечить водную безопасность в регионе после десятилетия засухи. [5] Вице-президент Линдон Б. Джонсон присутствовал на открытии завода 21 июня 1961 года. Президент Джон Ф. Кеннеди записал речь из Белого дома , охарактеризовав опреснение как «работу, которая во многих отношениях более важна, чем любая другая научная работа». предприятие, которым сейчас занимается эта страна». [29]
Исследования проводились в государственных университетах Калифорнии, в компаниях Dow Chemical и DuPont . [30] Многие исследования посвящены способам оптимизации систем опреснения. [31] [32]
Первая коммерческая установка по опреснению с помощью обратного осмоса , опреснительная установка Coalinga, была открыта в Калифорнии в 1965 году для солоноватой воды . [33] Доктор Сидни Леб совместно с сотрудниками Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе спроектировал большую пилотную установку обратного осмоса. Целью этого завода был сбор данных о процессе обратного осмоса, но он оказался достаточно успешным, чтобы обеспечить жителей Коалинга пресной водой. Это стало важной вехой в технологии опреснения, поскольку оно доказало осуществимость обратного осмоса и его преимущества по сравнению с существующими технологиями (низкое энергопотребление, отсутствие необходимости фазового перехода, работа при комнатной температуре, масштабируемость и простота стандартизации). [34] Несколько лет спустя, в 1975 году, в эксплуатацию вступила первая установка по опреснению морской воды обратным осмосом.
В настоящее время по всему миру действует около 21 000 опреснительных установок. Самые крупные из них находятся в Объединенных Арабских Эмиратах , Саудовской Аравии и Израиле . Крупнейшая в мире опреснительная установка расположена в Саудовской Аравии ( Рас-эль-Хайрская электроопреснительная установка ) мощностью 1 401 000 кубических метров в сутки. [35]
Опреснение в настоящее время обходится дорого по сравнению с большинством альтернативных источников воды, и лишь очень небольшая часть общего потребления воды человеком удовлетворяется за счет опреснения. [36] Обычно это экономически целесообразно только для дорогостоящих видов использования (например, для домашнего и промышленного использования) в засушливых районах. Однако наблюдается рост опреснения воды для нужд сельского хозяйства и густонаселенных районов, таких как Сингапур [37] или Калифорния. [38] [39] Наиболее широкое использование находится в Персидском заливе . [40]
Отмечая снижение затрат и в целом положительно оценивая технологию для богатых районов, расположенных вблизи океанов, в исследовании 2005 года утверждается: «Опресненная вода может быть решением для некоторых регионов, испытывающих нехватку воды, но не для бедных мест, находящихся глубоко в глубинах океана. внутри континента или на большой высоте. К сожалению, сюда входят некоторые места с самыми большими проблемами с водой.», и «Действительно, нужно поднять воду на 2000 м или транспортировать ее на расстояние более 1600 км, чтобы получить транспортные расходы, равные затратам на опреснение». [41]
Таким образом, может оказаться более экономичным транспортировать пресную воду откуда-либо еще, чем опреснять ее. В местах, удаленных от моря, таких как Нью-Дели , или в высоких местах, таких как Мехико , транспортные расходы могут соответствовать затратам на опреснение воды. Опресненная вода также дорогая в местах, которые находятся несколько далеко от моря и несколько высоко, например, в Эр-Рияде и Хараре . Напротив, в других местах транспортные расходы намного меньше, например, в Пекине , Бангкоке , Сарагосе , Фениксе и, конечно же, в прибрежных городах, таких как Триполи . [42] После опреснения воды в Джубайле , Саудовская Аравия, вода перекачивается на 320 км вглубь страны, в Эр-Рияд . [43] В прибрежных городах опреснение все чаще рассматривается как конкурентный выбор.
В 2023 году Израиль использовал опреснение для пополнения запасов воды в Галилейском море . [44]
Не все убеждены, что опреснение является или будет экономически жизнеспособным или экологически устойчивым в обозримом будущем. Дебби Кук писала в 2011 году, что опреснительные установки могут быть энергоемкими и дорогостоящими. Таким образом, регионам, испытывающим водный дефицит, возможно, лучше сосредоточиться на сохранении или других решениях в области водоснабжения, чем инвестировать в опреснительные установки. [45]
Опреснение — это искусственный процесс, посредством которого соленая вода (обычно морская вода ) превращается в пресную. Наиболее распространенными процессами опреснения являются дистилляция и обратный осмос . [46]
Есть несколько методов. У каждого есть свои преимущества и недостатки, но все они полезны. Методы можно разделить на мембранные (например, обратный осмос ) и термические (например, многоступенчатая флэш-дистилляция ). [2] Традиционным процессом опреснения является дистилляция (т.е. кипячение и повторная конденсация морской воды с удалением соли и примесей). [47]
В настоящее время существуют две технологии, на которые приходится большая часть мировых мощностей по опреснению воды: многоступенчатая мгновенная дистилляция и обратный осмос .
Солнечная дистилляция имитирует естественный круговорот воды, при котором солнце нагревает морскую воду настолько, что происходит испарение. [48] После испарения водяной пар конденсируется на прохладной поверхности. [48] Существует два типа солнечного опреснения. Первый тип использует фотоэлектрические элементы для преобразования солнечной энергии в электрическую для опреснения воды. Второй тип преобразует солнечную энергию в тепло и известен как опреснение с использованием солнечной тепловой энергии.
Вода может испаряться в результате ряда других физических эффектов, помимо солнечного излучения . Эти эффекты были включены в междисциплинарную методологию опреснения в теплице IBTS . IBTS представляет собой промышленную опреснительную (энергетическую) установку с одной стороны и теплицу, работающую на природном водном цикле (в масштабе 1:10) с другой стороны. Различные процессы испарения и конденсации происходят в низкотехнологичных инженерных коммуникациях, частично под землей и в архитектурном облике самого здания. Эта интегрированная биотектурная система наиболее подходит для крупномасштабного озеленения пустыни , поскольку она занимает площадь 2 км для дистилляции воды и такую же площадь для преобразования ландшафта при озеленении пустыни, соответственно, для регенерации естественных циклов пресной воды. [ нужна цитата ]
При вакуумной перегонке атмосферное давление снижается, что снижает температуру, необходимую для испарения воды. Жидкости кипят, когда давление пара равняется давлению окружающей среды, а давление пара увеличивается с температурой. Фактически жидкости кипят при более низкой температуре, когда окружающее атмосферное давление меньше обычного атмосферного давления. Таким образом, из-за пониженного давления можно использовать низкотемпературное «отходное» тепло от производства электроэнергии или промышленных процессов.
Вода испаряется и отделяется от морской воды посредством многоступенчатой мгновенной дистилляции , которая представляет собой серию мгновенных испарений . [48] Каждый последующий процесс мгновенного испарения использует энергию, высвободившуюся в результате конденсации водяного пара на предыдущем этапе. [48]
Многоступенчатая дистилляция (MED) проходит через ряд этапов, называемых «эффектами». [48] Поступающая вода распыляется на трубы, которые затем нагреваются для образования пара. Затем пар используется для нагрева следующей партии поступающей морской воды. [48] Для повышения эффективности пар, используемый для нагрева морской воды, можно брать с близлежащих электростанций. [48] Хотя этот метод является наиболее термодинамически эффективным среди методов, использующих тепло, [49] существует несколько ограничений, таких как максимальная температура и максимальное количество эффектов. [50]
Испарение с компрессией пара включает использование механического компрессора или струйной струи для сжатия пара, присутствующего над жидкостью. [49] Сжатый пар затем используется для получения тепла, необходимого для испарения остальной части морской воды. [48] Поскольку эта система требует только энергии, она более рентабельна, если ее хранить в небольших масштабах. [48]
Системы опреснения с волновым приводом обычно преобразуют механическое волновое движение непосредственно в гидравлическую энергию для обратного осмоса. [51] Такие системы направлены на максимизацию эффективности и снижение затрат за счет отказа от преобразования в электричество, минимизации избыточного давления, превышающего осмотическое давление, а также внедрения инноваций в гидравлических и волновых компонентах. [52] Одним из таких примеров является CETO , технология волновой энергии , которая опресняет морскую воду с помощью затопленных буев. [53] Волновые опреснительные установки начали работать на Гарден-Айленде в Западной Австралии в 2013 году [54] и в Перте в 2015 году. [55]
Мембранная дистилляция использует разницу температур на мембране для испарения паров рассола и конденсации чистой воды на более холодной стороне. [56] Конструкция мембраны может существенно повлиять на эффективность и долговечность. Исследование показало, что мембрана, созданная посредством коаксиального электропрядения ПВДФ - ГФП и аэрогеля кремнезема, смогла фильтровать 99,99% соли после непрерывного 30-дневного использования. [57]
Ведущим процессом опреснения воды с точки зрения установленной мощности и ежегодного роста является обратный осмос (ОО). [59] В мембранных процессах обратного осмоса используются полупроницаемые мембраны и приложенное давление (на стороне подачи мембраны), чтобы преимущественно вызвать проникновение воды через мембрану, одновременно отводя соли. Мембранные системы обратного осмоса обычно потребляют меньше энергии, чем процессы термического опреснения. [49] Стоимость энергии в процессах опреснения значительно варьируется в зависимости от солености воды, размера установки и типа процесса. В настоящее время стоимость опреснения морской воды, например, выше, чем стоимость традиционных источников воды, но ожидается, что затраты будут продолжать снижаться за счет технологических усовершенствований, которые включают, помимо прочего, повышение эффективности, [60] сокращение площади установки. , улучшение работы и оптимизации установки, более эффективная предварительная обработка корма и более дешевые источники энергии. [61]
В обратном осмосе используется тонкопленочная композитная мембрана, состоящая из ультратонкой тонкой пленки из ароматического полиамида. Эта полиамидная пленка придает мембране транспортные свойства, тогда как остальная часть тонкопленочной композитной мембраны обеспечивает механическую поддержку. Полиамидная пленка представляет собой плотный, не имеющий пустот полимер с большой площадью поверхности, что обеспечивает высокую водопроницаемость. [62] Недавнее исследование показало, что водопроницаемость в первую очередь определяется внутренним наномассовым распределением активного слоя полиамида. [63]
Процесс обратного осмоса требует обслуживания. На эффективность влияют различные факторы: ионное загрязнение (кальций, магний и т. д.); растворенный органический углерод (DOC); бактерии; вирусы; коллоиды и нерастворимые частицы; биообрастание и накипь . В крайних случаях мембраны RO разрушаются. Для уменьшения ущерба вводятся различные этапы предварительной обработки. Ингибиторы против накипи включают кислоты и другие агенты, такие как органические полимеры полиакриламид и полималеиновая кислота, фосфонаты и полифосфаты . Ингибиторами загрязнения являются биоциды (как окислители против бактерий и вирусов), такие как хлор, озон, гипохлорит натрия или кальция. Регулярно, в зависимости от загрязнения мембраны; меняющиеся условия морской воды; или по требованию процессов мониторинга необходимо очистить мембраны, что называется экстренной или шоковой промывкой. Промывка выполняется ингибиторами в растворе пресной воды, и система должна отключиться. Эта процедура экологически опасна, поскольку загрязненная вода без очистки сбрасывается в океан. Чувствительные морские среды обитания могут быть необратимо повреждены. [64] [65]
Автономные опреснительные установки, работающие на солнечной энергии, используют солнечную энергию для заполнения буферного резервуара на холме морской водой. [66] Процесс обратного осмоса получает морскую воду под давлением в часы отсутствия солнечного света под действием силы тяжести, что приводит к устойчивому производству питьевой воды без необходимости использования ископаемого топлива, электросети или батарей. [67] [68] [69] Нанотрубки также используются для той же функции (например, обратного осмоса).
Прямой осмос использует полупроницаемую мембрану для отделения воды от растворенных веществ. Движущей силой такого разделения является градиент осмотического давления, например, при «вытягивании» раствора высокой концентрации. [2]
Опреснение замораживанием-оттаиванием (или опреснение замораживанием) использует замораживание для удаления пресной воды из соленой воды. Во время замерзания соленая вода распыляется на площадку, где образуется груда льда. При потеплении сезонных условий происходит восстановление естественно опресненной талой воды. Этот метод основан на длительных периодах естественных отрицательных температур. [70]
Другой метод замораживания-оттаивания, не зависящий от погоды и изобретенный Александром Зарчиным , замораживает морскую воду в вакууме. В условиях вакуума опреснянный лед плавится и направляется на сбор, а соль собирается.
Электродиализ использует электрический потенциал для перемещения солей через пары заряженных мембран, которые улавливают соль в чередующихся каналах. [71] Существует несколько вариантов электродиализа, таких как обычный электродиализ , реверсивный электродиализ . [2]
Электродиализ позволяет одновременно удалять соль и углекислоту из морской воды. [72] Предварительные оценки показывают, что стоимость такого удаления углерода может быть оплачена в значительной степени, если не полностью, за счет продажи опресненной воды, полученной в качестве побочного продукта. [73]
Микробные опреснительные ячейки представляют собой биологические электрохимические системы, в которых используются электроактивные бактерии для опреснения воды на месте , обеспечивая ресурс естественного анода и катодного градиента электроактивных бактерий и, таким образом, создавая внутренний суперконденсатор . [4]
Энергопотребление процесса опреснения зависит от солености воды. Опреснение солоноватой воды требует меньше энергии, чем опреснение морской воды . [74]
Энергоемкость опреснения морской воды улучшилась: сейчас она составляет около 3 кВтч/м 3 (в 2018 году), что в 10 раз ниже, чем 20-30 кВтч/м 3 в 1970 году. [7] : 24 Это аналогично потребление энергии другими источниками пресной воды, транспортируемыми на большие расстояния, [75] , но намного выше, чем местные источники пресной воды , которые используют 0,2 кВтч/м 3 или меньше. [76]
Минимальное потребление энергии для опреснения морской воды составляет около 1 кВтч/м 3 , [ 74] [77] [78] без учета предварительной фильтрации и всасывающей/выпускной перекачки. Менее 2 кВтч/м 3 [79] было достигнуто с помощью мембранной технологии обратного осмоса , что оставило ограниченные возможности для дальнейшего снижения энергопотребления, поскольку потребление энергии обратным осмосом в 1970-х годах составляло 16 кВтч/м 3 . [74]
Поставка всей бытовой воды в США путем опреснения приведет к увеличению внутреннего потребления энергии примерно на 10%, что соответствует количеству энергии, используемой бытовыми холодильниками. [80] Внутреннее потребление составляет относительно небольшую долю от общего потребления воды. [81]
Примечание: «Электрический эквивалент» относится к количеству электрической энергии, которое может быть произведено с использованием данного количества тепловой энергии и соответствующего турбогенератора. Эти расчеты не включают энергию, необходимую для строительства или восстановления потребляемых предметов.
Учитывая энергоемкий характер опреснения и связанные с этим экономические и экологические издержки, опреснение обычно считается последним средством после сохранения воды . Но ситуация меняется, поскольку цены продолжают падать.
Когенерация — это производство избыточного тепла и электроэнергии в рамках одного процесса. Когенерация может обеспечить полезное тепло для опреснения на интегрированной установке «двойного назначения», где электростанция обеспечивает энергию для опреснения. Альтернативно, производство энергии на объекте может быть направлено на производство питьевой воды (автономный объект), или может производиться избыточная энергия и включаться в энергосистему. Когенерация принимает различные формы, и теоретически можно использовать любую форму производства энергии. Однако большинство существующих и планируемых когенерационных опреснительных установок используют в качестве источника энергии либо ископаемое топливо , либо ядерную энергию. Большинство заводов расположены на Ближнем Востоке или в Северной Африке , которые используют свои нефтяные ресурсы для компенсации ограниченных водных ресурсов. Преимущество установок двойного назначения заключается в том, что они могут быть более эффективными в потреблении энергии, что делает опреснение более жизнеспособным. [83] [84]
Современной тенденцией в установках двойного назначения являются гибридные конфигурации, в которых пермеат от обратного осмоса смешивается с дистиллятом от термического опреснения. По сути, два или более процессов опреснения сочетаются с производством электроэнергии. Подобные объекты были реализованы в Саудовской Аравии в Джидде и Янбу . [85]
Типичный суперавианосец в вооруженных силах США способен использовать ядерную энергию для опреснения 1 500 000 л (330 000 имп галлонов; 400 000 галлонов США) воды в день. [86]
Повышение экономии и эффективности использования воды остается наиболее экономически эффективным подходом в районах с большим потенциалом повышения эффективности водопользования. [87] Утилизация сточных вод дает множество преимуществ по сравнению с опреснением соленой воды, [88] хотя обычно при этом используются опреснительные мембраны. [89] Городские стоки и сбор ливневых вод также обеспечивают преимущества в очистке, восстановлении и пополнении запасов грунтовых вод. [90]
Предлагаемая альтернатива опреснению на юго-западе Америки - это коммерческий импорт больших объемов воды из богатых водой районов либо нефтяными танкерами, переоборудованными в водовозы, либо трубопроводами. Эта идея политически непопулярна в Канаде, где правительства ввели торговые барьеры для экспорта воды в результате требований Североамериканского соглашения о свободной торговле (НАФТА). [91]
Департамент водных ресурсов Калифорнии и Совет по контролю за водными ресурсами штата Калифорния представили законодательному собранию штата отчет, в котором рекомендуют городским поставщикам воды достичь к 2023 году стандарта эффективности использования воды в помещениях, составляющего 55 галлонов США (210 литров) на душу населения в день, снизившись до 47 галлонов США (180 литров) в день к 2025 году и 42 галлона США (160 литров) к 2030 году и далее. [92] [93] [94]
Факторы, определяющие затраты на опреснение, включают мощность и тип установки, местоположение, питательную воду, рабочую силу, энергию, финансирование и утилизацию концентрата. Затраты на опреснение морской воды (инфраструктура, энергия и техническое обслуживание) обычно выше, чем затраты на пресную воду из рек или грунтовых вод , рециркуляцию воды и сохранение воды , но альтернативы не всегда доступны. Затраты на опреснение в 2013 году колебались от 0,45 до 1,00 доллара США/м 3 . Более половины затрат приходится непосредственно на стоимость энергии, а поскольку цены на энергию очень нестабильны, фактические затраты могут существенно различаться. [95]
Стоимость неочищенной пресной воды в развивающихся странах может достигать 5 долларов США за кубический метр. [96]
В аппаратах опреснения контролируются давление, температура и концентрация рассола для оптимизации эффективности. Опреснение воды с помощью атомной энергии может быть экономичным в больших масштабах. [101] [102]
В 2014 году израильские предприятия в Хадере, Пальмахиме, Ашкелоне и Сореке опресняли воду по цене менее 0,40 доллара США за кубический метр. [103] По состоянию на 2006 год в Сингапуре опреснение воды осуществлялось по цене 0,49 доллара США за кубический метр. [104]
В США водозаборные сооружения для охлаждающей воды регулируются Агентством по охране окружающей среды (EPA). Эти сооружения могут оказывать такое же воздействие на окружающую среду, как и водозаборы опреснительных установок. По данным Агентства по охране окружающей среды, водозаборные сооружения оказывают неблагоприятное воздействие на окружающую среду, засасывая рыбу и моллюсков или их икру в промышленную систему. Там организмы могут быть убиты или повреждены жарой, физическим стрессом или химическими веществами. Более крупные организмы могут быть убиты или ранены, если они попадут в ловушку перед решетками в передней части водозаборного сооружения. [105] Альтернативные типы водозабора, которые смягчают это воздействие, включают пляжные колодцы, но они требуют больше энергии и более высоких затрат. [106]
Опреснительная установка Квинана открылась в австралийском городе Перт в 2007 году. Вода там, а также на опреснительной установке Голд-Кост в Квинсленде и опреснительной установке Курнелл в Сиднее забирается со скоростью 0,1 м/с (0,33 фута/с), что является медленным показателем. достаточно, чтобы рыба убежала. Завод обеспечивает около 140 000 м 3 (4 900 000 куб. футов) чистой воды в день. [107]
В процессе опреснения образуется большое количество рассола , возможно, при температуре выше температуры окружающей среды, и он содержит остатки химикатов предварительной обработки и очистки, побочные продукты их реакции и тяжелые металлы из-за коррозии (особенно на термических установках). [108] [109] Химическая предварительная обработка и очистка являются необходимостью на большинстве опреснительных установок, что обычно включает предотвращение биообрастания, накипи, пенообразования и коррозии на тепловых установках, а также биообрастания, взвешенных твердых частиц и отложений накипи на мембранных установках. [110]
Чтобы ограничить воздействие на окружающую среду при возврате рассола в океан, его можно разбавлять другим потоком воды, попадающим в океан, например, из водоочистных сооружений или электростанций. На средних и крупных электростанциях и опреснительных установках расход охлаждающей воды электростанции, вероятно, будет в несколько раз больше, чем у опреснительной установки, что снижает соленость в комплексе. Другой метод разбавления рассола – это смешивание его через диффузор в зоне смешивания. Например, когда трубопровод, содержащий рассол, достигает морского дна, он может разделиться на множество ветвей, каждая из которых постепенно выпускает рассол через небольшие отверстия по своей длине. Смешивание можно комбинировать с разбавлением на электростанциях или станциях очистки сточных вод. Кроме того, для очистки рассола перед утилизацией можно использовать системы нулевого сброса жидкости. [108] [111]
Другая возможность — сделать опреснительную установку передвижной, чтобы избежать скопления рассола в одном месте (поскольку он продолжает производиться опреснительной установкой). Было построено несколько таких передвижных (подключаемых к судну) опреснительных установок. [112] [113]
Рассол плотнее морской воды, поэтому опускается на дно океана и может нанести ущерб экосистеме. Было замечено, что шлейфы рассола со временем уменьшились до разбавленной концентрации, при которой практически не оказывалось никакого воздействия на окружающую среду. Однако исследования показали, что разбавление может вводить в заблуждение из-за глубины, на которой оно произошло. Если бы разбавление наблюдалось в течение летнего сезона, существует вероятность того, что мог произойти сезонный термоклин, который мог бы предотвратить опускание концентрированного рассола на морское дно. Это потенциально может не нарушить экосистему морского дна, а вместо этого – воды над ним. Было замечено, что рассол от опреснительных установок распространяется на несколько километров, а это означает, что он может нанести вред экосистемам вдали от заводов. Тщательная реинтродукция с соответствующими мерами и экологическими исследованиями может свести к минимуму эту проблему. [114] [115]
Из-за характера процесса необходимо разместить растения примерно на 25 акрах земли на береговой линии или рядом с ней. [116] В случае строительства завода на суше трубы необходимо прокладывать в землю, чтобы обеспечить легкий забор и отвод воды. [116] Однако, как только трубы проложены в землю, они могут попасть в близлежащие водоносные горизонты и загрязнить их. [116] Помимо экологических рисков, шум, создаваемый некоторыми типами опреснительных установок, может быть громким. [116]
Опреснение удаляет йод из воды и может увеличить риск заболеваний, связанных с дефицитом йода . Израильские исследователи заявили о возможной связи между опреснением морской воды и дефицитом йода, [117] обнаружив дефицит йода среди взрослых, подвергающихся воздействию воды с низким содержанием йода [118] одновременно с увеличением доли питьевой воды в их районе, полученной обратным осмосом морской воды (SWRO). [119] Позже они обнаружили вероятные расстройства, вызванные дефицитом йода, у населения, зависящего от опресненной морской воды. [120] Израильские исследователи предположили возможную связь интенсивного использования опресненной воды и дефицита йода в стране. [121] Они обнаружили высокое бремя дефицита йода среди населения Израиля в целом: 62% детей школьного возраста и 85% беременных женщин находятся ниже диапазона адекватности ВОЗ. [122] Они также указали на национальную зависимость от обедненной йодом опресненной воды, отсутствие универсальной программы йодирования соли и сообщения о более широком использовании препаратов для щитовидной железы в Израиле как возможные причины низкого потребления йода населением. [123] В год проведения исследования объем воды, производимой опреснительными установками, составляет около 50% количества пресной воды, подаваемой для всех нужд, и около 80% воды, подаваемой для бытовых и промышленных нужд в Израиле. . [124]
Другие методы опреснения включают:
Технологии термического опреснения часто предлагаются для использования с низкотемпературными источниками отработанного тепла , поскольку низкие температуры бесполезны для технологического тепла , необходимого во многих промышленных процессах, но идеально подходят для более низких температур, необходимых для опреснения. [49] Фактически, такое сочетание с отходящим теплом может даже улучшить электрический процесс: дизельные генераторы обычно обеспечивают электричеством отдаленные районы. Около 40–50% вырабатываемой энергии представляет собой низкопотенциальное тепло, которое покидает двигатель через выхлопные газы. Подключение технологии термического опреснения, такой как система мембранной дистилляции, к выхлопу дизельного двигателя позволяет повторно использовать это низкопотенциальное тепло для опреснения. Система активно охлаждает дизель-генератор , повышая его эффективность и увеличивая выработку электроэнергии. В результате получается энергонейтральное решение для опреснения. Пример установки был введен в эксплуатацию голландской компанией Aquaver в марте 2014 года в Гули , Мальдивы . [125] [126]
Первоначально возникшая в результате исследований по преобразованию тепловой энергии океана , технология низкотемпературного термического опреснения (НТТД) использует преимущества кипения воды при низком давлении, даже при температуре окружающей среды . В системе используются насосы для создания среды низкого давления и низкой температуры, в которой вода кипит при температурном градиенте 8–10 ° C (14–18 ° F) между двумя объемами воды. Прохладная океанская вода поступает с глубины до 600 м (2000 футов). Эта вода прокачивается через змеевики для конденсации водяного пара. Полученный конденсат представляет собой очищенную воду. LTTD может воспользоваться температурным градиентом, имеющимся на электростанциях, где с электростанции сбрасывается большое количество теплых сточных вод, что снижает затраты энергии, необходимые для создания температурного градиента. [127]
Для проверки этого подхода были проведены эксперименты в США и Японии. В Японии система распылительного испарения была испытана Университетом Сага. [128] На Гавайях Национальная энергетическая лаборатория провела испытания установки OTEC открытого цикла с пресной водой и производством электроэнергии с использованием разницы температур 20 °C (36 °F) между поверхностными водами и водой на глубине около 500 м (1600 °F). футов). LTTD изучался Национальным институтом океанических технологий Индии (NIOT) в 2004 году. Их первый завод LTTD открылся в 2005 году в Каваратти на островах Лакшадвип . Мощность завода составляет 100 000 л (22 000 имп галлонов; 26 000 галлонов США) в день, капитальные затраты составляют 50 миллионов индийских рупий (922 000 евро). Растение использует глубокую воду при температуре от 10 до 12 ° C (от 50 до 54 ° F). [129] В 2007 году NIOT открыла экспериментальную плавучую установку LTTD у побережья Ченнаи производительностью 1 000 000 л (220 000 имп галлонов; 260 000 галлонов США) в день. В 2009 году на ТЭЦ Северный Ченнаи была построена установка меньшего размера, чтобы доказать возможность применения LTTD при наличии охлаждающей воды электростанции. [127] [130] [131]
В октябре 2009 года Saltworks Technologies анонсировала процесс, в котором используется солнечное или другое тепловое тепло для создания ионного тока, который удаляет все ионы натрия и хлора из воды с помощью ионообменных мембран. [132]
Теплица Seawater использует естественные процессы испарения и конденсации внутри теплицы , работающей на солнечной энергии, для выращивания сельскохозяйственных культур на засушливых прибрежных землях.
В 2022 году, используя метод, в котором используется несколько стадий концентрационной поляризации ионов с последующей одной стадией электродиализа , исследователям из Массачусетского технологического института удалось создать безфильтровую портативную установку опреснения, способную удалять как растворенные соли, так и взвешенные твердые вещества . [133] Разработанный для использования неспециалистами в отдаленных районах или при стихийных бедствиях , а также при проведении военных операций, прототип имеет размеры чемодана, размеры 42×33,5×19 см 3 и вес 9,25 кг. [133] Процесс полностью автоматизирован: пользователь уведомляется о том, что вода безопасна для питья, и им можно управлять с помощью одной кнопки или приложения для смартфона. Поскольку для этого не требуется насос высокого давления, процесс очень энергоэффективен: на литр произведенной питьевой воды потребляется всего 20 Вт-часов, что позволяет питать его от обычных портативных солнечных батарей . Использование безфильтровой конструкции при низком давлении или сменных фильтров существенно снижает требования к техническому обслуживанию, при этом само устройство самоочищается. [134] Однако устройство ограничено производством 0,33 литра питьевой воды в минуту. [133] Также существуют опасения, что загрязнение повлияет на долгосрочную надежность, особенно в воде с высокой мутностью . Исследователи работают над повышением эффективности и производительности с намерением коммерциализировать продукт в будущем, однако существенным ограничением является использование дорогих материалов в текущей конструкции. [134]
Опреснение на основе адсорбции (AD) основано на свойствах поглощения влаги некоторыми материалами, такими как силикагель. [135]
Один процесс был коммерциализирован компанией Modern Water PLC с использованием прямого осмоса , при этом, как сообщается, ряд установок находится в эксплуатации. [136] [137] [138]
Идея метода заключается в том, что при контакте гидрогеля с водно-солевым раствором он набухает, поглощая раствор с ионным составом, отличным от исходного. Этот раствор легко отжимается от геля с помощью сита или микрофильтрационной мембраны. Сжатие геля в закрытой системе приводит к изменению концентрации соли, тогда как сжатие в открытой системе, когда гель обменивается ионами с объемом, приводит к изменению числа ионов. Последствия сжатия и набухания в условиях открытой и закрытой системы имитируют обратный цикл Карно холодильной машины. Разница лишь в том, что вместо тепла этот цикл переносит ионы соли из объема низкой солености в объем высокой солености. Подобно циклу Карно, этот цикл полностью обратим и поэтому в принципе может работать с идеальной термодинамической эффективностью. Поскольку метод не требует использования осмотических мембран, он может конкурировать с методом обратного осмоса. Кроме того, в отличие от обратного осмоса, данный подход не чувствителен к качеству питательной воды и ее сезонным изменениям и позволяет получать воду любой желаемой концентрации. [139]
Соединенные Штаты, Франция и Объединенные Арабские Эмираты работают над разработкой практического опреснения воды с помощью солнечной энергии . [140] Система WaterStillar компании AquaDania была установлена в Дахабе (Египет) и в Плайя-дель-Кармен (Мексика). При таком подходе солнечный тепловой коллектор площадью два квадратных метра может перегонять от 40 до 60 литров в день из любого местного источника воды – в пять раз больше, чем обычные перегонные кубы. Это устраняет необходимость в пластиковых ПЭТ- бутылках или энергоемком водном транспорте. [141] В Центральной Калифорнии стартап-компания WaterFX разрабатывает метод опреснения с использованием солнечной энергии, который позволит использовать местную воду, в том числе сточные воды, которые можно будет очистить и использовать повторно. Соленые грунтовые воды в регионе будут очищаться и превращаться в пресные, а в районах вблизи океана можно будет очищать морскую воду. [142]
В процессе Пассарелла для осуществления испарительного опреснения используется пониженное атмосферное давление, а не тепло. Чистый водяной пар, образующийся в результате дистилляции, затем сжимается и конденсируется с помощью современного компрессора. Процесс сжатия повышает эффективность дистилляции за счет создания пониженного давления в испарительной камере. Компрессор центрифугирует чистый водяной пар после того, как он проходит через туманоуловитель (удаляя остаточные примеси), заставляя его сжиматься в трубках в сборной камере. Сжатие пара увеличивает его температуру. Тепло передается входной воде, попадающей в трубки, испаряя воду в трубках. Водяной пар конденсируется на внешней стороне труб в виде продуктовой воды. Объединив несколько физических процессов, Passarell позволяет повторно использовать большую часть энергии системы посредством процессов испарения, туманообразования, сжатия пара, конденсации и движения воды. [143]
Геотермальная энергия может стимулировать опреснение воды. В большинстве мест геотермальное опреснение превосходит использование ограниченных грунтовых или поверхностных вод с экологической и экономической точки зрения. [ нужна цитата ]
Мембраны из нанотрубок с более высокой проницаемостью, чем мембраны нынешнего поколения, могут привести к конечному сокращению занимаемой площади опреснительных установок обратного осмоса. Также было высказано предположение, что использование таких мембран приведет к снижению энергии, необходимой для опреснения. [144]
Было показано, что герметичные сульфированные нанокомпозитные мембраны способны удалять различные загрязнения до уровня частей на миллиард и практически не восприимчивы к высоким уровням концентрации солей. [145] [146] [147]
Биомиметические мембраны — еще один подход. [148]
В 2008 году компания Siemens Water Technologies анонсировала технологию, которая применяет электрические поля для опреснения одного кубического метра воды, используя при этом всего лишь 1,5 кВтч энергии. Если быть точным, этот процесс будет потреблять половину энергии других процессов. [149] По состоянию на 2012 год в Сингапуре работал демонстрационный завод. [150] Исследователи из Техасского университета в Остине и Марбургского университета разрабатывают более эффективные методы электрохимического опреснения морской воды. [151]
Процесс с использованием электрокинетических ударных волн можно использовать для осуществления безмембранного опреснения при температуре и давлении окружающей среды. [152] В этом процессе анионы и катионы в соленой воде заменяются на карбонат-анионы и катионы кальция соответственно с использованием электрокинетических ударных волн. Ионы кальция и карбоната реагируют с образованием карбоната кальция , который выпадает в осадок, оставляя пресную воду. Теоретическая энергетическая эффективность этого метода находится на одном уровне с электродиализом и обратным осмосом .
При экстракции растворителем с переменным температурным режимом (TSSE) вместо мембраны или высоких температур используется растворитель.
Экстракция растворителем является распространенным методом в химической технологии . Его можно активировать низкопотенциальным теплом (менее 70 ° C (158 ° F), что может не требовать активного нагрева. Согласно исследованию, TSSE удалил до 98,4 процента соли в рассоле. [153] Растворитель, растворимость меняется в зависимости от температуры. К соленой воде добавляют растворитель. При комнатной температуре растворитель вытягивает молекулы воды из соли. Затем насыщенный водой растворитель нагревается, в результате чего растворитель высвобождает уже бессолевую воду. [ 154]
Он может опреснять чрезвычайно соленую рассолу, которая в семь раз более соленая, чем океан. Для сравнения: нынешние методы позволяют обрабатывать рассол только в два раза более соленый.
Небольшая морская система использует энергию волн для опреснения 30–50 м 3 /день. Система работает без внешнего источника питания и изготовлена из переработанных пластиковых бутылок. [155]
Trade Arabia утверждает, что Саудовская Аравия будет производить 7,9 миллиона кубических метров опресненной воды ежедневно, или 22% мирового объема по состоянию на конец 2021 года.
Поскольку новые технологические инновации продолжают снижать капитальные затраты на опреснение, все больше стран строят опреснительные установки в качестве небольшого элемента решения своих проблем с нехваткой воды . [163]
По данным Международной ассоциации опреснения, по состоянию на 2008 год «13 080 опреснительных установок по всему миру производят более 12 миллиардов галлонов воды в день». [177] По оценкам, проведенным в 2009 году, мировые запасы опресненной воды утроятся в период с 2008 по 2020 год. [178]
Одним из крупнейших в мире центров опреснения является комплекс электрогенерации и водоснабжения Джебель-Али в Объединенных Арабских Эмиратах . Это объект с несколькими заводами, использующими различные технологии опреснения и способный производить 2,2 миллиона кубических метров воды в день. [179]
Типичный авианосец вооруженных сил США использует ядерную энергию для опреснения 400 000 галлонов США (1 500 000 л) воды в день. [180]
Испарение воды над океанами в круговороте воды является естественным процессом опреснения.
В результате образования морского льда образуется лед с небольшим содержанием соли, гораздо меньшим, чем в морской воде.
Морские птицы перегоняют морскую воду, используя противотоковый обмен в железе с сетчаткой мирабиле . Железа выделяет высококонцентрированный солевой раствор , хранящийся возле ноздрей над клювом. Затем птица «вынюхивает» рассол. Поскольку пресная вода обычно недоступна в их среде обитания, некоторые морские птицы, такие как пеликаны , буревестники , альбатросы , чайки и крачки , обладают этой железой, которая позволяет им пить соленую воду из окружающей среды, находясь вдали от суши. [181] [182]
Мангровые деревья растут в морской воде; они выделяют соль, улавливая ее частями корня, которые затем поедаются животными (обычно крабами). Дополнительная соль удаляется путем хранения ее в опадающих листьях. У некоторых видов мангровых зарослей на листьях есть железы, которые действуют аналогично опреснительной железе морских птиц. Соль выделяется на поверхности листа в виде маленьких кристаллов , которые затем опадают с листа.
Ивы и тростник поглощают соль и другие загрязнения, эффективно опресняя воду. Его используют на искусственно созданных водно-болотных угодьях для очистки сточных вод . [183]
Несмотря на проблемы, связанные с процессами опреснения, общественная поддержка его развития может быть очень высокой. [184] [185] Один из опросов сообщества Южной Калифорнии показал, что 71,9% всех респондентов поддерживают развитие опреснительных установок в своем сообществе. [185] Во многих случаях высокий дефицит пресной воды соответствует более высокой общественной поддержке развития опреснения воды, тогда как районы с низким дефицитом воды, как правило, имеют меньшую общественную поддержку для его развития. [185]
Этот проект представляет собой первую в мире волновую энергетическую установку коммерческого масштаба, подключенную к сети и способную производить опресненную воду.
