1. Опреснение морских и соленых вод.
1.1.Сравнение существующих методов опреснения.
Процессы термического опреснения сопровождаются нагреванием исходной воды до температуры, превышающей температуру кипения при данной концентрации солей в ней и давлении с последующим кипением. Свободные молекулы воды приобретают энергию теплового и колебательного движения, которая позволяет им преодолевать силы внутримолекулярного притяжения, и выносится через поверхность раздела, фаз (вода-пар) в аккумулирующее пространство. Сольвенты, не обладающие соответствующим запасом энергии не в состоянии преодолеть поверхностное натяжение, остаются в растворе. Поверхность испарения выполняет функции фильтра, пропускающего молекулы воды и задерживающего ионы растворенных солей.
Паровая фаза при прохождении через массу опресняемой воды не растворяет солей и при охлаждении позволяет получить воду в виде дистиллята, что определило название метода опреснения-дистилляция. Термическая дистилляция солесодержащих вод может выполняться на установках простого выпаривания с помощью греющих поверхностей погруженных в большой ее объем.
Рис. 1. Схема установки поверхностного типа
Установки этого типа характеризуются высокими расходами теплоты на парообразование. Большей эффективностью отмечаются установки мгновенного вскипания. Нагретая до температуры несколько выше температуры кипения, чем в камере испарения вода поступает в ее объем, где происходит образование вторичного пара за счет вскипания под вакуумом с последующей его концентрацией в специальном теплообменнике, а рассол перепускается в следующие камеры многоступенчатой установки, давление в которых от ступени к ступени понижается (рис.2).
Рис.2. Схема установки мгновенного вскипания
1-головной подогреватель; 2-теплоизолирующие ступени; 3-поддоны для сбора дистиллята; 4-деаэратор; 5-теплоотводящие ступени; 6-8-насосы; 9-перепускные пороги
В технологии термической дистилляции нашел применение процесс выпаривания исходной воды в тонкой пленке, генерирование которой происходит на вертикальных или горизонтальных поверхностях нагрева. При вертикально-пленочном поступлении воды ее поток создается вставленными в каждую трубку теплообменного аппарата насадками, образующими щелевой проход для воды, что позволяет ей двигаться по греющей поверхности с тонкой пленкой.
При горизонтально-пленочной организации пленочного режима горизонтальные трубы теплообменника омываются пленкой воды, подаваемой специальным оросителем (рис.3).
Рис.3. Схема установки тонкопленочного типа
1-испаритель; 2-компрессор; 3,4-теплообменники; 5-пусковой подогреватель; 6-вакуумный насос.
Этот новый принцип парообразования позволил снизить температурный напор поверхности нагрева - жидкость, что сказалось на энергетическом совершенстве цикла опреснительной установки. Одновременно такая технология позволила применить компрессию производимого вторичного пара с соответствующим снижением за счет этого затрат теплоты на первоначальный нагрев опресняемой поды. Гелиоопреснение технологически не отличается от обычных дистилляционных установок с той лишь разницей, что для первоначального нагрева воды используются специальные теплообменники со стеклянной поверхностью, питаемые теплотой солнечной энергии.
Природный и искусственный холод служит основой технологии опреснения вымораживания. Солевой раствор в таких схемах подвергают разделению на две фазы: кристаллы пресного льда, образующиеся при медленном замерзании и рассол. Кристаллы имеют игольчатую форму и находятся в массе рассола, который при более низкой температуре. Полученные кристаллы затем определяют от рассола, отмывают и расплавляют. Схема искусственного вымораживания требует наличия в ее цикле холодной машины и в качестве хладагента легкокипящих хладагентов (рис.4).
Рис.4. Схема вымораживающего опреснителя
1-фризер; 2,5-компрессоры; 3-промывная колонна; 4-плавильник льда; 6-конденсатор; 7-промежуточный сосуд; 8-дросселирующий клапан; 9-насосы; 10,11-теплообменники; 12-колодец; 13-бак соленой воды; 14-бак пресной воды; вода: 15-пресная, 16-соленая; 17-рассол; 18-ледяной шлам; хладагенты: 19-жидкий, 20-газообразный
Метод отличается меньшими расходами энергии на организацию процесса, но возникают дополнительные ее затраты (прессования кристаллов, отмывка, плавление), а также сложное конструктивное исполнение.
Среди весьма перспективных методов является технология обратно-осмотического опреснения. Физическая сущность этого процесса состоит в фильтровании через сборку полупроницаемых мембран морской или соленой воды, которые обладают селективной способностью пропускать только молекулы воды, задерживая солевые компоненты. Протекание процесса представлено схемой на рис.5.
Вода: а -пресная, б -морская А - прямой осмос; Б - установившееся равновесие; В - обратный осмос.
Если растворы с различной концентрацией разделить мембраной, то молекулы воды стремятся передвигаться так, чтобы выровнять концентрацию раствора с обеих сторон мембраны. За счет такого перетекания объем исходной воды увеличится. Давление, обеспечившее равновесную концентрацию при данном разности уровней по обе стороны мембраны называют осмотическим.
При создании повышенного давления на концентрированный раствор, можно превзойти давление осмотическое, что приведет к обратному перепуску молекул воды в сторону менее концентрированного раствора. На этом принципе реализована технология обратно-осмотического опреснения. Обратно-осмотические установки обладают возможностью опреснения как высокоминерализованных вод, так и очистки сбросных и возвратных вод, что позволяет применять их не только для получения пресной воды, но и использовать в схемах водоподготовки тепловых станций, а также получения питьевой воды высокого качества Принципиальная схема такой установки (рис.6) содержит фильтровальную установку, очищающую поступающую на опреснение воду, насосный агрегат для создания высокого давления на полупроницаемых мембранах, а также систему мембранных модулей, в которых протекает процесс разделения исходной воды на чистую воду и рассол.
Рис.6. Схема обратно-осмотического опреснителя
Этот метод опреснения характеризуется относительно меньшими расходами энергии на ведение процесса, не требует затрат дорогостоящей тепловой энергии. Однако его широкое практическое использование до настоящего времени сдерживается из-за меньшей производительности установки, трудности опреснения морской и соленой воды высокой концентрации, низкой механической прочности модулей. К числу разновидностей установок обратного осмоса следует отнести технологию опреснения электродиализом. Этот процесс основан на переносе ионов растворенных в воде солей в электрическом поле, создаваемом погруженными в нее электродами. Движение заряженных ионов раствора, направленное: катионы перемешаются к катоду, а анионы - к аноду. С возрастанием барьерного потенциала на электродах начинается разряжение контактных пластин камерной ванны с восстановлением на катоде ионов металлов и иона водорода, который выделился в процессе диссоциации воды. Образовавшийся газообразный водород удаляется из опресняемой воды, члены (ОН-) в соединении с ионами натрия переходят в щелочь. Молекулы кислорода взаимодействуют в анодной камере с хлором, формируют кислоту. Для предотвращения обратной реакции в камерах, где расположены анодные и катодные пластины устанавливают ионоселективные мембранные перегородки, через которые проходят или только катионы, или только анионы. Оставшаяся после электродиализа вода постепенно удаляется из камер. Особенностью этого метода является его ограниченная возможность опреснения вод с высокой минерализацией. Его можно использовать с целью производства кислот и щелочей. Энергоемкость получения конечного продукта - воды достаточно высока, а производительность не велика.
Как показывает предварительный анализ всех современных методов опреснения на современном этапе каждый из них не достиг абсолютного совершенства. Этим объясняется сдерживающее их использование при опреснении морских и соленых вод. Однако эти суждения, дающие только общие трактования о физической сущности процессов опреснения, не являются определяющими в решении проблемы воспроизводства запасов пресной воды не планете и должны рассматриваться в комплексе с другими путями ее получения. Многие из возникающих трудностей и недостатков могут быть устранены совершенствованием процесса, рациональным конструктивным решением, перестройкой цикла опреснительной установки, снижением энергозатрат, привлечением нетрадиционных энергоисточников, комплексной переработкой исходной воды до сухого остатка с извлечением побочных продуктов. Все эти меры приведут к существенному снижению стоимости процесса опреснения и расширят сферу его использования. Эти положения подтверждаются числом опреснительных установок, на которых получают воду во всем мире с суммарной выработкой более 20·106м3в сутки.