Доступ до водних ресурсів має вирішальне значення для добробуту людей в усіх сферах життя - особистого, сімейного і суспільного. Вода також важлива для економічної діяльності. Вона - запорука здоров'я природних екологічних і біологічних систем. У багатьох секторах економіки ведеться боротьба за обмежені водні ресурси.

Вода є єдиним засобом, за допомогою якого можуть бути в сукупності вирішені основні глобальні проблеми (продовольча, енергетична криза, криза охорони здоров'я і кліматичні зміни, економічна криза).

Значення водопостачання в життєдіяльності людей зростає одночасно зі зростанням населення. Основна кількість води припадає на моря і океани (більше 98%), засоленість морської води досягає 35г / кг, а частка прісних вод (з солевмістом менше 1 г / кг) становить лише 1,7% світових запасів, з яких на річкові води доводиться всього лише 0,001% всіх прісних вод.

Зараз в Росії і за кордоном великий інтерес і важливим завданням є опріснення морської води, очищення, водоочищення, так як навіть водопровідна вода з міського водопостачання містить підвищений вміст солей і різних забруднень.

Сьогодні нестача прісної води відчуває приблизно 14% населення земної кулі, проте вже до 2025 року, за оцінками ООН, серйозний недолік прісної води відчуватимуть вже 25% населення планети [1]. В першу чергу, ця проблема торкнеться країн Близького і Середнього Сходу, Середньої і Центральної Азії, а також Північної Африки.

У зв'язку з дедалі ширшим забрудненням джерел води, зростанням населення, освоєнням нових територій постає завдання штучного отримання прісної води. В даний час цього досягають наступними найбільш поширеними способами [2]:

- опреснением морської води, в тому числі сонячним опреснением;

- конденсацією водяної пари з повітря, з використанням глибинної морської води;

- конденсацією водяної пари в добових акумулятор холоду, зокрема - природного походження, таких як печери в прибережних скелях.

На ринку прісної води широке промислове застосування поки знайшли дві технології опріснення води - мембранна (механічна) та термальна (дистиляція). У мембранної технології переважає метод опріснення води, званий «зворотний осмос». При опріснення води цим методом морську воду пропускають через напівпроникні мембрани під впливом тиску, істотно перевищує різницю тисків прісної і морської води (для морської води 25-50 атм.). Через мікропори цих мембран можуть вільно проникати невеликі молекули води, в той час як більш великі іони солі та інші домішки затримуються мембраною. Такі мембрани виготовляються переважно з поліаміду або ацетату целюлози і випускаються у вигляді порожніх волокон або рулонів.

Зворотний осмос має низку істотних переваг по-порівнянні з іншими методами опріснення води: відносно невисокі енерговитрати, установки конструктивно прості і компактні, робота їх може бути легко автоматизована. Тому, управління системою зворотного осмосу здійснюється в напівавтоматичному і автоматичному режимі. Проте, дана технологія не позбавлена ​​недоліків. Наприклад, є залежність від ефективності попередньої обробки води, питна вода виходить з досить високим вмістом солі - близько 500 мг / м3 загального солевмісту, а також є підвищені експлуатаційні витрати через споживання супутніх хімікатів і необхідності заміни мембранних фільтрів.

Найбільший в світі завод по мембранному опріснення Wonthaggi Desalination Plant розташований в Мельбурні і має пропускну здатність в 440 тис. Куб. м води в день. В Ізраїлі, в Ашкелоні, розташований завод опріснення води за методом зворотного осмосу, що випускає 330 тис. Куб. м води в день.

Сутність термального методу або дистиляції полягає в тому, що морську воду нагрівають до кипіння і вихідна пара збирають і конденсують. Утворюється прісна вода, звана дистилятом. Випарювати воду можна як при кипінні, так і без кипіння. В останньому випадку морську воду нагрівають при більш високому тиску, ніж тиск в камері випаровування, куди подається вода. Для пароутворення використовується теплота, що міститься в самій випаровується воді, яка при цьому охолоджується до температури насичення залишився розсолу. Недоліком термічного опріснення є мала економічність, висока енергоємність, а також наявність зовнішнього джерела пара. Однак саме цей метод дозволяє отримувати найбільший обсяг опріснення води за одиницю часу. Так, завод Shoaiba 3 в Саудівській Аравії, що працює за методом дистиляції, дозволяє в день виробляти до 880 тис. Куб. м прісної води.

Порівняльна характеристика методу зворотного осмосу і термальною технології опріснення води представлена ​​в таблиці 1.

Таблиця 1

Порівняння великомасштабних технологій опріснення

параметри

Зворотній осмос

термальний метод

Фізико-хімічний принцип

мембранна дифузія

Термальне випаровування і конденсація

Споживання енергії (з урахуванням споживання допоміжних пристроїв)

Електроенергія: 3,5-4,5 кВ-год / м3

Електроенергія: 2,5-5 кВ-год / м3, термальна 40-120 кВ-год / м3

Найвища температура в процесі опріснення

Температура морської води

До 120 ºC

Якість води (вміст солей мг / л)

250-350

від 1 до 50

Середня продуктивність одного модуля опріснення

6000-24000 м3 / день

120000 м3 / день

Основні пристрої

Насоси, мембрани

Насоси, клапани, вакуумні установки

Загальна вартість

низька

висока

Рівень автоматизації виробництва

високий

високий

Можливість зміни складу морської води

Не рекомендується

Середньо-висока

Вимоги до технічного обслуговування

високі

Середні

потенціал масштабування

високий

Середньо-низький

Вимоги до займаної площі

низькі

Середні

Найбільш необхідні удосконалення

Поліпшення попередньої обробки води, покращення властивостей мембран

Дешевші матеріали і способи теплопередачі

Серед перспективних розробок слід виділити опріснювальну установку, яка працює за рахунок енергії сонця. Дані проекти розробляються і реалізуються вченими і інженерами в Росії, Індії, США, Саудівської Аравії, а також компанією Hitachi. Ці установки поступаються по продуктивності опріснення води традиційними технологіями, але володіють високою енергоефективністю. Основний напрямок використання сонячних опріснювачів - індивідуальне і мелкопромишленное використання. Так, російська індивідуальна сонячна опреснительная установка, що складається з 10 секцій, виробляє в день 120-180л прісної води, яка може використовуватися, переважно, на сільськогосподарське споживання. Пара проходить через серію мембран, які фільтрують сіль і інші забруднення. Очищена вода збирається на зовнішньому конденсаторі [3].

За оцінками, середні витрати на опріснювальну установку з 10 секцій з пристроєм для подачі води складуть 250-300 $, що дозволить їй швидко окупитися. Отримана прісна вода ідентична за складом дощової, тому застосування її в сільському господарстві буде сприяти поліпшенню грунту. Використання цієї опріснювальної установки дозволить освоювати раніше непридатні для землеробства райони, а, отже, підвищиться рівень життя і зайнятість населення, яке зможе постачати сільгоспродуктами не тільки себе, але і поставляти продукти на продаж.

Заслуговує на увагу проект опріснення води компанії Hitachi, реалізований в Арабських Еміратах, в рамках державної програми охорони та відродження рідкісних тварин пустелі, яким потрібно стабільне водопостачання. Для цього опріснюються грунтові води, що володіють високим вмістом солей і домішок. Вони видаляються за допомогою технології зворотного осмосу, і відправляються в водойми для водопою по трубах, які прокладені під піском. Джерелом енергії служать сонячні батареї та акумулятори надлишкової електроенергії, розроблені Hitachi.

Вітроенергетичні установки порівняно недавно почали використовуватися для отримання якісної прісної води, проте спостерігається тенденція розвитку і цього напряму. Наукові дослідження з розробки установок з опріснення морської води з використанням енергії сонця і вітру ведуться в Університеті Кадіса. Науковий проект «ETAP-ER project» (Evalucation del Tratamiento del Aqua Potable mediante Energia Renovable y Nanofiltration), який фінансується урядом Андалузії передбачає здійснення процесу опріснення також за рахунок поновлюваних джерел, в тому числі вітру. Установка призначена для підготовки, очищення і опріснення води, що надходить у водопровідну мережу міста Порт Реал. Очищення води проводиться за допомогою спеціальних наномембран при багаторазовому прогоні води через них. Електроживлення обладнання установки здійснюється від двох горизонтально-осьових вітро-енергетичних установок загальною потужністю 6 кВт і сонячної батареї на монокристаллическом кремнії з піковою потужністю 4,2 кВт. Як дублюючого джерела використовується воднева установка потужністю 0,8 кВт [4].

Актуальність на сьогоднішній день має технологія опріснення морської води, яка не вимагає великих витрат енергії. Це новий матеріал молекулярної фільтрації розчинів на основі мембрани Perforene, розробленої американською оборонною компанією Lockheed Martin. Perforene є мембрану з матеріалу графен. Графен являє собою речовина з чистого вуглецю. Атоми вуглецю розташовані у вигляді правильної шестикутної стільникової структури (рисунок 1).

Мал. 1. Структура графена

У ній є отвори розміром один нанометр і менш. Ці отвори настільки малі, що здатні втримати частинки, що несуть електричний заряд, але в той же час досить великі для того, щоб крізь них проходили молекули води. Незважаючи на товщину в один атом, Perforene є одночасно міцним і довговічним матеріалом, що робить його ефективним для опріснення морської води в великих обсягах.

Новаторським відмінністю розробки Lockheed Martin можна вважати використання графена замість традиційних синтетичних фільтрів. Нова мембрана з графена в 500 разів тонше, ніж фільтри, які використовуються в сучасних опріснювальних заводах. Товщина є одним з основних факторів, який визначає, скільки енергії має бути використано, щоб змусити морську воду проходити через фільтр в технології зворотного осмосу. Інновація дозволить уникнути засмічення фільтрів і економити електроенергію, тому що система вимагає менше робочий тиск, а значить, потрібно менше енерговитрат. Поточні фільтри використовують пластикові полімери, які споживають величезну кількість енергії в процесі проштовхування води через них через високого тиску напору (від 5,52 МПа до 6,89 МПа), створення якого вимагає високих енерговитрат.

Нижче представлені основні переваги мембран Perforene від існуючих на сьогоднішній день:

- висока стійкість до більших значень рН, агресивним хімікатів, вуглеводнів і інших хімічних речовин у навколишньому середовищі;

- можливість роботи при високих температурах;

- в два рази більше проникні, ніж існуючі мембрани;

- великий потенціал для витримування високих тисків;

- наявність гарної гидрофобности, що знижує загрязнітельние процеси в опріснювальних установках [5].

Але робота з таким тонким матеріалом представляє нові проблеми, і інженери досі намагаються знайти найкращий спосіб для створення нанометрових отворів в мембрані швидко і у великих масштабах без пошкодження основного матеріалу, що в підсумку може позначитися на вартості цієї технології. Проте, фахівці Lockheed Martin заявляють, що прототип мембрани Perforene буде готовий в 2014-2015 році, і її використання не потребують перебудови існуючих опріснювальних заводів. Компанія також сподівається знайти застосування цю мембрану в охороні здоров'я, де матеріал може замінити поточні мембрани діалізу. [6]

Джеффрі Гроссман, ад'юнкт-професор в Массачусетському технологічному інституті, який займається дослідженням мембран з графена для фільтрації, сказав, що не був знайомий з подробицями роботи Lockheed. Але він зазначив, що якщо буде знайдено спосіб виробляє графенові фільтри у великих обсягах, то це буде великим досягненням в технології опріснення води [7]. Таким чином, в разі успішної реалізації проекту Perforene, можна очікувати перехід на якісно новий технологічний рівень вирішення проблеми браку прісної води в світі.

література:

1. Desalination: A National Perspective / Committee on Advancing Desalination Technology, National Research Council. National Academies Press, 2008. - 312 р.

2. Слесаренко В. Н. Сучасні методи опріснення морських і солонцюватих вод / В. Н. Слесаренко. М .: Енергія, 1973. - 248с.

3. Сонячний дистилятор з Росії // [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://www.vodainfo.com/ru/5934.html. (19.02.14 - дата звернення)

4. Кирпічникова І. М. Опріснення води з використанням енергій вітру і сонця / І. М. Кирпичникова // Вісник південно-уральського державного університету. Серія: Енергетика. - 2012. - № 16. - С. 22-25.

5. Perforene membrane // [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://lockheedmartin.com/content/dam/lockheed/data/ms2/documents/Perforene-datasheet.pdf . (19.02.14 - дата звернення)

6. Spector D. Lockheed Martin Says This Desalination Technology Is An Industry Game-Changer / D. Spector // [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://www.businessinsider.com/lockheed-martin-desalination-graphene-filters-2013-3. (19.02.14 - дата звернення)

7. Weapons-maker finds cheap water tech // http://www.news24.com/Green/News/Weapons-maker-finds-cheap-water-tech-20130313. (19.02.14 - дата звернення)