Не будьте солеными: как заставить опреснение работать в мире завтрашнего дня

Хотя воды часто не хватает для потребления человеком и ведения сельского хозяйства, эта планета на три четверти покрыта ею. Проблема заключается в удалении соли, и это обычно происходит в результате круговорота воды на Земле, который вызывает дожди и подобные явления, которые пополняют количество пресной воды. Примерно 3% воды на Земле — это пресная вода, часть которой — питьевая вода.

За последние десятилетия использование опреснения воды увеличивалось из года в год, особенно в таких странах, как Саудовская Аравия, Израиль и Объединенные Арабские Эмираты, но засушливые штаты США, такие как Калифорния, все чаще изучают технологии опреснения. Очевидные препятствия, с которыми сталкивается опреснение – независимо от конкретной используемой технологии – включают энергию, необходимую для работы этих систем, и конечную стоимость произведенной питьевой воды по сравнению с ее импортом из других источников.

Другие проблемы, возникающие при опреснении, включают воздействие на окружающую среду, особенно из-за отходов рассола и, предположительно, морской жизни, засасываемой в водозаборные трубы. Каковы доступные варианты снижения энергопотребления и воздействия на окружающую среду по мере роста потребности в опреснении?

Распространенным типом опреснения является дистилляция, которая, по сути, происходит в природе путем испарения поверхностных вод. Когда вода нагревается, она испаряется, при этом остаются соли и другие растворенные твердые вещества. Когда этот процесс выполняется с использованием интенсивного нагрева и поэтапно, он называется многоступенчатой ​​мгновенной дистилляцией (MSF), которая является одним из трех наиболее распространенных типов дистилляции, наряду с многоступенчатой ​​​​дистилляцией (MED), в которой используются стадии с подогревом. переведите эту пару на следующий этап, эффективно повторно используя тепло. Однако на сегодняшний день наиболее распространенным типом дистилляции (доля ~69%) является обратный осмос (RO), в котором используется перепад давления на мембране, который пропускает молекулы воды, но не соли и многие другие растворенные твердые вещества.

Важно помнить, что ни один из этих крупномасштабных процессов опреснения не приводит к четкому разделению воды и всего остального. Вместо этого имеется выход пресной воды (~40% для обратного осмоса) с потоком концентрата, который по существу представляет собой соленую воду, что позволяет использовать любые загрязняющие вещества, содержащиеся в поступающей соленой или солоноватой воде. Этот поток концентрата возвращается в море или другой водоем, из которого была взята забираемая вода.

Помимо гораздо более высокого содержания солей в этом потоке концентрата, примерно в два раза превышающего содержание морской воды, он также имеет гораздо более высокую температуру, чем вода на входе в установки термического опреснения. Хотя повышенная температура сбрасываемого рассола оказывает явное негативное воздействие на местную морскую жизнь, сообщается, что шлейф соленой воды в некоторых местах сохраняется на расстоянии до 5 км от места сброса. Это сделает эту территорию непригодной для обитания ряда видов, которые плохо переносят соленую воду.

Многое из этого подчеркнуто в обзоре Ихсануллы и др., опубликованном в августе 2021 года. подробное описание известного воздействия современных опреснительных установок на окружающую среду, а также стратегий, позволяющих сделать опреснение более экологически чистым. В этом обзоре также рассматриваются добавки, которые обычно добавляются в подаваемую воду и которые могут попасть в окружающую среду, включая:

Кроме того, поток отходов может включать в себя различные другие загрязнения, такие как медь и никель, в результате коррозии теплообменников и других компонентов опреснительной установки. По характеру процесса опреснения концентрации тяжелых металлов также будут увеличены. Чтобы уменьшить воздействие этого потока отходов на окружающую среду, потоки отходов опреснительных установок все чаще подвергаются очистке перед выпуском обратно в окружающую среду.

До 1980-х годов использование термического опреснения было обычным явлением, и именно тогда RO стал коммерчески доступным. Большим преимуществом RO является гораздо более низкая потребность в энергии на кубический метр добытой пресной воды (Elsaid et al., 2020), при этом MSF (работающий при 120°C) требует больше всего энергии, особенно термической. MED потребляет значительно меньше энергии за счет повторного использования тепла на последовательных этапах. Как видно из таблицы, воспроизведенной здесь из работы Ihsanullah et al. (2021), отсутствие требований к тепловой энергии для обратного осмоса по умолчанию делает его значительно более эффективным, поскольку электрическая энергия требуется только для создания градиента давления на мембране.