Дистилляция – один из самых старых способов получения пресной воды из соленой. В настоящее время существует несколько методов, основанных на этом принципе: вскипятить воду, а затем сконденсировать водяной пар, и вот у вас чистейшая жидкость.
В промышленном производстве воды сейчас превалируют два метода: один из них известен довольно давно, это метод многоколонной дистилляции (Multi-effect Distillation, или MED), когда производится кипячение соленой воды в первой колонне и используется тепло образованного пара для нагревания последующих колонн. Метод надежный, но не экономичный.
Более эффективным считается дистилляция мгновенным вскипанием (Multi-stage-flash, или MSF): в этом случае соленую воду испаряют в камерах, где постепенно снижается давление, а значит, и нужна меньшая температура, чтобы довести воду до кипения.
Есть еще два метода, которые являются своего рода развитием первых двух: это мембранная дистилляция (Membrane Distillation, или MD) и компрессионная дистилляция (Mechanical Vapor Compression, или MVC).
У всех этих методов есть один принципиальный недостаток – чтобы превратить воду в пар, нужна огромная энергия.
Дистилляция Солнцем
Вполне логично в южных странах использовать для дистилляции энергию Солнца. При этом можно либо использовать непосредственно тепловую энергию Солнца, либо фотоэлектрические устройства (солнечные батареи) для выработки электроэнергии, которая уже будет использоваться дальше.
Солнечная энергия нагревает воду, она испаряется, конденсируясь на наклонных стенках, и стекает в приемники. Все очень просто, но проблема в том, что у такой системы КПД менее 50%. Конечно, для бедных и пустынных районов это решение, если задача обеспечить водой небольшой поселок.
Это не солнечная батарея, а пленочные солнечные испарители, которые дают достаточно воды для одного дома.
Специалисты ведут научно-исследовательские и конструкторские разработки с целью усилить отдачу от таких систем.
Но воду можно не только дистиллировать – соль можно удалить из воды и другими способами.
Например, можно использовать электродиализ (Electrodialysis, или ED ) – в этом процессе используются две мембраны, одна пропускает только катионы, а другая только анионы, которые разбегаются к мембранам под действием приложенного к ним постоянного тока. Такая система отлично работает в спарке с солнечными батареями и ветрогенераторами.
Для опреснения в южных регионах используют солнечные опреснители, в которых морская мода нагревается и испаряется.
Существует и совершенно противоположный способ, при котором просто замораживают морскую воду, вернее замораживают и отделяют пресную, так как она замерзает быстрее, чем морская.
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
Обратный осмос
Еще один весьма эффективный вид разделения соли и воды – обратный осмос. Прямой осмос – это стремление воды проникнуть через полупроницаемую мембрану туда, где растворено больше веществ. Например, дерево обеспечивает свое питание водой за счет осмоса: в его «теле» в соках растворены сахара, и поэтому вода из грунта стремится попасть через поверхность корней внутрь, создавая избыточное давление, которое и гонит воду наверх.
Морковь наливается соком именно из-за явления осмоса. Наши клетки держат форму из-за того, что вода может войти через их мембраны, а вот сахар выйти наружу – нет. Но если создать давление, которое выше, чем давление осмоса, то начнется обратный процесс – вода будет уходить, а частицы соли или сахара оставаться. Так осуществляется опреснение воды методом обратного осмоса.
Метод обратного осмоса (Reverse Osmosis, или RO) можно иначе описать как использование полупроницаемой мембраны, через которую под давлением пропускают соленую воду, и соль остается с той стороны, с какой подается избыточное давление.
Этот метод сейчас из крупных промышленных методов считается весьма эффективным, и более того – малозатратным. Например, для получения 1 кубометра пресной воды методом MSF нужно затратить в сумме электрической и тепловой энергии от 10 до 13 кВт-час. Метод MVC может потребовать от 9,5 до 17 кВт-час. Если вода солоноватая, например из артезианских источников, то вообще хватает всего 1,0–2,5 кВт-час электроэнергии. Это позволяет использовать для работы маломощные источники электрогенерации. Но в принципе можно вообще отказаться от электричества или кардинально сократить его потребление до мизерных величин.
Как же этого добиться?
Если на суше установку обратного осмоса, которая снижает соленость воды из артезианской скважины, можно легко запитать, например, от ближайшей электростанции, то на пустынных морских берегах это сделать гораздо труднее. В пустынях вообще тяжело вести линии электропередачи, и не только из-за жаркого климата.
А рядом океаны обрушивают на побережье мощные волны, чья энергия расходуется впустую. Маркус Ялайнен из Университета Аалто в Финляндии предложил совершенно новый подход к решению проблемы, а именно использовать сами волны, чтобы они генерировали высокое давление, необходимое для запуска процесса обратного осмоса. Его система состоит из подводного волнового конвертера и береговой установки.
Система AaltoRO может превратить прибрежную пустыню в зеленый сад, не потребив ни киловатта из внешних источников энергии
Конвертер представляет собой поставленную на дне моря пластину размером примерно 25х10 метров. Она шарнирно закреплена в донной части и поэтому начинает при волнении колебаться взад-вперед. Колебания пластины запускают насос, который находится в ее основании, и морская вода под давлением устремляется к мембранным блокам обратного осмоса, где разделяется на сильносоленые отходы опреснения (они сливаются обратно в море) и собственно пресную воду.
Себестоимость получаемой воды на установке производительностью 3700 кубометров пресной воды в сутки составит, по расчетам, около 60 евроцентов за тонну (то есть менее 30 рублей). Одна такая установка сможет обеспечить водой 7500 австралийцев, 21 150 перуанцев, 750 тысяч мозамбикцев. Выбор этих народов неслучаен: именно Австралия, Южная Африка, Южная Америка, запад США, Канарские острова и Магриб – это те места, где есть океаны и пустыни, нуждающиеся в воде, как и люди, которые там живут.
Так же были проекты по транспортировке айсбергов к засушливым берегам, но они оказались слишком затратными при расчетах и экологически опасными – пресная вода в таких объемах убьет океанскую живность. А вот новые технологии, с применением новейших разработок в области тончайших мембран, могут здорово изменить ситуацию с чистой пресной водой в лучшую сторону. И потребность в этих разработках чувствуется не только в жарких странах. Ведь, открывая бутылку чистой воды, скорее всего, вы тоже пьете очищенную обратным осмосом воду.