Опреснение — это процесс удаления соли из морской воды или насыщенных солью подземных вод, чтобы ее можно было использовать для питья, сельского хозяйства и промышленных целей. В настоящее время используется несколько технологий опреснения, но все они требуют большого количества энергии для производства пригодной для использования воды, что делает производство воды очень дорогим.
Первичные методы опреснения
Существует два основных подхода к опреснению: обратный осмос (метод фильтрации) и многоступенчатое мгновенное опреснение (метод дистилляции).
Фильтрация обратного осмоса
Этот метод заключается в проталкивании воды через мембрану с микроскопическими порами, которые достаточно велики, чтобы пропускать молекулы воды, но слишком малы для прохождения частиц соли. В этом процессе есть несколько этапов .
- Предварительная обработка использует различные методы (осаждение, коагуляция и т. д.) для удаления взвешенных твердых частиц, бактерий и любых других форм загрязнения, которые могут засорить мембрану.
- Насосы высокого давления (от 150 фунтов на квадратный дюйм для солоноватой воды с низким содержанием солей до 1000 фунтов на квадратный дюйм для морской воды) нагнетают воду через мембрану, состоящую из композитных полимеров, в центральную сборную трубу.
- Последующая обработка может включать корректировку pH воды и ее дезинфекцию перед сбросом в городское водоснабжение.
Обратный осмос очень эффективно удаляет соли — почти на 100% — но также удаляет из воды другие полезные минералы. Одним из недостатков является то, что пестициды, гербициды и другие токсичные химические вещества могут легко проходить через мембрану, что требует дополнительного процесса очистки для их удаления из воды.
Многоступенчатая мгновенная перегонка
Нагрев соленой воды до точки, где она испаряется в пар, оставляет частицы соли позади, в результате чего получается чистая питьевая вода, когда пар охлаждается и снова конденсируется в жидкую форму. Многоступенчатая мгновенная дистилляция — это технология, используемая для эффективной перегонки соленой воды в больших масштабах. Это тоже многоэтапный процесс.
- Вода нагревается под очень высоким давлением, а затем выпускается в камеру, где давление рассеивается, в результате чего вода мгновенно закипает.
- Теплообменник (охлаждаемый другим источником воды) используется для конденсации испарившегося пара.
- Процесс повторяется снова и снова с оставшейся водой, чтобы восстановить как можно больше.
Этот процесс дистилляции можно повторять до 25 раз (стадий), но в конечном итоге вода становится слишком насыщенной солью и выбрасывается. Чрезвычайно соленые сточные воды также вызывают сильную коррозию металлических компонентов системы, что делает необходимым использование дорогостоящей нержавеющей стали на всех опреснительных установках.
Родственные методы опреснения
Существует множество других типов опреснения, но все они подпадают под одну из двух основных категорий фильтрации или дистилляции. Каждый из них представляет собой попытку улучшить один из основных методов, перечисленных выше, с целью сделать его более эффективным, экономичным и менее энергоемким.
Альтернативные подходы к дистилляции
Многоступенчатая дистилляция
Многоступенчатая дистилляция — это метод низкотемпературной и низкотемпературной дистилляции, при котором соленая вода проходит через несколько камер, каждая из которых удаляет немного больше чистой воды, как в многоэтапном процессе мгновенной дистилляции. Эти установки используют тот факт, что чем ниже давление воды, тем ниже ее температура кипения — таким образом, каждая стадия (или эффект) требует более низкой температуры и, следовательно, меньше энергии для преобразования воды в пар.
Компрессионная дистилляция пара
Многоступенчатая дистилляция часто используется в сочетании с паровой компрессионной дистилляцией — подходом, в котором используются вакуумные насосы для сжатия водяного пара, тем самым повышая его температуру и снижая потребность во внешнем источнике тепла.
Дополнительные альтернативные подходы к фильтрации
Существует несколько альтернатив обратному осмосу , некоторые из которых представляют собой новые и появляющиеся технологии.
- Прямой осмос — это система низкого давления, в которой вода капает через фильтр особого типа, который изменяет молекулярную структуру соли в форму, которую можно удалить с минимальным подводом тепла.
- Углеродные нанотрубки — это подход, в котором используется электрический заряд в каждом из крошечных пор в фильтрующей мембране, который эффективно отталкивает молекулы соли, но позволяет молекулам воды проходить сквозь них.
- Биомиметика также включает в себя электрический заряд мембраны, но поры состоят из белков, имитирующих поры, которые позволяют молекулам воды входить и выходить из живых клеток.
Количество опреснительных установок
Опреснительные установки были впервые разработаны в засушливых прибрежных районах, где есть доступ к морской воде, но мало пресной воды , например, на Ближнем Востоке . Однако по мере роста населения планеты и сокращения источников чистой пресной воды опреснение становится все более и более распространенным явлением — по состоянию на 2010 год на планете было около 14 500 опреснительных установок.
Сложное решение проблемы нехватки воды
Опреснение решает экологическую проблему нехватки пресной воды, но его зависимость от сложной технологии делает его слишком дорогим для широкого использования, за исключением районов с острой нехваткой воды. К сожалению, высококонцентрированная соленая вода, побочный продукт опреснения, сама по себе создает экологическую проблему, когда попадает в окружающую среду.