Опреснение — это процесс, который удаляет минеральные компоненты из соленой воды . В более общем смысле опреснение — это удаление солей и минералов из вещества. [1] Одним из примеров является опреснение почвы . Это важно для сельского хозяйства. Можно опреснять соленую воду, особенно морскую , для получения воды для потребления человеком или орошения. Побочным продуктом процесса опреснения является рассол . [2] Многие морские суда и подводные лодки используют опреснение. Современный интерес к опреснению в основном сосредоточен на экономически эффективном обеспечении пресной водой для использования человеком. Наряду с переработанными сточными водами , это один из немногих водных ресурсов, не зависящих от осадков. [3]
Из-за потребления энергии опреснение морской воды, как правило, обходится дороже, чем пресная вода из поверхностных или грунтовых вод , рециркуляция воды и сохранение воды ; однако эти альтернативы не всегда доступны, а истощение запасов является критической проблемой во всем мире. [4] [5] [6] Процессы опреснения используют либо термические методы (в случае дистилляции ), либо мембранные методы (например, в случае обратного осмоса ). [7] [8] : 24
По оценкам, сделанным в 2018 году, «в более чем 150 странах действуют 18 426 опреснительных установок. Они производят 87 миллионов кубометров чистой воды каждый день и снабжают ею более 300 миллионов человек». [8] : 24 Энергоемкость улучшилась: сейчас она составляет около 3 кВт·ч/м 3 (в 2018 году), что в 10 раз меньше, чем 20–30 кВт·ч/м 3 в 1970 году. [8] : 24 Тем не менее, опреснение составило около 25% энергии, потребляемой водным сектором в 2016 году. [8] : 24
Древнегреческий философ Аристотель в своем труде «Метеорология» заметил , что «соленая вода, превращаясь в пар, становится сладкой, а пар не образует снова соленую воду, когда конденсируется», и что тонкий восковой сосуд будет содержать питьевую воду после достаточно длительного погружения в морскую воду, действуя как мембрана для фильтрации соли. [9]
В то же время опреснение морской воды было зафиксировано в Китае. И « Классика гор и вод морей в период воюющих царств» , и « Теория того же года в Восточной династии Хань» упоминают, что люди обнаружили, что бамбуковые циновки, используемые для пропаривания риса, образуют тонкий внешний слой после длительного использования. Образованная тонкая пленка имела функции адсорбции и ионного обмена , которые могли адсорбировать соль. [10]
Многочисленные примеры экспериментов по опреснению появились в античности и Средние века , [11] но опреснение стало возможным в больших масштабах только в современную эпоху. [12] Хороший пример такого эксперимента — Леонардо да Винчи (Флоренция, 1452), который понял, что дистиллированную воду можно производить дёшево и в больших количествах, приспособив перегонный куб к кухонной плите. [13] В Средние века в других местах Центральной Европы продолжались работы по усовершенствованию дистилляции, хотя и не обязательно направленные на опреснение. [14]
Первая крупная наземная опреснительная установка, возможно, была установлена в чрезвычайных условиях на острове у побережья Туниса в 1560 году. [14] [15] Считается, что гарнизон из 700 испанских солдат был осажден турецкой армией, и что во время осады капитан, отвечавший за осаду, изготовил перегонный куб, способный производить 40 баррелей пресной воды в день, хотя подробности об этом устройстве не сообщаются. [15]
До промышленной революции опреснение было в первую очередь проблемой океанских судов, которым в противном случае необходимо было иметь на борту запасы пресной воды. Сэр Ричард Хокинс (1562–1622), совершивший обширные путешествия в Южных морях , сообщил, что он мог снабжать своих людей пресной водой с помощью судовой дистилляции. [16] Кроме того, в начале 1600-х годов несколько выдающихся деятелей той эпохи, таких как Фрэнсис Бэкон и Уолтер Рэли, опубликовали отчеты об опреснении. [15] [17] Эти и другие отчеты [18] создали климат для первого патентного спора, касающегося опреснительных аппаратов. Два первых патента на опреснение воды были одобрены в 1675 и 1683 годах (патенты № 184 [19] и № 226 [20] , опубликованные Уильямом Уолкотом и Робертом Фицджеральдом (и другими) соответственно). Тем не менее, ни одно из двух изобретений не было введено в эксплуатацию из-за трудностей масштабирования. [14] За 150 лет с середины 1600-х до 1800 года не было внесено никаких существенных улучшений в базовый процесс дистилляции морской воды.
Когда фрегат Protector был продан Дании в 1780-х годах (как корабль Hussaren ), его состояние было изучено и описано в мельчайших подробностях. [21] В Соединенных Штатах Томас Джефферсон каталогизировал методы, основанные на тепле, начиная с 1500-х годов, и сформулировал практические советы, которые были опубликованы для всех американских судов на обратной стороне разрешений на плавание. [22] [23]
Начиная примерно с 1800 года, все начало меняться в результате появления паровой машины и так называемого века пара . [14] Знание термодинамики паровых процессов [24] и потребность в чистом источнике воды для ее использования в котлах [25] оказали положительное влияние на системы дистилляции. Кроме того, распространение европейского колониализма вызвало потребность в пресной воде в отдаленных частях мира, тем самым создав подходящий климат для опреснения воды. [14]
Параллельно с разработкой и усовершенствованием систем, использующих пар ( многокорпусные испарители ), эти типы устройств быстро продемонстрировали свой потенциал опреснения. [14] В 1852 году Альфонс Рене ле Мир де Норманди получил британский патент на вертикальную трубчатую установку для дистилляции морской воды, которая благодаря простоте конструкции и легкости изготовления приобрела популярность для использования на борту судов. [14] Наземные установки не появлялись в значительной степени до второй половины девятнадцатого века. [26] В 1860-х годах армия США закупила три испарителя Normandy, каждый производительностью 7000 галлонов в день, и установила их на островах Ки-Уэст и Драй-Тортугас . [14] [26] [27] Еще одна наземная установка была установлена в Суакине в 1880-х годах, которая обеспечивала пресной водой британские войска. Она состояла из шестикорпусных дистилляторов производительностью 350 тонн в день. [14] [26]
После Второй мировой войны было разработано или усовершенствовано множество технологий, таких как многоэффектное мгновенное опреснение (MEF) и многоступенчатое мгновенное опреснение (MSF). Другая известная технология — опреснение методом замораживания-оттаивания. [28] Опреснение методом замораживания-оттаивания (криоопреснение или FD) исключает растворенные минералы из соленой воды посредством кристаллизации. [29]
Управление соленой воды было создано в Министерстве внутренних дел США в 1955 году в соответствии с Законом о преобразовании соленой воды 1952 года. [5] [30] Этот акт был мотивирован нехваткой воды в Калифорнии и внутренних западных Соединенных Штатах. Министерство внутренних дел выделило ресурсы, включая исследовательские гранты, экспертный персонал, патентные данные и землю для экспериментов для дальнейшего развития. [31]
Результаты этих усилий включали строительство более 200 электродиализных и дистилляционных установок по всему миру, исследования обратного осмоса (ОО) и международное сотрудничество (например, Первый международный симпозиум и выставка по опреснению воды в 1965 году). [32] Управление соленой воды объединилось с Управлением исследований водных ресурсов в 1974 году. [30]
Первый промышленный опреснительный завод в США открылся в Фрипорте, штат Техас, в 1961 году после десятилетия региональной засухи. [5]
К концу 1960-х и началу 1970-х годов RO начал показывать многообещающие результаты по замене традиционных термических опреснительных установок. Исследования проводились в государственных университетах Калифорнии, в компаниях Dow Chemical и DuPont . [33] Многие исследования были сосредоточены на способах оптимизации систем опреснения. [34] [35] Первая коммерческая установка RO, опреснительная установка Coalinga, была открыта в Калифорнии в 1965 году для солоноватой воды . [36] Доктор Сидни Леб совместно с сотрудниками Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе спроектировал большую пилотную установку для сбора данных по RO, но она оказалась достаточно успешной, чтобы обеспечить пресной водой жителей Коалинги. Это стало важной вехой в технологии опреснения, поскольку она доказала осуществимость RO и его преимущества по сравнению с существующими технологиями (эффективность, отсутствие необходимости в изменении фазы, работа при температуре окружающей среды, масштабируемость и простота стандартизации). [37] Несколько лет спустя, в 1975 году, была введена в эксплуатацию первая установка по опреснению морской воды методом обратного осмоса.
По состоянию на 2000 год эксплуатировалось более 2000 установок. Крупнейшие находятся в Саудовской Аравии, Израиле и ОАЭ, а крупнейшая установка с объемом 1 401 000 м3/д находится в Саудовской Аравии (Рас-эль-Хайр). [38]
По состоянию на 2021 год в эксплуатации находилось 22 000 установок [38]. В 2024 году правительство Каталонии установило плавучую морскую установку недалеко от порта Барселоны и закупило 12 мобильных опреснительных установок для северного региона Коста-Брава для борьбы с сильной засухой. [39]
В 2012 году средняя стоимость составила $0,75 за кубический метр. К 2022 году она снизилась (до инфляции) до $0,41. Поставки опресненной воды растут на 10%+ в комплексе, удваиваясь каждые семь лет. [40]
В настоящее время в мире действует около 21 000 опреснительных установок. Самые крупные из них находятся в Объединенных Арабских Эмиратах , Саудовской Аравии и Израиле. Самая большая в мире опреснительная установка находится в Саудовской Аравии ( Ras Al-Khair Power and Desalination Plant ) с производительностью 1 401 000 кубических метров в день. [41]
Опреснение в настоящее время является дорогостоящим по сравнению с большинством альтернативных источников воды, и только очень малая часть общего потребления человеком удовлетворяется опреснением. [42] Обычно это экономически целесообразно только для высокоценных целей (таких как бытовые и промышленные цели) в засушливых районах. Тем не менее, наблюдается рост опреснения для сельскохозяйственных целей и густонаселенных районов, таких как Сингапур [43] или Калифорния. [44] [45] Наиболее широкое использование происходит в Персидском заливе . [46]
Отмечая снижение затрат и в целом позитивно оценивая технологию для богатых районов вблизи океанов, в исследовании 2005 года утверждалось: «Опресненная вода может быть решением для некоторых регионов с дефицитом воды, но не для бедных мест, расположенных глубоко в глубине континента или на большой высоте. К сожалению, это касается некоторых мест с самыми большими проблемами с водой», и «Действительно, нужно поднять воду на 2000 м или перевезти ее на расстояние более 1600 км, чтобы транспортные расходы были равны расходам на опреснение». [47]
Таким образом, может быть более экономично транспортировать пресную воду из другого места, чем опреснять ее. В местах, удаленных от моря, таких как Нью-Дели, или в высоких местах, таких как Мехико , транспортные расходы могут соответствовать расходам на опреснение. Опресненная вода также стоит дорого в местах, которые находятся как довольно далеко от моря, так и довольно высоко, таких как Эр-Рияд и Хараре . Напротив, в других местах транспортные расходы намного меньше, таких как Пекин, Бангкок , Сарагоса , Финикс и, конечно же, прибрежные города, такие как Триполи . [48] После опреснения в Джубайле , Саудовская Аравия, вода перекачивается на 320 км вглубь страны в Эр-Рияд . [49] Для прибрежных городов опреснение все чаще рассматривается как конкурентоспособный выбор.
В 2023 году Израиль использовал опреснение для пополнения запасов воды в Галилейском море . [50]
Не все убеждены, что опреснение является или будет экономически выгодным или экологически устойчивым в обозримом будущем. Дебби Кук писала в 2011 году, что опреснительные установки могут быть энергоемкими и дорогостоящими. Поэтому регионы с дефицитом воды могли бы лучше сосредоточиться на сохранении или других решениях по водоснабжению, чем инвестировать в опреснительные установки. [51]
Опреснение — это искусственный процесс, посредством которого соленая вода (обычно морская ) преобразуется в пресную воду. Наиболее распространенными процессами опреснения являются дистилляция и обратный осмос . [52]
Существует несколько методов. [53] Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки, но все они полезны. Методы можно разделить на мембранные (например, обратный осмос ) и термические (например, многоступенчатая флэш-дистилляция ). [2] Традиционный процесс опреснения — это дистилляция (т. е. кипячение и повторная конденсация морской воды , чтобы оставить соль и примеси). [54]
В настоящее время подавляющее большинство мировых мощностей по опреснению воды обеспечивают две технологии: многоступенчатая флэш-дистилляция и обратный осмос .
Солнечная дистилляция имитирует естественный водный цикл, в котором солнце нагревает морскую воду достаточно для испарения. [55] После испарения водяной пар конденсируется на прохладной поверхности. [55] Существует два типа солнечного опреснения. Первый тип использует фотоэлектрические элементы для преобразования солнечной энергии в электрическую энергию для опреснения. Второй тип преобразует солнечную энергию в тепло и известен как опреснение с помощью солнечной тепловой энергии.
Вода может испаряться посредством нескольких других физических эффектов, помимо солнечного излучения . Эти эффекты были включены в многопрофильную методологию опреснения в теплице IBTS . IBTS представляет собой промышленную опреснительную (электро)установку с одной стороны и теплицу, работающую с естественным водным циклом (уменьшенную в масштабе 1:10) с другой стороны. Различные процессы испарения и конденсации размещаются в низкотехнологичных коммунальных службах, частично под землей и в архитектурной форме самого здания. Эта интегрированная биотектурная система наиболее подходит для крупномасштабного озеленения пустыни , поскольку она имеет площадь км 2 для дистилляции воды и то же самое для преобразования ландшафта в озеленении пустыни, соответственно, регенерации естественных циклов пресной воды. [ необходима цитата ]
При вакуумной дистилляции атмосферное давление снижается, тем самым снижая температуру, необходимую для испарения воды. Жидкости кипят, когда давление пара равно давлению окружающей среды, а давление пара увеличивается с температурой. Фактически, жидкости кипят при более низкой температуре, когда давление окружающей среды меньше обычного атмосферного давления. Таким образом, из-за пониженного давления может использоваться низкотемпературное «отходящее» тепло от выработки электроэнергии или промышленных процессов.
Вода испаряется и отделяется от морской воды посредством многоступенчатой флэш-дистилляции , которая представляет собой серию флэш-испарений . [55] Каждый последующий флэш-процесс использует энергию, выделяемую при конденсации водяного пара с предыдущего шага. [55]
Многоэффектная дистилляция (MED) работает через ряд шагов, называемых «эффектами». [55] Поступающая вода распыляется на трубы, которые затем нагреваются для получения пара. Затем пар используется для нагрева следующей партии поступающей морской воды. [55] Для повышения эффективности пар, используемый для нагрева морской воды, может быть взят с близлежащих электростанций. [55] Хотя этот метод является наиболее термодинамически эффективным среди методов, работающих на тепле, [56] существуют некоторые ограничения, такие как максимальная температура и максимальное количество эффектов. [57]
Парокомпрессионное испарение подразумевает использование либо механического компрессора, либо струйного потока для сжатия пара, находящегося над жидкостью. [56] Сжатый пар затем используется для обеспечения тепла, необходимого для испарения остальной части морской воды. [55] Поскольку эта система требует только электроэнергии, она более рентабельна, если ее использовать в небольших масштабах. [55]
Системы опреснения с использованием энергии волн обычно преобразуют механическое движение волн непосредственно в гидравлическую энергию для обратного осмоса. [58] Такие системы направлены на максимизацию эффективности и снижение затрат за счет избегания преобразования в электричество, минимизации избыточного давления выше осмотического давления и внедрения инноваций в гидравлические и волновые компоненты энергии. [59] Одним из таких примеров является CETO , технология энергии волн , которая опресняет морскую воду с помощью подводных буев. [60] Опреснительные установки с использованием энергии волн начали работать на острове Гарден в Западной Австралии в 2013 году [61] и в Перте в 2015 году [62].
Мембранная дистилляция использует разницу температур на мембране для испарения пара из соляного раствора и конденсации чистой воды на более холодной стороне. [63] Конструкция мембраны может иметь значительное влияние на эффективность и долговечность. Исследование показало, что мембрана, созданная с помощью коаксиального электропрядения PVDF - HFP и аэрогеля кремния, способна отфильтровывать 99,99% соли после непрерывного 30-дневного использования. [64]
Ведущим процессом опреснения с точки зрения установленной мощности и годового прироста является обратный осмос (RO). [66] Мембранные процессы RO используют полупроницаемые мембраны и приложенное давление (со стороны подачи мембраны), чтобы преимущественно вызывать просачивание воды через мембрану, отбрасывая соли. Мембранные системы установок обратного осмоса обычно потребляют меньше энергии, чем процессы термического опреснения. [56] 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 у традиционных источников воды, но ожидается, что затраты будут продолжать снижаться с усовершенствованиями технологий, которые включают, помимо прочего, повышение эффективности, [67] сокращение площади установки, улучшение работы и оптимизации установки, более эффективную предварительную обработку подачи и более дешевые источники энергии. [68]
Обратный осмос использует тонкопленочную композитную мембрану, которая состоит из ультратонкой ароматической полиамидной тонкой пленки. Эта полиамидная пленка придает мембране ее транспортные свойства, тогда как остальная часть тонкопленочной композитной мембраны обеспечивает механическую поддержку. Полиамидная пленка представляет собой плотный, не содержащий пустот полимер с большой площадью поверхности, что обеспечивает ее высокую водопроницаемость. [69] Недавнее исследование показало, что водопроницаемость в первую очередь регулируется внутренним наномасштабным распределением массы активного слоя полиамида. [70]
Процесс обратного осмоса требует обслуживания. Эффективности мешают различные факторы: ионное загрязнение (кальций, магний и т. д.); растворенный органический углерод (РОУ); бактерии; вирусы; коллоиды и нерастворимые частицы; биообрастание и образование накипи . В крайних случаях мембраны RO разрушаются. Для смягчения ущерба вводятся различные этапы предварительной обработки. Ингибиторы образования накипи включают кислоты и другие агенты, такие как органические полимеры полиакриламид и полималеиновая кислота, фосфонаты и полифосфаты . Ингибиторы образования накипи — это биоциды (как окислители против бактерий и вирусов), такие как хлор, озон, гипохлорит натрия или кальция. Через регулярные промежутки времени, в зависимости от загрязнения мембраны; изменяющихся условий морской воды; или по требованию процессов мониторинга, мембраны необходимо очищать, что называется аварийной или ударной промывкой. Промывка выполняется ингибиторами в растворе пресной воды, и система должна быть отключена. Эта процедура является экологически рискованной, поскольку загрязненная вода сбрасывается в океан без обработки. Чувствительные морские среды обитания могут быть необратимо повреждены. [71] [72]
Автономные опреснительные установки на солнечных батареях используют солнечную энергию для заполнения буферной емкости на холме морской водой. [73] Процесс обратного осмоса обеспечивает подачу морской воды 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. [74] [75] [76] Нанотрубки также используются для той же функции (т. е. обратного осмоса).
Прямой осмос использует полупроницаемую мембрану для отделения воды от растворенных веществ. Движущей силой этого разделения является градиент осмотического давления, например, «вытягивающий» раствор высокой концентрации. [2]
Опреснение методом замораживания-оттаивания (или опреснение замораживанием) использует замораживание для удаления пресной воды из соленой воды. Соленая вода распыляется в условиях замерзания в площадку, где образуется ледяная куча. Когда сезонные условия теплые, естественно опресненная талая вода извлекается. Этот метод основан на длительных периодах естественных условий ниже точки замерзания. [77]
Другой метод замораживания-оттаивания, не зависящий от погоды и изобретенный Александром Зарчиным , замораживает морскую воду в вакууме. В условиях вакуума лед, опресненный, тает и направляется для сбора, а соль собирается.
Электродиализ использует электрический потенциал для перемещения солей через пары заряженных мембран, которые задерживают соль в чередующихся каналах. [78] Существует несколько разновидностей электродиализа, таких как обычный электродиализ , реверсивный электродиализ . [2]
Электродиализ может одновременно удалять соль и углекислоту из морской воды. [79] 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. [80]
Микробные опреснительные ячейки представляют собой биологические электрохимические системы, которые реализуют использование электроактивных бактерий для опреснения воды на месте , используя естественный анодный и катодный градиент электроактивных бактерий и, таким образом, создавая внутренний суперконденсатор . [4]
Потребление энергии в процессе опреснения зависит от солености воды. Опреснение солоноватой воды требует меньше энергии, чем опреснение морской воды . [81]
Энергоемкость опреснения морской воды улучшилась: сейчас она составляет около 3 кВт·ч/м 3 (в 2018 году), что в 10 раз меньше, чем 20–30 кВт·ч/м 3 в 1970 году. [8] : 24 Это похоже на потребление энергии другими источниками пресной воды, транспортируемыми на большие расстояния, [82] но намного выше, чем местные источники пресной воды , которые используют 0,2 кВт·ч/м 3 или меньше. [83]
Минимальное потребление энергии для опреснения морской воды было определено около 1 кВт·ч/м 3 [81] [84] [85] без учета предварительной фильтрации и забора/откачки. Менее 2 кВт·ч/м 3 [86] было достигнуто с помощью технологии мембраны обратного осмоса , что оставляет ограниченные возможности для дальнейшего сокращения энергии, поскольку потребление энергии обратным осмосом в 1970-х годах составляло 16 кВт·ч/м 3 . [81]
Обеспечение всей бытовой воды в США путем опреснения увеличит внутреннее потребление энергии примерно на 10%, что примерно равно количеству энергии, потребляемому бытовыми холодильниками. [87] Внутреннее потребление составляет относительно небольшую долю от общего потребления воды. [88]
Примечание: «Электрический эквивалент» относится к количеству электроэнергии, которое может быть произведено с использованием заданного количества тепловой энергии и соответствующего турбогенератора. Эти расчеты не включают энергию, необходимую для строительства или восстановления потребляемых предметов.
Учитывая энергоемкость процесса опреснения и связанные с этим экономические и экологические издержки, опреснение обычно считается последним средством после сохранения воды . Но это меняется, поскольку цены продолжают падать.
Когенерация — это производство избыточного тепла и электроэнергии из одного процесса. Когенерация может обеспечить полезное тепло для опреснения в интегрированном или «двойном» объекте, где электростанция обеспечивает энергию для опреснения. В качестве альтернативы, производство энергии объектом может быть направлено на производство питьевой воды (автономный объект), или избыточная энергия может быть произведена и включена в энергетическую сеть. Когенерация принимает различные формы, и теоретически может использоваться любая форма производства энергии. Однако большинство существующих и планируемых когенерационных опреснительных установок используют в качестве источника энергии либо ископаемое топливо , либо ядерную энергию . Большинство установок расположены на Ближнем Востоке или в Северной Африке, которые используют свои нефтяные ресурсы для компенсации ограниченных водных ресурсов. Преимущество объектов двойного назначения заключается в том, что они могут быть более эффективными в потреблении энергии, что делает опреснение более жизнеспособным. [90] [91]
Текущая тенденция в установках двойного назначения — это гибридные конфигурации, в которых пермеат от опреснения обратным осмосом смешивается с дистиллятом от термического опреснения. По сути, два или более процесса опреснения объединяются вместе с производством электроэнергии. Такие установки были реализованы в Саудовской Аравии в Джидде и Янбу . [92]
Типичный суперавианосец в армии США способен использовать ядерную энергию для опреснения 1 500 000 л (330 000 имп галлонов; 400 000 галлонов США) воды в день. [93]
Повышение водосбережения и эффективности остается наиболее экономически эффективным подходом в областях с большим потенциалом для повышения эффективности водопользования. [94] Очистка сточных вод обеспечивает множество преимуществ по сравнению с опреснением соленой воды, [95] хотя обычно она использует опреснительные мембраны. [96] Городские стоки и захват ливневых вод также обеспечивают преимущества в очистке, восстановлении и подзарядке грунтовых вод. [97]
Предлагаемой альтернативой опреснению на американском Юго-Западе является коммерческий импорт воды из богатых водой районов либо нефтяными танкерами, переоборудованными в водовозы, либо по трубопроводам. Эта идея политически непопулярна в Канаде, где правительства ввели торговые барьеры для экспорта воды в больших объемах в результате заявления о Североамериканском соглашении о свободной торговле (НАФТА). [98]
Департамент водных ресурсов Калифорнии и Совет по контролю за водными ресурсами штата Калифорния представили отчет законодательному собранию штата, в котором рекомендовали городским поставщикам воды достичь стандарта эффективности использования воды в помещениях в размере 55 галлонов США (210 литров) на душу населения в день к 2023 году, снизив его до 47 галлонов США (180 литров) в день к 2025 году и до 42 галлонов США (160 литров) к 2030 году и далее. [99] [100] [101]
Факторы, определяющие стоимость опреснения, включают мощность и тип объекта, местоположение, питательную воду, рабочую силу, энергию, финансирование и утилизацию концентрата. Стоимость опреснения морской воды (инфраструктура, энергия и обслуживание) обычно выше, чем пресной воды из рек или грунтовых вод , рециркуляции воды и сохранения воды , но альтернативы не всегда доступны. Стоимость опреснения в 2013 году варьировалась от 0,45 до 1,00 долл. США/м 3 . Более половины стоимости напрямую связана со стоимостью энергии, и поскольку цены на энергию очень нестабильны, фактические затраты могут существенно различаться. [102]
Стоимость неочищенной пресной воды в развивающихся странах может достигать 5 долларов США за кубический метр. [103]
Опреснительные установки контролируют давление, температуру и концентрацию рассола для оптимизации эффективности. Опреснение с помощью атомной энергии может быть экономичным в больших масштабах. [108] [109]
В 2014 году израильские предприятия в Хадере, Пальмахиме, Ашкелоне и Сореке опресняли воду менее чем за 0,40 долл. США за кубический метр. [110] По состоянию на 2006 год Сингапур опреснял воду по цене 0,49 долл. США за кубический метр. [111]
В Соединенных Штатах 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. Согласно EPA, водозаборные сооружения оказывают неблагоприятное воздействие на окружающую среду, засасывая рыбу и моллюсков или их икру в промышленную систему. Там организмы могут погибнуть или быть ранены под воздействием тепла, физического стресса или химикатов. Более крупные организмы могут погибнуть или быть ранены, когда они попадают в ловушку напротив экранов в передней части водозаборной конструкции. [112] Альтернативные типы водозаборов, которые смягчают эти воздействия, включают пляжные колодцы, но они требуют больше энергии и более высоких затрат. [113]
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 достаточно медленно, чтобы позволить рыбе сбежать. Установка обеспечивает почти 140 000 м 3 (4 900 000 куб. футов) чистой воды в день. [114]
Процессы опреснения производят большое количество рассола , возможно, при температуре выше температуры окружающей среды, и содержат остатки предварительной обработки и чистящих химикатов, побочные продукты их реакции и тяжелые металлы из-за коррозии (особенно на термических установках). [115] [116] Химическая предварительная обработка и очистка являются необходимостью для большинства опреснительных установок, которые обычно включают предотвращение биообрастания, образования накипи, вспенивания и коррозии на термических установках, а также биообрастания, взвешенных твердых частиц и отложений накипи на мембранных установках. [117]
Чтобы ограничить воздействие на окружающую среду при возврате рассола в океан, его можно разбавить другим потоком воды, поступающим в океан, например, стоком с очистных сооружений или электростанции. В случае средних и крупных электростанций и опреснительных установок поток охлаждающей воды электростанции, вероятно, будет в несколько раз больше, чем у опреснительной установки, что снижает соленость комбинации. Другой метод разбавления рассола — смешивание его с помощью диффузора в зоне смешивания. Например, как только трубопровод, содержащий рассол, достигает морского дна, он может разделиться на множество ветвей, каждая из которых постепенно выпускает рассол через небольшие отверстия по всей своей длине. Смешивание можно сочетать с разбавлением электростанции или станции очистки сточных вод. Кроме того, для обработки рассола перед утилизацией могут быть приняты системы нулевого сброса жидкости. [115] [118]
Другая возможность — сделать опреснительную установку мобильной, избежав тем самым скопления рассола в одном месте (поскольку он постоянно производится опреснительной установкой). Были построены некоторые такие мобильные (присоединенные к судну) опреснительные установки. [119] [120]
Рассол плотнее морской воды и поэтому опускается на дно океана и может повредить экосистему. Было замечено, что шлейфы рассола со временем уменьшаются до разбавленной концентрации, где практически не оказывалось никакого влияния на окружающую среду. Однако исследования показали, что разбавление может вводить в заблуждение из-за глубины, на которой оно произошло. Если разбавление наблюдалось в летний сезон, есть вероятность, что могло произойти сезонное термоклинное событие, которое могло помешать концентрированному рассолу опуститься на морское дно. Это может не нарушить экосистему морского дна, а вместо этого нарушить воды над ней. Было замечено, что рассеивание рассола с опреснительных установок распространяется на несколько километров, что означает, что оно может нанести вред экосистемам, находящимся далеко от установок. Осторожная реинтродукция с соответствующими мерами и экологическими исследованиями может свести эту проблему к минимуму. [121] [122]
Ожидается, что спрос на энергию для опреснения на Ближнем Востоке, вызванный острой нехваткой воды , к 2030 году удвоится. В настоящее время этот процесс в основном использует ископаемое топливо , составляющее более 95% его источника энергии. В 2023 году опреснение потребляло почти половину энергии жилого сектора в регионе. [123]
Из-за характера процесса необходимо разместить заводы на участке земли площадью около 25 акров на берегу или вблизи него. [124] В случае строительства завода на суше трубы должны быть проложены в земле, чтобы обеспечить легкий забор и отвод воды. [124] Однако после того, как трубы проложены в земле, существует вероятность утечки и загрязнения близлежащих водоносных горизонтов. [124] Помимо экологических рисков, шум, создаваемый некоторыми типами опреснительных установок, может быть громким. [124]
Опреснение удаляет йод из воды и может увеличить риск расстройств, связанных с дефицитом йода . Израильские исследователи заявили о возможной связи между опреснением морской воды и дефицитом йода, [125] обнаружив дефицит йода среди взрослых, подвергавшихся воздействию воды с низким содержанием йода [126] одновременно с увеличением доли питьевой воды в их районе, полученной путем обратного осмоса морской воды (SWRO). [127] Позже они обнаружили вероятные расстройства, связанные с дефицитом йода, у населения, зависящего от опресненной морской воды. [128] Израильские исследователи предположили возможную связь между интенсивным использованием опресненной воды и национальным дефицитом йода. [129] Они обнаружили высокое бремя дефицита йода среди населения Израиля в целом: 62% детей школьного возраста и 85% беременных женщин не достигают диапазона адекватности ВОЗ. [130] Они также указали на национальную зависимость от опресненной воды с низким содержанием йода, отсутствие всеобщей программы йодирования соли и сообщения о возросшем использовании лекарств для щитовидной железы в Израиле как на возможные причины низкого потребления йода населением. [131] В год проведения опроса количество воды, произведенной на опреснительных установках, составило около 50% от количества пресной воды, поставляемой для всех нужд, и около 80% от воды, поставляемой для бытовых и промышленных нужд в Израиле. [132]
Другие методы опреснения включают в себя:
Технологии опреснения с использованием термического привода часто предлагаются для использования с низкотемпературными источниками отработанного тепла , поскольку низкие температуры не полезны для технологического тепла, необходимого во многих промышленных процессах, но идеально подходят для более низких температур, необходимых для опреснения. [56] Фактически, такое сочетание с отработанным теплом может даже улучшить электрический процесс: дизельные генераторы обычно обеспечивают электроэнергией отдаленные районы. Около 40–50% вырабатываемой энергии — это низкопотенциальное тепло, которое покидает двигатель через выхлопные газы. Подключение технологии термического опреснения, такой как система мембранной дистилляции, к выхлопным газам дизельного двигателя повторно использует это низкопотенциальное тепло для опреснения. Система активно охлаждает дизельный генератор , повышая его эффективность и увеличивая его выработку электроэнергии. Это приводит к энергетически нейтральному решению для опреснения. Пример завода был введен в эксплуатацию голландской компанией Aquaver в марте 2014 года для Гули , Мальдивы. [133] [134]
Первоначально возникшее из исследований преобразования тепловой энергии океана , низкотемпературное термическое опреснение (LTTD) использует преимущество кипения воды при низком давлении, даже при температуре окружающей среды . Система использует 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. Холодная океанская вода подается с глубины до 600 м (2000 футов). Эта вода прокачивается через змеевики для конденсации водяного пара. Полученный конденсат представляет собой очищенную воду. LTTD может использовать температурный градиент, доступный на электростанциях, где большие объемы теплых сточных вод сбрасываются с завода, что снижает потребление энергии, необходимое для создания температурного градиента. [135]
Эксперименты проводились в США и Японии для проверки подхода. В Японии система распылительно-вспышечного испарения была испытана Университетом Сага. [136] На Гавайях Национальная энергетическая лаборатория протестировала установку OTEC открытого цикла с пресной водой и производством электроэнергии, используя разницу температур 20 °C (36 °F) между поверхностной водой и водой на глубине около 500 м (1600 футов). LTTD изучался Национальным институтом океанических технологий Индии (NIOT) в 2004 году. Их первая установка LTTD открылась в 2005 году в Каваратти на островах Лакшадвип . Мощность установки составляет 100 000 л (22 000 имп галлонов; 26 000 галлонов США)/день, при капитальных затратах в 50 миллионов индийских рупий (922 000 евро). Завод использует глубинную воду при температуре от 10 до 12 °C (от 50 до 54 °F). [137] В 2007 году NIOT открыл экспериментальную плавучую установку LTTD у побережья Ченнаи , производительностью 1 000 000 л (220 000 имп галлонов; 260 000 галлонов США)/день. Меньшая установка была установлена в 2009 году на тепловой электростанции Северного Ченнаи, чтобы доказать применение LTTD там, где доступна охлаждающая вода электростанции. [135] [138] [139]
В октябре 2009 года компания Saltworks Technologies объявила о процессе, который использует солнечное или другое тепло для создания ионного тока, который удаляет все ионы натрия и хлора из воды с помощью ионообменных мембран. [140]
В теплице Seawater используются естественные процессы испарения и конденсации внутри теплицы, работающей на солнечной энергии, для выращивания сельскохозяйственных культур в засушливых прибрежных районах.
В 2022 году, используя технику, которая использовала несколько стадий поляризации концентрации ионов с последующей одной стадией электродиализа , исследователям из Массачусетского технологического института удалось создать портативную опреснительную установку без фильтра, способную удалять как растворенные соли, так и взвешенные твердые частицы . [141] Разработанный для использования неспециалистами в отдаленных районах или при стихийных бедствиях , а также во время военных операций, прототип имеет размер чемодана, размеры 42 × 33,5 × 19 см3 и вес 9,25 кг. [141] Процесс полностью автоматизирован, уведомляя пользователя, когда вода безопасна для питья, и может управляться одной кнопкой или приложением для смартфона. Поскольку для этого не требуется насос высокого давления, процесс является высокоэнергоэффективным, потребляя всего 20 ватт-часов на литр произведенной питьевой воды, что позволяет использовать его от обычных портативных солнечных панелей . Использование конструкции без фильтра при низком давлении или сменных фильтров значительно снижает требования к техническому обслуживанию, в то время как само устройство является самоочищающимся. [142] Однако устройство ограничено производительностью 0,33 литра питьевой воды в минуту. [141] Также существуют опасения, что загрязнение повлияет на долгосрочную надежность, особенно в воде с высокой мутностью . Исследователи работают над повышением эффективности и производительности с целью коммерциализации продукта в будущем, однако существенным ограничением является зависимость от дорогих материалов в текущей конструкции. [142]
Опреснение на основе адсорбции (AD) основано на свойствах поглощения влаги определенными материалами, такими как силикагель. [143]
Один из процессов был запущен в коммерческую эксплуатацию компанией Modern Water PLC с использованием прямого осмоса , при этом сообщалось о ряде работающих установок. [144] [145] [146]
Идея метода заключается в том, что при контакте гидрогеля с водным раствором соли он набухает, поглощая раствор с ионным составом, отличным от исходного. Этот раствор можно легко выдавить из 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 количества ионов. Последствия сжатия и набухания в условиях открытой и закрытой системы имитируют обратный цикл Карно холодильной машины. Единственное отличие состоит в том, что вместо тепла этот цикл переносит ионы соли из объема с низкой соленостью в объем с высокой соленостью. Подобно циклу Карно этот цикл полностью обратим, поэтому в принципе может работать с идеальной термодинамической эффективностью. Поскольку метод свободен от использования осмотических мембран, он может конкурировать с методом обратного осмоса. Кроме того, в отличие от обратного осмоса, этот подход не чувствителен к качеству исходной воды и ее сезонным изменениям и позволяет производить воду любой желаемой концентрации. [147]
Соединенные Штаты, Франция и Объединенные Арабские Эмираты работают над разработкой практического солнечного опреснения . [148] WaterStillar от AquaDania был установлен в Дахабе, Египет, и в Плайя-дель-Кармен, Мексика. При таком подходе солнечный тепловой коллектор размером два квадратных метра может перегонять от 40 до 60 литров в день из любого местного источника воды — в пять раз больше, чем обычные дистилляторы. Это устраняет необходимость в пластиковых бутылках из ПЭТ или энергоемкой транспортировке воды. [149] В Центральной Калифорнии стартап-компания WaterFX разрабатывает метод опреснения на солнечной энергии, который может позволить использовать местную воду, включая сточную воду, которую можно очищать и использовать повторно. Соленые грунтовые воды в регионе будут очищаться, чтобы стать пресной водой, а в районах, близких к океану, можно будет очищать морскую воду. [150]
Процесс Пассарелла использует пониженное атмосферное давление, а не тепло для испарительного опреснения. Чистый водяной пар, полученный в результате дистилляции, затем сжимается и конденсируется с помощью усовершенствованного 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 демистер (удаляя остаточные примеси), заставляя его сжиматься по трубкам в сборной камере. Сжатие пара повышает его температуру. Тепло передается входящей воде, падающей в трубки, испаряя воду в трубках. Водяной пар конденсируется на внешней стороне трубок в качестве готовой воды. Объединяя несколько физических процессов, Пассарелл позволяет рециркулировать большую часть энергии системы через ее испарение, удаление тумана, компрессию пара, конденсацию и процессы перемещения воды. [151]
Геотермальная энергия может способствовать опреснению. В большинстве мест геотермальное опреснение превосходит использование дефицитных грунтовых или поверхностных вод, как с экологической, так и с экономической точки зрения. [ необходима цитата ]
Мембраны из нанотрубок с более высокой проницаемостью, чем мембраны текущего поколения, могут привести к возможному сокращению площади опреснительных установок RO. Также было высказано предположение, что использование таких мембран приведет к сокращению энергии, необходимой для опреснения. [152]
Герметичные сульфированные нанокомпозитные мембраны продемонстрировали способность удалять различные загрязняющие вещества на уровне частей на миллиард и практически невосприимчивы к высоким концентрациям соли. [153] [154] [155]
Другой подход – биомиметические мембраны . [156]
В 2008 году Siemens Water Technologies объявила о технологии, которая применяет электрические поля для опреснения одного кубического метра воды, используя при этом всего 1,5 кВт·ч энергии. Если быть точным, этот процесс потреблял бы половину энергии других процессов. [157] По состоянию на 2012 год демонстрационная установка работала в Сингапуре. [158] Исследователи из Техасского университета в Остине и Марбургского университета разрабатывают более эффективные методы электрохимического опреснения морской воды. [159]
Процесс, использующий электрокинетические ударные волны, может быть использован для достижения безмембранного опреснения при температуре и давлении окружающей среды. [160] В этом процессе анионы и катионы в соленой воде обмениваются на анионы карбоната и катионы кальция, соответственно, с использованием электрокинетических ударных волн. Ионы кальция и карбоната реагируют, образуя карбонат кальция , который выпадает в осадок, оставляя пресную воду. Теоретическая энергетическая эффективность этого метода находится на одном уровне с электродиализом и обратным осмосом .
Экстракция растворителем при переменных температурах (TSSE) использует растворитель вместо мембраны или высоких температур.
Экстракция растворителем является распространенной техникой в химической инженерии . Она может быть активирована низкопотенциальным теплом (менее 70 °C (158 °F), что может не требовать активного нагрева. В исследовании TSSE удалил до 98,4 процента соли в рассоле. [161] Растворитель, растворимость которого меняется в зависимости от температуры, добавляется в соленую воду. При комнатной температуре растворитель оттягивает молекулы воды от соли. Затем насыщенный водой растворитель нагревается, заставляя растворитель высвобождать теперь уже свободную от соли воду. [162]
Он может опреснять чрезвычайно соленый рассол, который в семь раз соленее океана. Для сравнения, нынешние методы могут обрабатывать только рассол, который в два раза соленее.
Небольшая морская система использует энергию волн для опреснения 30–50 м 3 /день. Система работает без внешнего источника питания и построена из переработанных пластиковых бутылок. [163]
Trade Arabia утверждает, что Саудовская Аравия производит 7,9 млн кубометров опресненной воды ежедневно, или 22% от общемирового объема по состоянию на конец 2021 года. [164]
Поскольку новые технологические инновации продолжают снижать капитальные затраты на опреснение, все больше стран строят опреснительные установки как небольшой элемент решения своих проблем нехватки воды . [172]
По состоянию на 2008 год «по всему миру 13 080 опреснительных установок производят более 12 миллиардов галлонов воды в день, согласно данным Международной ассоциации по опреснению». [186] Согласно оценкам 2009 года, мировые поставки опресненной воды утроятся в период с 2008 по 2020 год. [187]
Одним из крупнейших в мире центров опреснения является комплекс по производству электроэнергии и воды Jebel Ali в Объединенных Арабских Эмиратах . Это площадка, на которой расположено несколько установок, использующих различные технологии опреснения, и которая способна производить 2,2 миллиона кубических метров воды в день. [188]
Типичный авианосец в вооруженных силах США использует ядерную энергию для опреснения 400 000 галлонов США (1 500 000 л) воды в день. [189]
Испарение воды над океанами в ходе круговорота воды в природе представляет собой естественный процесс опреснения.
Образование морского льда приводит к образованию льда с низким содержанием соли, значительно меньшим, чем в морской воде.
Морские птицы перегоняют морскую воду, используя противоточный обмен в железе с rete mirabile . Железа выделяет высококонцентрированный рассол, хранящийся около ноздрей над клювом. Затем птица «чихает» рассолом. 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 своей среды обитания, пока они находятся далеко от суши. [190] [191]
Мангровые деревья растут в морской воде; они выделяют соль, задерживая ее в частях корня, которые затем поедаются животными (обычно крабами). Дополнительная соль удаляется путем хранения ее в листьях, которые опадают. У некоторых видов мангровых деревьев на листьях есть железы, которые работают аналогично опреснительной железе морских птиц. Соль извлекается на внешнюю поверхность листа в виде мелких кристаллов , которые затем опадают с листа.
Ивы и тростник поглощают соль и другие загрязняющие вещества, эффективно опресняя воду. Это используется в искусственных водно-болотных угодьях для очистки сточных вод . [192]
Несмотря на проблемы, связанные с процессами опреснения, общественная поддержка его развития может быть очень высокой. [193] [194] В ходе одного опроса в сообществе Южной Калифорнии 71,9% всех респондентов высказались в поддержку развития опреснительных установок в своем сообществе. [194] Во многих случаях высокий дефицит пресной воды соответствует более высокой общественной поддержке развития опреснения, тогда как районы с низким дефицитом воды, как правило, имеют меньшую общественную поддержку его развития. [194]
проект является первым в мире массивом волновой энергии коммерческого масштаба, который подключен к сети и способен производить опресненную воду.
