Способы и методы опреснения морской воды

• Затраты на опреснение
• Стоимость опреснения морской воды в США
• Перспективы метода: дальнейшее развитие
• Методы опреснения морской воды
• Когда применяется технология по опреснению воды
• Проблемы опреснения воды

Известно, что наша планета покрыта огромными океанами, непригодными для питья. Эта вода давно уже изучается на предмет опреснения – пополнения запасов пресной воды путем очистки от солей и прочих примесей. В проблеме занято большое количество заинтересованных сторон, включая политиков и бизнесменов. Интерес к процессу опреснения родился еще в восемнадцатом веке – когда мореплаватели искали способ добывать на море пресную воду из соленой, непригодной для питья воды морской. Однако, лишь в 60-х годах прошлого века проблема получила официальное признание в Соединенных Штатах Америки, где было создано Управление соленой воды.

В наше время по всему миру уже работает более 13000 установок по добыванию питьевой воды из морских глубин, производя не менее 12 миллиардов галлонов воды каждый день. Таковы данные Международной ассоциации деминерализации. Компания «LUX Research» представила официальный доклад, в котором отмечается, что при прогнозируемом увеличении численности населения к 2050 году более чем на 50%, необходимо увеличить количество опресняемой воды по крайней мере в 3 раза по отношению к 2020 году. Причем, в ближайшие 10 лет количество опресняемой воды должно быть увеличено на 9,5%.

Затраты на опреснение

Казалось бы, опреснение морской и солоноватой воды могло бы стать одним из наиболее явных решений в области получения питьевой воды в мировом масштабе. Однако, существуют и мнения, которые утверждают, что океаническая вода не является идеальным источником пресных запасов – человечество сталкивается с определенными сложностями, в частности, со значительной дороговизной этого метода.

По данным компании Food & Water Watch, стоимость опреснения морской воды в три раза выше, чем производство воды более привычными нам способами. Необходимы серьезные материальные затраты на электричество и подачу воды, хотя бы для того, чтобы опреснение не приносило значимых убытков, требуются также значительные расходы на эксплуатацию и большие авансовые вложения. Таким образом, опреснение оказывается недешевым способом раздобыть питьевую воду, и этот факт не может не повлиять на развитие метода опреснения во всем мире.

Единственным местом, где дороговизна опреснения воды не вызывает затруднений, является Ближний Восток. С одной стороны, потребность арабских стран в питьевой воде постоянно растет благодаря естественному росту населения, быстрой урбанизации ближневосточных стран и истощению других источников воды. Об этом, в частности, поведал корреспондентам «Arab News» предприниматель из Саудовской Аравии Адиль Пушнак. С другой, регион имеет невероятные доходы от продажи нефти, и вполне может себе позволить тратить до 18 миллиардов долларов каждый день – только на опресняющие установки. Одна только Саудовская Аравия потребляет 30 процентов мировых запасов опресненной воды, до 70% всей своей пресной воды это ближневосточное государство получает именно из опресняющих установок, сообщает Water.net.

Стоимость опреснения морской воды в США

В то же время, дороговизна процесса опреснения воды подвергается сомнению многими сторонниками этого метода. Опресненная вода становится все дешевле относительно доставки воды в засушливые регионы. Так, в конце прошлого века вода, доставляемая в Южную Калифорнию, обходилась в 30 раз дешевле, чем опресненная, сейчас разница затрат составляет всего лишь 2 раза. Есть данные о том, что очищение воды способом обратного осмоса (при котором вода пропускается через мембрану при высоком давлении) обходится дешевле, чем дистиллированная вода в определенных местах США. И все же, справедливости ради, надо отметить, что конкуренция цен пока еще далеко не в пользу методов опреснения морской воды – традиционные способы добывания питьевой воды выигрывают это соревнование.

По данным Американской Ассоциации мембранных технологий, затраты на традиционные способы получения воды составляют от 0,9 до 2,5 долларов США на тысячу галлонов, при опреснении слегка солоноватой воды они возрастают до 1,5-3 долларов США на аналогичный объем. При опреснении морской воды расходы уже составляют 3-8 долларов на тысячу галлонов получаемой воды. Ассоциация также опасается того, что опреснительные установки по всей стране окажутся под контролем частных компаний – с учетом растущей потребности в чистой питьевой воде, это вполне вероятное развитие событий.

При анализе средней стоимости коммунального обслуживания в Калифорнии, Иллинойсе, штатах Нью-Йорк и Висконсин с учетом частных и государственных компаний, предоставляющих соответствующие услуги, было обнаружено, что частные коммунальщики заметно завышают свои тарифы, по сравнению с государственными компаниями. Разница составляла от 13 до 50%. Другой пример: Стамфордская компания из штата Коннектикут построила во Флориде большой завод, предназначенный для опреснения воды, затраты на который составили порядка 158 миллионов долларов. Тем не менее, после завершения строительства, завод не был запущен. Он начал функционировать только тогда, когда был включен в проект «Посейдон», при участии Управления водных ресурсов.

Перспективы метода: дальнейшее развитие

Для того, чтобы минимизировать негативное влияние выбросов углекислого газа, сопутствующих работе установок, профильные компании и научные институты ищут способы задействовать независимые от углерода источники получения энергии для опреснения воды. Другими словами, существует возможность создания опреснительных установок, работающих на возобновляемых ресурсах.

В качестве примера можно привести проект завода по опреснению морской воды, который разработан Центром науки и техники имени короля Абдель Азиза в сотрудничестве с компанией IBM. Завод планируется построить в Саудовской Аравии, предполагается, что он будет работать на солнечной энергии. В то же время, Массачусетский технологический институт совместно с Южнокорейским университетом науки и технологии создали электронное устройство, предназначенное для отражения солей от мембран в установках обратного осмоса. Эта технология уже сейчас позволяет производить в час примерно 15 литров воды – таким образом, могут быть удовлетворены потребности в воде целого небольшого поселения.

Нехватка пресной воды в засушливых регионах  - серьезная проблема, которую необходимо решать совместными усилиями экспертов и политиков. По прогнозам Всемирной организации здравоохранения, уже к 2050 году острая нехватка питьевой воды станет актуальной для 2/3 жителей Земли. Однако, опреснение – не единственный способ решить задачу. В докладе Национального исследовательского управления говорится о том, что гораздо дешевле и эффективнее перераспределять уже имеющиеся ресурсы, нежели опреснять морскую воду. В поддержку этого доклада предоставлены данные многочисленных исследований, касающихся альтернативных способов решения проблемы водоснабжения, при более низких затратах и более высокой безопасности проведения работ.

Председатель компании «Watec Israel» Буки Орен, в частности, считает, что наиболее перспективным направлением в решении проблемы питьевой воды является сохранение уже имеющихся источников. Ежедневная экономия воды на уровне отдельно взятого человека уже является серьезным вкладом в сохранение запасов питьевой воды на Земле. Проблема питьевой воды может быть решена человечеством, если оно возьмет на себя необходимую ответственность за эту ситуацию.

Методы опреснения морской воды

Существует несколько основных способов очистить морскую воду от повышенного количества солей. Среди них:

1. Химический способ. Вода опресняется с помощью реагентов, вступающих в реакцию с солью и выпадающих в виде осадка.
2. Электродиализ. Сложный технологический процесс электролитической диссоциации, позволяющий разделить процесс распада молекул.
3. Обратный осмос. Наиболее современная система фильтрации воды, при которой жидкость проходит через специальную мембрану. Она задерживает соли и другие примеси.

Рассмотрим все три способа более подробно.

Химический способ

Химический способ, позволяющий опреснить морскую воду, требует использовать специальные реагенты. Соли бария, серебра и цеолиты входят в реакцию с солями магния, кальция и хлоридом натрия и хлором. Не растворяясь и не улетучиваясь, вещества остаются в жидкости, выпадая в осадок и собираясь на дне.

Химический способ имеет следующие недостатки:

1. Высокая стоимость. Количество реагентов должно составлять около пяти процентов от объема морской воды. Это не позволяет применять химический способ в промышленности.
2. Невозможность опреснить большой объем морской воды. Химический способ оптимально подходит для опреснения 1-5 литров жидкости.
3. Вред для здоровья. Соли бария могут негативно влиять на внутренние органы человека в большой концентрации.

Химический способ используют на яхтах, катерах и других водоплавательных средствах, выходящих в открытое море или океан. Для этого предусмотрены специальные опреснители, в комплект которых входит герметичный мешок и брикет реагентов. В течение 20-30 минут они позволяют опреснить небольшой объем воды в аварийной ситуации. Опреснители также включают в экстренные комплекты военных и других летчиков.

Электродиализ

Электродиализ — наиболее технически сложный способ опреснить воду. Используется процесс электролитической диссоциации, во время которого происходит распад молекул на положительно и отрицательно заряженные ионы. Не вдаваясь в сложные технические термины, простыми словами объясняем, как работает электродиализ:

1. Контейнер для электродиализа состоит из центральной части и двух мембран с обеих сторон. За ними расположены анод и катод, которые притягивают отрицательно и положительно заряженные ионы молекул солей.
2. Морская вода попадает в центральную часть системы через верхнюю часть. На катод и анод подают напряжение, что заставляет притягиваться ионам. Вода постепенно обессоливается.
3. Обессоленная вода сливается из центральной части системы.

В промышленных масштабах системы для электродиализа воды имеют больше одного контейнера и двух мембран. Это позволяет достичь высокой мощности и эффективности.

Электродиализ не подходит для очистки морской воды до состояния питьевой. Он позволяет удалить соли в количестве примерно 10-15 грамм на литр жидкости. В морской и океанской воде обычно содержится около 35 грамм на литр. Способ чаще применяют для очистки сточных вод на производствах.

Преимущества электродиализа:

1. Небольшая стоимость. По сравнению с другими способами очистки воды.
2. Высокая концентрация солевого раствора. Сливаемая и не опресненная жидкость, прошедшая через мембраны к катоду и аноду, может применяться для производства поваренной соли.

Ультрафильтрация (обратный осмос)

Обратный осмос, или ультрафильтрация — наиболее современный способ, позволяющий опреснять морскую воду. Он используется на крупнейших заводах, расположенных по всему миру. Например, в Израиле построена крупная опреснительная станция в Ашкелоне, опресняющая до 118 миллионов кубометров воды в год. В Японии, на металлургическом комбинате компании «Сумитомо‎», действует система, очищающая до 9500 кубических метров жидкости в сутки. Это позволяет полностью обеспечить технической водой паровые котлы.

Как работает системы обратного осмоса:

1. Вода под высоким давлением попадает в специальную мембрану. Она имеет тонкопленочную структуру, поры в которой имеют размер около 0,01 микрона.
2. Проходя через поры мембраны вода очищается от солей, хлора и других примесей. Концентрат сливается в дренаж. В среднем на один литр чистой воды приходится около 2-7 литров неочищенной. Ее концентрация меньше, чем при электродиализе и она не наносит вреда окружающей среде.
   
   

Когда применяется технология по опреснению воды

Технологии используются в различных странах, не имеющих достаточного доступа к пресной воде из рек и озер. В постройку опресняющих заводов вкладываются крупные средства — это считается перспективным и быстро окупаемым бизнесом. На данный момент в мире действует около 16 тысяч опреснительных станций, расположенных в 177 странах и вырабатывающих до 95 миллионов кубометров пресной воды в сутки. Наибольшую распространенность технологии получили:

• в островных развивающихся государствах: Мальте, Багамах и других;
• странах Северной Африки, богатых природными ресурсами: Саудовская Аравия, Кувейт, ОАЭ.

Среди наиболее ярких примеров опресняющих заводов можно выделить:

1. Рас-Аль-Хаир, Саудовская Аравия. Опресняет более миллиона кубометров воды в сутки.
2. Тавилах, ОАЭ. Производительность — около 900 000 кубических метров пресной воды в сутки.
3. Шуайба-3 и Рабиг-3, Саудовская Аравия. Производят 880 и 660 тысяч м3/сутки пресной воды.

В Объединенных Арабских Эмиратах около 50% всего оборота питьевой и технической воды приходится на опресненную жидкость, обработанную на местных заводах.

Проблемы опреснения воды

Основная проблема опреснения воды — ее высокая стоимость по сравнению с природной, поступающей из рек, озер, подземных источников (примерно в 2-3 раза). Цену жидкости повышают:

1. Необходимость постобработки концентрата. На один литр очищенной воды приходится не менее полутора-двух литров загрязненного «рассола‎». Он имеет повышенную концентрацию солей и различных примесей. Перед его сбросом в океан или море необходимо провести очистку.
2. Высокая стоимость электроэнергии. Сильно влияет на цену опресненной воды в Австралии. Наименее сильно этот фактор выражен в странах с низкими затратами на электроэнергию: ОАЭ, Саудовская Аравия. Современные опресняющие системы требуют около 3 кВт энергии на 1 кубометр готовой воды. Минимальные затраты обеспечивают системы обратного осмоса — 2 кВт.

Средняя стоимость опресненной воды составляет от 0,5 до 1,5 долларов США за кубометр. Развивая технологии, ученым постепенно удается снизить цену. Например, очистительная станция в Перте (Австралия) использует энергию, выработанную ветряной фермой «‎Эму Даундс».

Стоимость разработки и постройки современных установок, рассчитанных на 100000 м3/сутки, в среднем составляет около 60-80 миллионов долларов. Это требует крупных вложений с долгосрочными перспективами, что не позволяет опреснять воду в бедных и засушливых регионах Африки.