Создана новая высокоэффективная система опреснения морской воды

31.05.201241070

От недостатка питьевой воды страдает более трети населения планеты. Ожидается, что к 2025 г. этот показатель составит 50%. Решить данную проблему поможет разработка эффективных методов опреснения морской воды, которые в настоящее время остаются дорогостоящими. Другой недостаток существующих способов получения питьевой воды связан с изменениями экологии океана, вызванными сливом в морскую воду растворов с повышенным содержанием солей, остающихся после технологического процесса. Новая система дистилляции морской воды, изобретенная американским ученым, основана на использовании специальных мембран и позволяет получить больший объем питьевой воды, чем при применении традиционных способов опреснения. Вторым преимуществом разработанной системы является то, что раствор, образующийся после опреснения воды, содержит меньшую концентрацию солей.

Камалеш Сиркар (Kamalesh Sirkar), заслуженный профессор химической инженерии из Института Технологии Нью-Джерси (New Jersey Institute of Technology, N.J.I.T., США), изобрел систему дистилляции, использующую контактирующую мембрану (direct-contact membrane distillation system, DCMD), которая позволяет получить питьевую воду из морской воды, содержащей до 20% солей. По словам профессора Сиркара, преципитаты соли, содержащиеся в морской воде с концентрацией солей 25%, уже могут повредить мембраны, насосы, трубки и другие компоненты созданной им системы, поэтому проводить дистилляцию такого раствора не рекомендуется.

Обычная морская вода содержит до 3,5% солей, поэтому новая система дистилляции позволяет перерабатывать одну и ту же воду несколько раз. По словам Сиркара, с помощью его системы можно получить больший объем питьевой воды, чем при использовании традиционных методов, при этом после опреснения образуется меньше раствора, содержащего высокую концентрацию солей.

В созданной профессором Сиркаром системе разогретая морская вода протекает через последовательность мембран с серией полых трубочек, изготовленных из пористого гидрофобного волокна. Благодаря действию осмоса, такая структура позволяет перемещаться по трубочкам только водяному пару. По каждой трубочке в направлении, противоположном направлению движения морской воды, течет холодная дистиллированная вода. Разница температур разогретой морской воды и холодной дистиллированной воды вызывает в трубочках образование водяного пара. Пар диффундирует через поры и конденсируется внутри трубочек, присоединяясь к потоку холодной дистиллированной воды. Морская соль не может проникнуть в трубочку и отводится от системы мембран. В каждом последующем цикле получается больший объем питьевой воды, чем в предыдущем цикле, а концентрация солей в растворе, образующемся после дистилляции, повышается.

Система дистилляции профессора Сиркара, которую он недавно запатентовал, позволяет из 100 литров морской воды получить 80 литров питьевой воды. Для сравнения, сопоставимая обратно-осмосная система опреснения, в которой давление направляет морскую воду через мембрану, фильтрующую солевой раствор, позволяет получить лишь 41 литр питьевой воды из 100 литров морской воды.

Преимуществом применения мембран для дистилляции является возможность получения питьевой воды с очень низким содержанием солей. Кроме того, новая система проводит дистилляцию морской воды в диапазоне температур от 30С° до 100С°. Это снижает количество тепла, обычно затрачиваемое при дистилляции, и уменьшает расход энергии. Длительное использование установки может сократить обычную эффективность мембраны, но одним из компонентов системы является ультратонкая прокладка из высокопористого силикон-фторполимерного покрытия, продлевающего сроки работы мембраны. Фторполимер содержит атомы фтора и обладает высокой устойчивостью к действию растворителей, кислот и оснований, находящихся в морской воде. Профессор Сиркар утверждает, что слив в океан раствора с высокой концентрацией солей, образующегося после дистилляции морской воды, наносит минимальный ущерб окружающей среде. По его словам, концентрированный соляной раствор, полученный при дистилляции, быстро растворяется в большом объеме морской воды.

Разработанная система дистилляции имеет и некоторые недостатки. В частности, системе необходим постоянный дешевый источник тепла, предотвращающий выравнивание температур воды на разных сторонах мембраны, что может затруднить процесс парообразования/конденсации. Профессор Сиркар хочет повысить практичность установки, сделав ее проще в использовании и увеличив ее рентабельность. Он также планирует воспользоваться доступными источниками тепла, например, теплотой, выработанной береговыми заводами, и теплотой, образующейся во время морских буровых работ.

Однако на настоящий момент самым распространенным методом, используемым в опреснительных установках с конца 1960-х гг., остается обратный осмос. Инновации в технологии обратного осмоса включают применение более эффективных мембран, сделанных из углеродных нанотрубок, и приборов, регенерирующих энергию. Они увеличивают производительную способность систем опреснения воды при одновременном сокращении потребления энергии и снижении материальных затрат. В результате даже в таких маленьких населенных пунктах, как Сэнд Сити (в штате Калифорния, США), расположенном на полуострове Монтеррей и имеющем численность населения менее 350 человек, можно использовать системы опреснения морской воды.

Важной составляющей, определяющей востребованность технологии опреснения морской воды, является фиксированная цена конечного продукта. Она зависит от стоимости энергии, затраченной на создание и поддержание работоспособности оборудования, запуска процесса опреснения, стоимости транспортировки морской воды в систему опреснения и отвода опресненной воды из нее. Недавно ассоциация WateReuse Association провела исследование, результаты которого показали, что затраты на проекты по опреснению воды варьируют от 2 до 12 долларов США за 3,785 литров (1 галлон). Небольшие опреснительные установки, вырабатывающие менее 3,8 млн. литров питьевой воды в день, являются более затратными. Частично это связано с тем, что они не могут использовать способы снижения стоимости опреснения воды, которые используют более крупные объекты.

В марте 2012 г. Агентство по Охране Окружающей Среды США (U.S. Environmental Protection Agency) выпустило открытый для общественности комментарий под названием «Ответ на Изменение Климата» (Response to Climate Change). В сообщении подчеркнуто, что «процесс опреснения воды является энергоемким, и могут быть проблемы и риски, связанные с утилизацией отходов в виде концентрированных растворов, образующихся после преобразования воды». Тем не менее. агентство признает, что со временем возрастающие объемы морской воды могут повлиять на соленость прибрежных пресных водоносных слоев, поэтому опреснение является единственным способом сохранения возможности использования этих источников.

По материалам NatureNews

Оригинальный текст: Larry Greenemeier

Оригинальная статья: Scientific American


Ваш комментарий:
Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Чтобы оставить комментарий, необходимо авторизоваться.
Вернуться к списку статей