Подписаться

Опреснение

Последняя правка сделана 2021-05-17 14:39:15 Править
Удаление солей и минералов из вещества

Опреснение воды
Методы
Внешний звук
значок аудио «Заставляя пустыни цвести: природа спасает нас от засухи», Подкаст и стенограмма дистилляции, серия 239, 19 марта 2019 г., Институт истори и науки

Опреснение - это процесс, при котором из соленой воды удаляются минеральные компоненты. В более общем смысле, опреснение относится к удалению солей и минералов из целевого вещества, как в опреснение почвы, которое является проблемой для сельского хозяйства.

Соленая вода опресняется для получения воды, пригодной для потребление человеком или орошение. побочным продуктом процесса опреснения является рассол. Опреснение используется на многих морских . и подводных лодках. Большая часть современного интереса к опреснению воды сосредоточена на рентабельном секторе пресной водой для использования человеком. Наряду с переработанными сточными водами, это один из немногих источников воды, не зависящих от осадков.

В 177 странах действует около 16000 опреснительных заводов, производящих около 95 миллионов м3 воды в год. день пресной воды. Опреснение распространено в странах, регионах региона Ближнего Востока и Северной Африки, таких как Саудовская Аравия, ОАЭ и Кувейт. Опреснение также является важным источником воды в малых островных государствах.

. Из-за потребления энергии опреснение морской воды, как правило, дороже, чем пресная вода из поверхностных вод или подземных вод., оборотное водоснабжение и экономия воды. Однако эти альтернативы не всегда доступны, и истощение запасов является серьезной проблемой во всем мире. Процессы опреснения обычно управляются либо тепловым (в случае дистилляции ), либо электрическим (в случае обратным осмосом ) в качестве основных типов энергии.

В настоящее время 1% населения мира зависит от удовлетворения потребностей населения, но ожидает, что 14% населения мира столкнется с нехваткой воды к 2025 году. Опреснение особенно актуален в засушливых странах, таких как Австралия, которые традиционно полагаются на сбор дождевых осадков за плотинами для получения воды.

Кувейт производит долю своей воды путем опреснения, чем любая другая страна, что составляет 100% потребления воды.

Схема многоступенчатого мгновенного опреснителя. A - пар в B - морская вода в C - на выходе питьевая вода. D - на выходе рассола (отходы) E - конденсат на выходе F - теплообменник G - сбор конденсата (обессоленная вода). H - нагреватель рассола. сосуд высокого давления действует как противоточный теплообменник. Вакуумный насос снижает давление в сосуде для облегчения испарения нагретой морской воды (рассол ), которая поступает в сосуд с правой стороны (более темные оттенки указывают на более низкую температуру). Пар конденсируется на трубах в верхней части сосуда, по которой пресная морская вода движется направо слева. План типового обратного осмоса опреснительной установки

Содержание

  • 1 Методы
    • 1.1 Солнечная дистилляция
    • 1.2 Естественное испарение
    • 1.3 Вакуумная дистилляция
    • 1.4 Доступная мгновенная дистилляция
    • 1.5 Многоступенчатая дистилляция
    • 1.6 Парокомпрессионная дистилляция
    • 1.7 Обратный осмос
    • 1.8 Замораживание-оттаивание
    • 1.9 Электродиализная мембрана
    • 1.10 Мембранная дистилляция
    • 1.11 Прямой осмос
    • 1.12 Опресрес с помощью волн
  • 2 Соображения и критика
    • 2.1 Потребление энергии
    • 2.2 Когенерация
    • 2.3 Экономика
    • 2.4 Экология
      • 2.4.1 Потребление
      • 2.4.2 Отток
      • 2.4.3 Альтернативы опреснению
      • 2.4.4 Проблемы общественного здравоохранения
    • 2.5 Другие проблемы
  • 3 Общественное мнение
  • 4 Экспериментальные методы
    • 4.1 Отработанное тепло
    • 4.2 Низкотемпературный термический процесс
    • 4.3 Термоионный процесс
    • 4.4 Испарение и конденсация для cr ops
    • 4.5 Другие подходы
      • 4.5.1 Прямой осмос
      • 4.5.2 Опреснение на основе гидрогеля
      • 4.5.3 Малая солнечная энергия
      • 4.5.4 Passarell
      • 4.5.5 Геотермальная энергия
      • 4.5.6 Нанотехнологии
      • 4.5.7 Биомимез
      • 4.5.8 Электрохимия
      • 4.5.9 Электрокинетические удары
      • 4.5.10 Экстракция растворителем при колебаниях температуры
  • 5 Объекты
  • 6 В природе
  • 7 История
  • 8 См. Также
  • 9 Ссылки
  • 10 Дополнительная литература
  • 11 Внешние ссылки

Методы

Есть несколько методов. У каждого есть свои преимущества и недостатки, но все они полезны. Способы можно разделить на мембранные (например, обратный осмос ) и термические (например, многоступенчатая флэш-дистилляция ). Традиционный процесс опреснения - это дистилляция, т.е. кипячение и повторная конденсация морская вода, чтобы оставить соль и примеси.

Солнечная дистилляция

Солнечная дистилляция имитирует естественный круговорот воды, при котором солнце нагревает голубую морскую воду, чтобы произошло ее испарение. После испарения водяной пар конденсируется на прохладной поверхности. Есть два типа солнечного опреснения. В первом из них используются фотоэлектрические элементы, которые преобразуют солнечную энергию в электрическую систему процесса опреснения. Последний использует солнечную энергию в форме тепла и как известен опреснение с солнечной энергии.

Естественное испарение

Вода может испаряться под действием нескольких других физических воздействий, включая солнечного излучения. Эти эффекты были включены в междисциплинарную методологию опреснения в IBTS Greenhouse. IBTS - это промышленная опреснительная (энергетическая) установка с одной стороны и теплица, работающая с естественным водным циклом (в масштабе 1:10) с другой стороны. Различные процессы испарения и конденсации происходят в низкотехнологичных коммуникациях, частично под землей, и в архитектурной форме самого здания. Эта интегрированная биотектурная система наиболее подходит для крупномасштабного озеленения пустыни, поскольку она имеет площадь в километрах для дистилляции воды и то же самое для ландшафта при озеленении пустыни, соответственно регенерации естественного круговорота пресной воды.

Вакуумная перегонка

В вакуумная перегонка атмосферное давление снижается, тем самым понижая температура, специально для испарения воды. Жидкости закипают, когда давление пара равно давлению окружающей среды, а давление пара увеличивается с температурой. Фактически, кипят при более низкой температуре, когда окружающее давление меньше обычного атмосферного давления. Таким образом, из-за пониженного давления можно использовать низкотемпературное «отходящее» тепло от производства электроэнергии или промышленных процессов.

Многоступенчатая мгновенная дистилляция

Вода выпаривается и отделяется от морской воды с помощью многоступенчатой ​​мгновенной дистилляции, которая представляет собой серию мгновенных испарений. Каждый последующий процесс мгновенного испарения использует энергию, выделяемую при конденсации водяного пара на предыдущем этапе.

Многоступенчатая дистилляция

Многоступенчатая дистилляция (MED) проходит через серию этапов, называемых "последствия". Поступающая вода распыляется на трубы, которые затем нагреваются для образования пара. Затем используется для сообщения следующей партии поступающей морской воды. Для повышения эффективности пар, используйте для системы морской воды, можно брать с близлежащих электростанций. Несмотря на то, что этот метод является наиболее термодинамически эффективным среди методов, работающих за счет тепла, существует несколько ограничений, таких как максимальная температура и максимальное количество эффектов.

Дистилляция с использованием компрессии пара

Испарение с использованием пара включает использование механического компрессора или струйного потока для сжатия пара, находящегося над жидкостью. Затем испарение используется для обеспечения тепла, необходимого для испарения остальной морской воды. Для этой системы требуется только электроэнергия, она более рентабельна, если используется в небольших масштабах.

Обратный осмос

Ведущий процесс опреснения точки зрения установленной мощности и годового роста - обратный осмос (RO). В мембранных процессах обратного осмоса используются полупроницаемые мембраны и прикладываемое давление (на стороне подачи мембраны), чтобы вызвать проникновение воды через мембрану при удалении солей. Установка обратного осмоса мембранные системы обычно используют меньше энергии, чем термического опреснения. Стоимость энергии в процессе опреснения модифицируется в зависимости от солености воды, размера и типа процесса. Ожидается, что расходы будут снижаться за счет технологических усовершенствований, которые включают, но не ограничивают, повышение эффективности, сокращение площади, улучшение работы и оптимизация завода, более эффективная предварительная обработка материалов и более дешевые источники энергии.

В обратном осмосе используется тонкопленочная композитная мембрана, состоящая из ультратонкой тонкой пленки ароматического полиамида. Эта полиамидная пленка придает мембрану ее транспортные свойства, тогда как остальная часть тонкопленочной композитной мембраны обеспечивает механическую поддержку. Полиамидная пленка представляет собой плотный полимер без пустот с большой площадью поверхности, обеспечивает ее высокую водопроницаемость.

Опреснительная установка обратного осмоса в Барселоне, Испания

Процесс обратного осмоса не требует обслуживания. На эффективность влияющие факторы: ионное загрязнение (кальций, магний и т. Д.); ДОК ; бактерии; вирусы; коллоиды и нерастворимые частицы; биообрастание и масштабирование. В крайних случаях мембраны обратного осмоса разрушаются. Чтобы уменьшить ущерб, вводятся различные этапы предварительной обработки. Ингибиторы против образования накипи включают кислоты и другие агенты, такие как органические полимеры полиакриламид и фосфонаты и полифосфаты. Ингибит окислителями являются биоциды (в качестве хлор, озон, гипохлорит натрия или кальция) (в качестве против бактерий и вирусов). Регулярно, в зависимости от загрязнения мембраны; колебания состояния морской воды; или по требованию процесса мониторинга мембраны необходимо очистить, что называется аварийной или шоковой промывкой. Промывка выполняется ингибиторами в растворе пресной воды, и система должна отключиться. Эта процедура опасна для окружающей среды, поскольку загрязненная вода без очистки сбрасывается в океан. Чувствительные морские среды обитания могут быть необратимо повреждены.

Автономные опреснительные установки на солнечной энергии используют солнечную энергию для заполнения буферного резервуара на холме морской водой. В процессе обратного осмоса морская вода под давлением в часы без солнечного света под давлением силы тяжести, что приводит к устойчивому производству питьевой воды без использования ископаемого топлива, электросети или батарей. Нано-трубки также используются для той же функции (например, обратного осмоса).

Замораживание-оттаивание

Обессоливание при замораживании-оттаивании использует замораживание для удаления пресной воды из соленой воды. Во время замерзания соленая вода разбрызгивается на подушку, где накапливается ледяной кучу. Когда сезонные условия теплые, талая вода, опресненная естественным путем, восстанавливается. Этот метод основан на продолжительных периодах естественных условий ниже нуля.

Другой метод замораживания-оттаивания, не зависящий от погоды и изобретенный Александром Зарчиным, замораживает морскую воду в вакууме. В условиях вакуума опресненный лед растапливают и направляют на сбор, а соль собирается.

Электродиализная мембрана

Электродиализ использует потенциал для перемещения солей пары заряженных мембран, которые удерживают соль в чередующихся каналах. Существует несколько разновидностей электродиализа, таких как обычный электродиализ, обращение электродиализа.

Мембранная дистилляция

Мембранная дистилляция использует температур на мембране для испарения пара из солевого раствора и конденсации чистого конденсата на более холодной стороне.

Прямой осмос

Прямой осмос использует полупроницаемую мембрану для отделения воды от растворенных веществ. Движущей силой этого разделения является градиент осмотического давления, так что «вытягивает» раствор с высокой концентрацией.

Опреснение с помощью волн

CETO - это мощность волны технология опреснения морской воды с помощью погружных буев. Опреснительные установки с волновым приводом начали работать на Garden Island в выдаче Австралии в 2013 году и в Перте в 2015 году.

Соображения и критика

Потребление энергии

Энергозатратность процесса опреснения зависит от солености воды. Для опреснения солоноватой воды требуется меньше энергии, чем для опреснения морской воды. Энергопотребление при опреснении морской воды достигло всего 3 кВтч / м, включая предварительную фильтрацию и вспомогательные устройства, аналогично потреблению энергии другими источниками пресной воды, транспортируемыми на больших расстояниях воды, но намного выше, чем у местных источников пресной с расходом не более 0,2 кВтч / м.

Было определено минимальное потребление энергии для опреснения морской воды около 1 кВтч / м без учета предварительной фильтрации и откачки на входе / выходе. Менее 2 кВтч / м3 было достигнуто с помощью мембранной технологии обратного осмоса, что оставляет ограниченные возможности для дальнейшего снижения энергии, поскольку потребление энергии обратным осмосом в 1970-х составляло 16 кВтч / м.

Поставка всей бытовой воды в США путем опреснения увеличит бытовое потребление энергии примерно на 10%, примерно на количество энергии, потребляемой бытовыми холодильниками. Внутреннее потребление составляет относительно небольшую долю от объема потребления воды.

Энергозатратность методов опреснения морской воды.
Метод опреснения>>Многоступенчатая флэш-память MSF Многоступенчатая дистилляция MED Механическая Компрессия пара MVC Обратный осмос RO
Электрическая энергия (кВтч / м)4–61,5–2,57–123–5,5
Тепловая энергия (кВтч / м)50–11060–110НетНет
Электрический эквивалент тепловой энергии (кВтч / м)9,5– 19,55–8,5НетНет
Общая эквивалентная электрическая энергия (кВтч / м)13,5– 25,56,5–117–123–5,5

Примечание: «Электрический эквивалент» означает к количеству электрической энергии, которая может быть произведена с использованием данного количества тепловой энергии и соответствующего турбогенератора. Эти расчеты не включают использование для строительства или ремонта предметов, потребляемых в процессе.

Когенерация

Когенерация генерирует избыточное тепло и электроэнергию в рамках единого процесса. Когенерация может обеспечивать полезное тепло для опреснения в интегрированном или «двойном» объекте, где электростанция вырабатывает энергию для опреснения. В качестве альтернативы производства энергии на предприятии может быть направлено производство питьевой воды (автономное предприятие), либо избыточная энергия может производиться и включаться в энергосистему. Когенерация принимает различные формы, и теоретически можно использовать любую форму производства энергии. Однако используемые в качестве планируемых когенерационных опреснительных установок используют в источнике энергии ископаемое топливо или ядерную энергию. Большинство заводов расположены на Ближнем Востоке или в Северной Африке, которые используют свои нефтяные ресурсы для компенсации ограниченных водных ресурсов. Преимущество установок двойного назначения в том, что они могут быть более эффективными в энергопотреблении, что делает опреснение более рентабельным.

Шевченко БН-350, бывшая опреснительная установка с ядерным обогревом в Казахстане

Современная тенденция в установках двойного назначения - это гибридные конфигурации, в которых пермеат от опреснения обратным осмосом смешивается с дистиллятом от термического опреснения. В основном, два или более процесса опреснения сочетаются с производством электроэнергии. Такие установки были реализованы в Саудовской Аравии в Джидде и Янбу.

. Типичный суперкарджер в вооруженных силах США способен использовать ядерную энергию для опреснения 1500000 литров воды за день.

Экономика

Затраты на опреснение морской воды (инфраструктура, энергия и техническое обслуживание) обычно выше, чем пресная вода из рек или грунтовые воды, оборотное водоснабжение и водосбережение, но альтернативы не всегда доступны. Затраты на опреснение в 2013 году варьировались от 0,45 до 1 доллара США / м. Более половины затрат напрямую связано с затратами на энергию, а поскольку цены на энергию очень нестабильны, фактические затраты могут существенно различаться.

Стоимость неочищенной пресной воды в развивающихся странах может достигать 5 долларов США за кубический метр.

Сравнение затрат на методы опреснения
МетодСтоимость (долл. США / литр)
Пассивная солнечная энергия (энергоэффективность 30,42%)0,034
Пассивная солнечная энергия (улучшенная одиночная -slope, Индия)0,024
Пассивный солнечный (улучшенный двойной наклон, Индия)0,007
Многоступенчатая вспышка (MSF)< 0.001
Обратный осмос (концентрированная солнечная энергия)0,0008
Обратный осмос (фотоэлектрическая энергия)0,000825
Среднее потребление воды и стоимость подачи путем опреснения морской воды из расчета 1 доллар США за кубический метр (± 50%)
ПлощадьПотребление. Литр на человека в деньСтоимость опресненной воды. долларов США на человека в день
US037800,38
Европа018900,19
Африка005700,06
Миля, рекомендованная ООН nimum004900.05

Факторы, определяющие затраты на опресн ение, включают мощность и тип установки, местоположение, питательную воду, рабочую силу, энергию, финансирование и утилизацию концентрата. Установки для опреснения регулируют давление, температуру и концентрацию рассола для оптимизации эффективности. Атомное опреснение может быть экономически выгодным в больших масштабах.

Отмечая снижение затрат, и в целомкарбоната кальция, который выпадает в осадок, оставляя пресную воду. Теоретическая энергоэффективность этого метода сопоставима с электродиализом и обратным осмосом.

экстракцией растворителем при изменении температуры

Экстракция растворителем при изменении температуры (TSSE) использует растворитель вместо мембрана или высокие температуры.

Экстракция растворителя - распространенный метод в химической инженерии. Его можно активировать низкопотенциальным нагревом (менее 70 ° C (158 ° F), что может не потребовать запущенного в исследовании, TSSE удалил до 98,4% соли в рассоле.

Он может очень сильно опреснять соленый рассол в семь раз соленее океана. Для сравнения, нынешние методы позволяют обрабатывать рассол только вдвое.

Удобства

В природе

Лист мангрового дерева с кристаллами соли

Испарение воды над океанами в круговороте воды - это естественный процесс опреснения.

При образовании морской лед образует лед с небольшим количеством соли, намного ниже, чем в морской воде.

Морские птицы перегоняют морскую воду, используя противоточный обмен в с альнике с ретранслятором. Сальник выделяется высококонцентрированный солевой раствор, хранящийся около ноздрей над клювом. Затем птица «чихает» рассол. Некоторые морские птицы, такие как пеликаны, буревестники, альбатросы, чайки и <94, используются пресная вода обычно недоступна в их среде обитания.>крачки обладают этой железой, которая позволяет им пить соленую воду из окружающей среды, когда они находятся далеко от суши.

Мангровые деревья растут в морской воде; они выделяют соль, улавливают ее в частях корня, которые затем поедают животные (обычно крабы). Дополнительная соль удаляется путем хранения ее в опадающих листьях. У некоторых видов мангровых деревьев на листьях есть железы, которые работают аналогично опреснительной железе морских птиц. Соль извлекается наружу листа в виде мелких кристаллов, которые затем опадают с листа.

Ива деревья и тростник поглощают соль и другие загрязнения, эффективно опресняя воду. Это используется в искусственно построенных заболоченных территориях для очистки сточных вод.

История

Опреснение известно в истории на протяжении тысячелетия, а также концепция более поздняя практика, хотя в ограниченная форма. Древнегреческий философ Аристотель в своей работе Метеорология заметил, что «соленая вода, когда она превращается в пар, становится сладкой, и пар больше не образует соленую воду, когда он конденсируется», и также заметил, что сосуд с мелким воском будет удерживать питьевую воду после длительного погружения в морскую воду, действуя как мембрана для фильтрации соли. Есть множество других примеров по опреснению экспериментов на протяжение античности и средневековья, но опреснение никогда не было возможным в больших масштабах до современной эпохи. Хорошим примером этого эксперимента являются наблюдения Леонардо да Винчи (Флоренция, 1452 г.), который понял, что дистиллированную воду можно дешево считать в больших количествах, приспособление дистиллятор к кухонной плите.. В средние века повсюду в Центральной Европе продолжалась работа по усовершенствованию дистилляции, хотя и не обязательно направленная на опреснение.

Однако возможно, что первая крупная наземная опреснительная установка могла быть установлена ​​в аварийных условиях на острове у берегов Туниса в 1560 году. Считается, что гарнизон из 700 испанских солдат был осажден большим количеством турок и что во время осады капитан изготовил все еще способ производства 40 баррелей пресной воды в день, хотя подробности устройства не сообщаются.

До промышленной революции опреснение было в первую очередь океанских судов, которым необходимо было иметь на борту запасы пресной воды. Сэр Ричард Хокинс (1562-1622), который много путешествовал по Южным морям, сообщил в своем возвращении, что он смог снабдить своих людей пресной водой с помощью судовой дистилляции. Кроме того, в начале 1600-х годов выдающихся деятелей той эпохи, таких как Фрэнсис Бэкон или Уолтер Рэли, опубликованы отчеты об опреснении воды. Эти и другие отчеты создают среду для первого патентного спора, касающегося устройства для опреснения воды. Два первых патента на опреснение воды к 1675 и 1683 годам (патенты № 184 и № 226, опубликованные г-ном Уильямом Уолкотом и г-ном Робертом Фицджеральдом (и другими) соответственно). Тем не менее, менее одно из двух изобретений на самом деле не было введено в эксплуатацию из-за технических проблем, связанных с трудностями увеличения масштаба. В течение 150 лет, с середины 1600-х до 1800-х годов, в течение некоторого времени в течение 150 лет, с середины 1600-х до 1800-х годов, не было внесено никаких значительных улучшений в основной процесс перегонки морской воды. корабль Hussaren) опреснительная установка была изучена и зафиксирована очень подробно. Формулы-1, разработанные Томас Джефферсон, разработанные для всех судов на основе разрешений на плавание.

Начало примерно с 1800 года, вещи начал меняться очень быстро в появлении паровой машины и так называемого возраста пара. Развитие о термодинамике паровых знаний и потребностей в источнике чистой воды для ее использования в котлах дало положительный эффект в отношении систем дистилляции. Кроме того, распространение европейского колониализма вызвало потребность в пресной воде в отдаленных частях мира, создавая таким образом подходящий климат для опреснения воды.

Параллельно с разработкой и усовершенствованием систем с использованием пара (испарители многократного действия ), этот тип устройств обеспечивает свой потенциал в области опреснения воды. В 1852 году Альфонсу Рене Ле Мир де Нормандия был выдан британский патент на установку для перегонки морской воды с вертикальной трубкой, которая благодаря своей конструкции конструкции и очень быстро приобрела популярность для использования на борту судов. Наземные опреснительные установки практически не появлялись до второй половины XIX века. В 1860-х годах армия США приобрела три испарителя в Нормандии, каждый мощностью 7000 галлонов в день, и их на островах Ки-Уэст и Драй-Тортугас. Еще одна важная наземная опреснительная установка была установлена ​​в Суакине в течение 1980-х годов. Он состоял из шестиступенчатых дистилляторов производительностью 350 т / сутки.

Значительные исследования улучшенных методов опреснения проводились в Штатах после Второй мировой войны. Был создан в главстве внутренних дел США в 1955 году в соответствии с законодательством 1952 года. Он был объединен в 1974 году.

Открылся первый промышленный опреснительный завод в США. в Фрипорте, штат Техас в 1961 году с надеждой обеспечить водную безопасность в регионе после десятилетия засухи. Вице-президент Линдон Б. Джонсон присутствовал на открытии завода 21 июня 1961 года. Президент Джон Ф. Кеннеди записал речь из Белого дома, описывающую опреснение как «работа, которая во многих отношениях важна, чем любое другое научное предприятие, которым занимается сейчас эта страна».

Исследования проводились в государственных университетах Калифорнии, в Dow Chemical Company и DuPont. Многие исследования посвящены способам оптимизации систем опреснения.

Первая коммерческая установка обратного осмоса опреснительная установка Coalinga была открыта в Калифорнии в 1965 году для солоноватая вода. Несколько лет спустя, в 1975 году, введена в эксплуатацию первая морская вода опреснительная установка обратного осмоса.

В настоящее время в мире действует около 21 000 опреснительных установок. Самые крупные из них находятся в Арабских Эмиратах, Саудовской Аравии и Израиле. Самая большая в мире опреснительная установка установлена ​​в Саудовской Аравии (Рас-Аль-Хайр) и имеет мощность 1 401 000 кубических метров в сутки.

В настоящее время в мире есть две технологии с большей мощностью опреснения, и Обратный осмос.

См. также

Ссылки

Дополнительная литература

Внешние ссылки

Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: mail@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте