Як зробити з морської води прісну 2
Найбільш цінною складовою частиною морської води є прісна вода. Брак прісної води все більше відчувається навіть у таких країнах, як Сполучені Штати, де з щорічним рівнем опадів справа йде зовсім непогано. У багатьох областях Сполучених Штатів потреба в прісній воді для побутових потреб, сільського господарства і промисловості перевищує її наявні запаси. У таких країнах, як Ізраїль або Кувейт, де рівень опадів дуже низький, запаси прісної води абсолютно не відповідають потребам в ній, які; зростають в зв'язку з модернізацією господарства і приростом населення. Зрештою все людство опиниться перед необхідністю розглядати океани як джерело води.
Існує безліч способів опріснення води, і на основі будь-якого з них можуть бути побудовані великі виробничі підприємства. Проблема полягає в тому, щоб проводити опріснення з мінімальною затратою енергії і мінімальними витратами на обладнання. Ця вимога важливо тому, що держава, яка змушена в більшій мірі покладатися на опріснену воду, повинне витримувати економічну конкуренцію з іншими державами, які мали більш рясними і дешевими джерелами прісної води. Така невелика країна, як Кувейт, розташована на березі Перської затоки і майже не володіє природними джерелами прісної води, може дозволити собі розкіш залежати від опріснення води тільки тому, що вона витягує великі доходи від продажу нафти.
Опріснення шляхом дистиляції (перегонки)
Воду можна відокремити від розчинених в ній солей дистиляцією (перегонкою). Цей процес заснований на тому принципі, що вода є летюча речовина, а солі є нелетучими речовинами. Принцип дистиляції досить простий, але з його промисловим використанням пов'язано багато проблем. Наприклад, у міру випаровування прісної води з посудини, в якому знаходиться морська вода, розчин солі стає все більш концентрованим, і врешті-решт сіль осідає. Це призводить до утворення накипу, що в свою чергу погіршує теплопровідність стінок посудини, засмічує труби і т.п.
Напрошується таке рішення цієї проблеми, при якому морську воду після дистиляції з неї певної кількості прісної води необхідно скидати, а замість неї набирати нову порцію морської води. Але це слід робити акуратно, щоб не втратити весь запас тепла, накопичений в нагрітій морській воді, і щоб не довелося підводити додаткове тепло до знову набираемой холодній морській воді. Втрати тепла пов'язані з тепловим забрудненням навколишнього середовища і подорожчанням процесу. Слід також врахувати, що, якщо дистиляцію проводити при атмосферному тиску, воду треба нагрівати до 100 ° С; при більш низькому тиску температура кипіння води знижується, і, отже, дистиляція вимагає менших теплових витрат.
Мал. 3. Схема процесу многостадийной флеш-дистиляції для опріснення води.
Одна з найбільш успішних спроб обійти ряд таких труднощів привела до розробки процесу многостадийной флеш-дистиляції, який схематично зображено на рис. 3. У камеру А надходить підігріта морська вода, яка називається розсолом. Розсіл прокачують під тиском через витки теплообмінника в камеру В, потім в камеру С і, нарешті, в камеру D, причому в кожній камері його температура стає все вище. Теплота надходить до розсолу від водяної пари, що конденсується на витках теплообмінника кожної камери. Сконденсувалася це пара, що прісною водою, збирають і відкачують з установки. У камері Е розігрітий розсіл нагрівають ще сильніше паром, який пропускають через витки теплообмінника; пар, що використовується в цій камері, приносить з собою більшу частину повної енергії, що вводиться в систему. З камери Е гарячий розсіл надходить в камеру D, де підтримується знижений тиск. Оскільки тиск в цій камері знижений, частина розсолу випаровується і після конденсації перетворюється в прісну воду. Для випаровування води потрібна енергія. Коли вода випаровується з поверхні нашого тіла, відбувається охолодження цієї поверхні. Точно так же залишається після випаровування деякої частини води розсіл теж охолоджується. Потім він надходить в камеру С, де тиск ще нижче, ніж в камері D. Тут відбувається випаровування ще деякої кількості води, а залишився розсіл ще більше охолоджується. На кожній наступній стадії розсіл стає все більш концентрованим і все більш охолоджується. На останній стадії частина розсолу, який містить тепер приблизно 7% солей за вагою, змішується з знову надходить морською водою. Інша частина розсолу скидається в море, щоб запобігти занадто велике підвищення концентрації солей.
На рис. 4 показана велика промислова установка з опріснення морської води методом многостадийной флеш-дистиляції. Така установка здатна виробляти щодня близько 9 мільйонів літрів прісної води. Ефективність роботи установки многостадийной флеш-дистиляції обмежена головним чином виникненням накипу в системі циркуляції гарячого розсолу. Головними причинами утворення накипу є карбонат кальцію і гідроксид магнію. Щоб перешкодити їх утворення і тим самим зробити можливою експлуатацію системи при більш високих температурах, застосовуються різні добавки. Однак при високих температурах виникає проблема, пов'язана з осадженням сульфату кальцію.
Мал. 4. Установка для опріснення води методом многостадийной флеш-дистиляції. Така установка може щодня виробляти приблизно 9 мільйонів літрів прісної води (компанія «Аква-Ким» в м Мілуокі, США). Малюнок з книги Т. Брауна "Хімія в центрі наук", М, Мир, 1983.
Основна частина витрат при здійсненні будь-якого варіанту процесу дистиляції пов'язана з великими потребами в тепловій енергії. Для типової установки многостадийной флеш-дистиляції вартість пара становить приблизно 40% від вартості одержуваної прісної води. У зв'язку з цим запропоновано безліч інших способів опріснення води, які не пов'язані з необхідністю її випаровування. В одному із способів прісну воду видаляють з морської води шляхом її заморожування. При утворенні льоду з морської води розчинені в ній солі не потрапляють в нього. Однак, процес заморожування теж вимагає витрат енергії. В даний час проводяться випробування великомасштабних установок з опріснення води, в яких використовується принцип заморожування.
Опріснення води методом ЗВОРОТНОГО ОСМОСУ
При опріснення води методом зворотного осмосу прісну воду відокремлюють від розчинених в ній солей за допомогою мембрани, проникною для води, але непроникною для солей. Для цього необхідна наявність селективної мембрани, що пропускає тільки воду, але затримує розчинені в ній речовини. Якщо помістити таку мембрану між розсолом і прісною водою, тенденція до вирівнювання концентрацій по обидва боки мембрани змусить воду проникати через мембрану в розсіл. Цьому процесу можна перешкодити, прикладаючи тиск з боку розсолу. При досить великому тиску проникнення води через мембрану в розсіл припиниться. Тиск, необхідне, щоб перешкодити просочуванню води через мембрану в розчин, називається осмотичним. Для морської води при нормальних умовах осмотичний тиск становить приблизно 25 атм.
Якщо прикладається до розсолу тиск перевищить осмотичний, то вода буде проходити через мембрану в зворотному напрямку, іншими словами, прісна вода видавлюватиметься з розсолу через мембрану. Цей процес, званий зворотним осмосом, схематично показаний на рис. 5. Морську або солонувату воду накачують під високим тиском в камери, стінки яких виготовлені з напівпроникних мембран. Коли вода проходить через мембрани локальна концентрація солей у стінки мембрани підвищується, що призводить до підвищення осмотичного тиску і зменшення потоку прісної води. Щоб перешкодити цьому, через камеру потрібно безперервно прокачувати морську воду. Потік прісної води через мембрану пропорційний прикладається тиску. Максимальний тиск, яке можна прикласти до мембрани, визначається її власними характеристиками. При високому тиску мембрана може розірватися, забитися присутніми у воді домішками або пропускати занадто велика кількість розчинених солей.
Мал. 5. Схема процесу опріснення води методом зворотного осмосу. Тиск, що створюється насосом високого тиску, перевищує осмотичний тиск солоної води щодо прісної. Завдяки цьому прісна вода просочується через напівпроникну мембрану. Щоб запобігти накопиченню солі поблизу мембрани, насос повинен постійно прокачувати по трубах солону воду. На практиці труби повинні мати дуже малий діаметр, і тому установку доводиться виготовляти з багатьох тисяч труб.
У звичайних установках з опріснення води методом зворотного осмосу труби виготовляють з пористого речовини, викладеного з внутрішньої сторони тонкою плівкою з ацетату целюлози. Ацетат целюлози (з якого виготовляють целофан і основу фотографічної плівки) грає роль напівпроникною мембрани. Установка складається з безлічі таких труб, укладених паралельно один одному. Швидкість проникнення води через мембрану досить невелика. Наприклад, при опріснення солоної води зі свердловини, що містить 0,5% розчинених солей, при тиску 50 атм протягом доби вдається отримати приблизно 700 л прісної води з кожного квадратного метра мембрани. Оскільки для отримання великої площі поверхні необхідно дуже багато тонких труб, процес зворотного осмосу поки ще не використовується для отримання великих кількостей прісної води. Однак цей процес представляється багатообіцяючим, якщо будуть розроблені поліпшені мембрани, особливо для опріснення солоної води з свердловин. Ця вода має більш низьку концентрацію розчинених солей в порівнянні з морською водою, що дозволяє проводити її опріснення при більш низькому тиску.