Склянку чистої води як це робиться
Поки вчені дискутують про глобальне потепління, є галузь, яка відчуває зміни середовища буквально «на своїй шкурі», - це виробництво питної води з непитної. І мова давно вже не йде про простий подачі водопровідної води - а саме про самому виробництві прісної H2 O. Тому що її вже не вистачає.
Для того щоб зіткнутися з дефіцитом прісної води, зовсім не потрібно жити в центрі Сахари - там, до речі, її, води, повно, під барханами піску. Дефіцит прісної води відчувається в Європі, в США, в Китаї, в Індії і навіть подекуди вУкаіни. Адже мова, повторюся, йде про чисту, питну воду.
Людський організм в цьому відношенні досить вибагливий. Трохи більше 1 грама солей на літр - і цю воду вже можна вживати тільки в обмеженому обсязі. Ближче до 10 грамам на літр - і ось тут при постійному вживанні починаються проблеми. Обмеження є за змістом бактерій і органіки. Загалом, воду треба не просто добувати, а робити. І один з найбільш раціональних способів - це опріснення.
Планета на очах висихає, і виробництво питної води вже стало «бізнесом майбутнього»
Як не дивно, але опріснювати воду, тобто з солоної робити прісну, доводиться не тільки на пустельних берегах Аравії. Навіть в європейській частіУкаіни, в Європі, США і в багатьох інших країнах кращий спосіб отримати чисту питну воду - зробити її з солоною. Справа в тому, що розсоли залягають практично повсюдно, в них не розмножуються бактерії, вони найчастіше залягають на досить великій глибині і не схильні до зовнішнього хімічного забруднення.
Якщо ж ви живете на березі моря, особливо якщо воно відносно чисте, то можна, звичайно, використовувати в якості вихідної сировини і його. Ось основні способи, які застосовуються в даний час.
Дистиляція з кип'ятінням
Дистиляція - один з найстаріших способів отримання прісної води з солоною. В даний час існує декілька методів, заснованих на цьому принципі: закип'ятити воду, а потім скондесувати водяна пара, і ось у вас найчистіша рідина. Пити її теж довго не можна, тому до неї трохи додають природних солей.
У промисловому виробництві води зараз превалюють два методи: один з них відомий досить давно, це метод многоколонной дистиляції (Multi-effect Distillation, або MED), коли проводиться кип'ятіння солоної води в першій колоні і використовується тепло утвореного пара для нагрівання наступних колон. Метод надійний, але по мірі своєї ефективності стоїть з самому кінці рейтингу економічності.
Більш ефективним вважається дистиляція миттєвим скипанням (Multi-stage-flash, або MSF): в цьому випадку солону воду випаровують в камерах, де поступово знижується тиск, а значить, і потрібна менша температура, щоб довести воду до кипіння.
Є ще два методи, які є свого роду розвитком перших двох: це мембранна дистиляція (Membrane Distillation, або MD), при якій роль «змійовика-холодильника» виконує гидрофобная мембрана, що пропускає водяну пару, але утримує воду; і компресійна дистиляція (Mechanical Vapor Compression, або MVC), коли для нагріву солоної води в самій першій колоні застосовують стиснене, а значить, перегрітий пар.
У всіх цих методів є один принциповий недолік - щоб перетворити воду в пар, потрібна величезна енергія. Для нагріву води від 0 до 100 градусів необхідно затратити 420 кілоджоулів енергії, але щоб цю нагріту воду звернути на пару, буде потрібно вже 2260 кілоджоулів. Для установок такого типу витрата тільки електроенергії становить від 3,5 кВт-год на кубометр отриманої прісної води.
дистиляція Сонцем
Цілком логічно в південних країнах використовувати для дистиляції енергію Сонця. При цьому можна або використовувати безпосередньо теплову енергію Сонця, або фотоелектричні пристрої (сонячні батареї) для вироблення електроенергії, яка вже буде використовуватися далі. Найпростіші - це сонячні випарники, які виглядають як скляні або пластикові призми, на дні яких знаходиться солона вода.
Сонячна енергія нагріває воду, вона випаровується, конденсуючись на похилих стінках, і стікає в приймачі. Все дуже просто, але проблема в тому, що у такої системи ККД менше 50%. Звичайно, для бідних і пустельних районів це рішення, якщо завдання забезпечити водою невелике селище.
Це не сонячна батарея, а плівкові сонячні випарники, які дають достатньо води для одного будинку
Фахівці ведуть науково-дослідні та конструкторські розробки з метою посилити віддачу від таких систем. наприклад використовуючи капілярні плівки, що підвищує ефективність роботи сонячного дистилятора. Однак потрібно визнати, що ні сонце, ні вітер, ні геотермальна енергія ще не стали самі по собі основними силами, що виробляють прісну воду, хоча і не вимагають значних витрат на експлуатацію. Але воду можна не тільки дистильованої - сіль можна видалити з води і іншими способами.
Наприклад, можна використовувати електродіаліз (Electrodialysis, або ED) - в цьому процесі використовуються дві мембрани, одна пропускає тільки катіони, а інша тільки аніони, які розбігаються до мембран під дією прикладеного до них постійного струму. Така система відмінно працює в спарці з сонячними батареями і вітрогенераторами.
Його величність осмос
Ще один дуже ефективний вид поділу солі і води - зворотній осмос. Прямий осмос - це прагнення води проникнути через напівпроникну мембрану туди, де розчинено більше речовин. Наприклад, дерево забезпечує своє харчування водою за рахунок осмосу: в його «тілі» в соках розчинені цукру, і тому вода з грунту прагне потрапити через поверхню коріння всередину, створюючи надмірний тиск, який і жене воду наверх.
Морква наливається соком саме через явища осмосу. Наші клітини тримають форму через те, що вода може увійти через їх мембрани, а ось цукор вийти назовні - ні. Але якщо створити тиск, який вище, ніж тиск осмосу, то почнеться зворотний процес - вода буде йти, а частинки солі або цукру залишатися. Так здійснюється опріснення води методом зворотного осмосу.
Метод зворотного осмосу (Reverse Osmosis, або RO) можна інакше описати як використання напівпроникною мембрани, через яку під тиском пропускають солону воду, і сіль залишається з того боку, з якою подається надлишковий тиск.
Цей метод зараз з великих промислових методів вважається досить ефективним, і більш того - маловитратними. Наприклад, для отримання 1 кубометра прісної води методом MSF потрібно затратити в сумі електричної і теплової енергії від 10 до 13 кВт-год. Метод MVC може зажадати від 9,5 до 17 кВт-год. А ось метод зворотного осмосу в разі опріснення морської води бере від 4,5 до 8,5 кВт-год. Ну а якщо вода солонувата, наприклад з артезіанських джерел, то взагалі вистачає всього 1,0 -2,5 кВт-год електроенергії. Це дозволяє знову ж використовувати для роботи малопотужні джерела електрогенерації. Але в принципі можна взагалі відмовитися від електрики або кардинально скоротити його споживання до мізерних величин.
Як заперечує море?
Якщо на суші установку зворотного осмосу, яка знижує солоність води з артезіанської свердловини, можна легко живити, наприклад, від найближчої електростанції, то на пустельних морських берегах це зробити набагато важче. У пустелях взагалі важко вести лінії електропередачі, і не тільки через жаркого клімату.
А поруч океани обрушують на узбережжі потужні хвилі, чия енергія витрачається даремно. Маркус Ялайнен з Університету Аалто у Фінляндії запропонував абсолютно новий підхід до вирішення проблеми, а саме заперечує самі хвилі, щоб вони генерували високий тиск, необхідне для запуску процесу зворотного осмосу. Його система, названа AaltoRO, складається з підводного хвильового конвертера і берегової установки.
Система AaltoRO може перетворити прибережну пустелю в зелений сад, що не споживши ні кіловата з зовнішніх джерел енергії
Конвертер є поставлене на дні моря пластину розміром приблизно 25х10 метрів. Вона шарнірно закріплена в донної частини і тому починає при хвилюванні коливатися взад-вперед. Коливання пластини запускають насос, який знаходиться в її підставі, і морська вода під тиском спрямовується до мембранних блокам зворотного осмосу, де розділяється на сільносоление відходи опріснення (вони зливаються назад в море) і власне прісну воду.
Собівартість одержуваної води на установці продуктивністю 3700 кубометрів прісної води на добу складе, за розрахунками, близько 60 євроцентів за тонну (тобто менше 30 рублів). Одна така установка зможе забезпечити водою 7500 австралійців, 21 150 перуанців, 750 тисяч мозамбікців. Вибір цих народів невипадковий: саме Австралія, Південна Африка, Південна Америка, захід США, Канарські острови і Магриб - це ті місця, де є океани і пустелі, які потребують воді, як і люди, які там живуть.
На жаль, гарні проекти з транспортування айсбергів до посушливих берегів виявилися занадто витратними при розрахунках, та й екологічно небезпечними - прісна вода в таких обсягах вб'є океанську живність. А ось нові технології, із застосуванням новітніх розробок в області найтонших мембран, можуть здорово змінити ситуацію з чистою прісною водою в кращу сторону. І потреба в цих розробках відчувається не тільки в жарких країнах. Адже, відкриваючи пляшку чистої води у себе в середньої полосеУкаіни, швидше за все, ви теж п'єте очищену зворотним осмосом воду.