Войти
| Опреснение воды |
|---|
| Методы |
|
солнечное опреснение - это метод получения воды с низкой концентрацией соли из морской воды или рассола с использованием солнечной энергии. Существует два распространенных метода солнечного опреснения. Либо с использованием прямого солнечного тепла, либо с использованием электричества, вырабатываемого солнечными батареями для питания мембранного процесса.
Состояние технологий опреснения на возобновляемых источниках энергии. В прямом методе солнечный коллектор соединяется с дистилляционным механизмом, и процесс выполняется в одном простом цикле. Солнечные установки этого типа описаны в руководствах по выживанию, которые входят в комплекты для выживания на море., и используется на многих небольших опреснительных и дистилляционных установках. Производство воды прямым методом солнечной дистилляции пропорционально площади солнечной поверхности и углу падения и имеет среднее расчетное значение 3–4 литра на квадратный метр (0,074–0,098 галлона США / кв. Фут). Из-за этой пропорциональности и относительно высокой стоимости собственности и материалов для строительства, прямой метод дистилляции имеет тенденцию отдавать предпочтение установкам с производственной мощностью менее 200 м3 / сутки (53000 галлонов США / сутки).
Непрямое солнечное опреснение использует два отдельные системы; солнечный коллектор, состоящий из фотоэлектрических и / или тепловых коллекторов на основе жидкости, и отдельной традиционной опреснительной установки. Производство косвенным методом зависит от эффективности предприятия, и стоимость единицы произведенной продукции обычно снижается за счет увеличения масштаба. Теоретически проанализировано, экспериментально испытано и в некоторых случаях установлено множество различных устройств установки. Они включают, но не ограничиваются ими, многократное увлажнение (MEH), многоступенчатую мгновенную дистилляцию (MSF), многоступенчатую дистилляцию (MED), многократное кипячение (MEB), увлажнение-осушение (HDH), обратный осмос (RO) и дистилляция с эффектом замораживания.
Системы косвенного солнечного опреснения с использованием фотоэлектрических панелей и обратного осмоса (RO) имеют коммерчески доступны и используются с 2009 года. Производительность к 2013 году составит до 1600 литров (420 галлонов США) в час на систему и 200 литров (53 галлона США) в день на квадратный метр фотоэлектрической панели. Планируются системы муниципального масштаба. Атолл Утирик в Тихом океане снабжается пресной водой таким образом с 2010 года.
Непрямое солнечное опреснение путем увлажнения / осушения используется в теплица с морской водой.
Методы солнечной дистилляции использовались человечеством на протяжении тысяч лет. От первых греческих моряков до персидских алхимиков эта базовая технология использовалась для производства пресноводных и лечебных дистиллятов. Фактически, солнечные перегонные установки были первым широко используемым методом обработки загрязненной воды и ее преобразования в питьевую форму.
В 1870 году Норману Уиллеру и Уолтону Эвансу был выдан первый патент США на устройство для солнечной дистилляции.. Два года спустя в Лас-Салинасе, Чили, Чарльз Уилсон, шведский инженер, начал строительство дистилляционной установки прямого действия на солнечной энергии для снабжения пресной водой рабочих на селитре и серебряном руднике. Он работал непрерывно в течение 40 лет и производил в среднем 22,7 м дистиллированной воды в день, используя сточные воды от горных работ в качестве питательной воды.
Солнечное опреснение морской воды и солоноватых грунтовых вод в современных Соединенных Штатах восходит к в начале 1950-х годов, когда Конгресс принял Закон о конверсии соленой воды, что привело к созданию Управления соленой воды (OSW) в 1955 году. Основная функция OSW заключалась в управлении фондами для исследований и разработок проектов опреснения. Одна из пяти построенных демонстрационных установок была расположена в Дейтона-Бич, Флорида, и была посвящена исследованию методов солнечной дистилляции. Многие из проектов были направлены на решение проблем нехватки воды в отдаленных пустынных и прибрежных районах. В 1960-х и 1970-х годах на греческих островах было построено несколько современных солнечных установок с производительностью от 2000 до 8500 м3 / день. В 1984 году в Абу-Даби был построен завод MED мощностью 120 м3 / сутки, который работает до сих пор. В Италии проект с открытым исходным кодом, названный Габриэле Диаманти «Eliodomestico», был разработан для личного использования по цене 50 долларов на строительные материалы.
Из примерно 22 миллионов м3 пресной воды, производимой в день в процессе опреснения во всем мире, менее 1% производится с использованием солнечной энергии. Преобладающие методы опреснения, MSF и RO, энергоемки и в значительной степени зависят от ископаемого топлива. Из-за недорогих методов доставки пресной воды и обилия дешевых энергоресурсов солнечная дистилляция до сих пор рассматривалась как дорогостоящая и непрактичная. Подсчитано, что опреснительные установки, работающие на обычном топливе, потребляют эквивалент 203 миллионов тонн топлива в год. С приближением (или переходом) пика добычи нефти цены на ископаемое топливо будут продолжать расти по мере сокращения этих ресурсов; в результате солнечная энергия станет более привлекательной альтернативой для удовлетворения мировых потребностей в опреснении воды.
Есть два основных способа достижения опреснения с использованием солнечной энергии через фазовый переход за счет теплового ввода или в одной фазе путем механического разделения. Фазовое изменение (или многофазное) может быть выполнено путем прямой или косвенной солнечной дистилляции. Однофазное опреснение преимущественно осуществляется в опреснительной установке на солнечной энергии, в которой используются фотоэлектрические элементы, вырабатывающие электричество для привода насосов, хотя изучаются экспериментальные методы с использованием солнечного теплового сбора для обеспечения этой механической энергии.
Прямые методы многофазного солнечного опреснения - это те, которые используют тепловую энергию солнца, собранную для нагрева морской воды и получения испарения, необходимого для этого двухфазного разделения. Такие методы относительно просты и занимают мало места, поэтому обычно используются в небольших производственных системах. Однако они имеют низкую производительность из-за низкой рабочей температуры и давления, поэтому они полезны в местах, где потребность в пресной воде ниже 200 м / день.
Это простое устройство, которое работает с использованием того же естественного процесса производства естественных осадков. Под прозрачной крышкой находится поддон, в который наливается соленая вода. Последний улавливает солнечную энергию внутри корпуса, нагревая морскую воду и испаряя ее. На внутренней поверхности наклонной прозрачной крышки образуется конденсат, а все соли, неорганические и органические компоненты и микробы остаются.
Прямой метод, который до сих пор использует солнечная энергия, имеет низкую производительность, достигая значений 4-5 л / м / день и эффективности 30-40%. Было изучено несколько методов улучшения этой технологии. Тип бассейна является наиболее часто используемым, но есть и другие улучшения:
КПД можно повысить до 45%, используя двойной наклон или дополнительный конденсатор.
В фитиль, питательная вода медленно течет через пористую, поглощающую излучение подушку. Это требует меньшего объема воды для нагрева и легче изменить угол по направлению к солнцу, что ускоряет его использование и может быть достигнуто более высоких температур.
Диффузионный дистиллятор. Он состоит из двух частей: одного горячего резервуара, соединенного с солнечным коллектором, и дистилляционного блока. Нагрев осуществляется за счет тепловой диффузии между этими двумя блоками.
Повышение внутренней температуры за счет использования другого внешнего источника энергии может повысить производительность. Это единственный прокомментированный активный метод, все вышеупомянутые пассивные устройства.
Многоступенчатая мгновенная дистилляция - один из преобладающих традиционных методов с фазовым переходом для достижения опреснения. На его долю приходится примерно 45% всех мировых опреснительных мощностей и 93% всех тепловых методов.
В Италии есть установка MSF производительностью 50–60 м / день с солнечным прудом с градиентом солености, обеспечивающим тепловую энергию. и емкость хранения. В Эль-Пасо, штат Техас, действует аналогичный проект, производящий 19 м3 / сутки. В Кувейте был построен объект MSF с использованием коллекторов с параболическими желобами для обеспечения необходимой солнечной тепловой энергии для производства 100 м пресной воды в день. А в Северном Китае существует экспериментальная автоматическая беспилотная операция, в которой используются 80 м вакуумных трубчатых солнечных коллекторов в сочетании с ветряной турбиной мощностью 1 кВт (для приведения в действие нескольких небольших насосов) для производства 0,8 м3 / день.
Производство Данные показывают, что солнечная дистилляция MSF имеет производительность 6–60 л / м / день по сравнению со стандартной производительностью 3–4 л / м / день солнечной установки. MSF испытывает очень низкую эффективность во время запуска или периодов низкого потребления энергии. Для достижения максимальной эффективности MSF требует тщательно контролируемых перепадов давления на каждой ступени и постоянного энергопотребления. В результате солнечные установки требуют некоторой формы хранения тепловой энергии, чтобы справиться с помехами облаков, изменяющимся солнечным режимом, работой в ночное время и сезонными изменениями температуры окружающего воздуха. По мере увеличения емкости аккумуляторов тепловой энергии может быть достигнут более непрерывный процесс, а производительность приближается к максимальной эффективности.
Хотя он использовался только в демонстрационных проектах, этот косвенный метод, основанный на кристаллизации Преимущество соленой воды в том, что она требует небольшого количества энергии. Поскольку скрытая теплота плавления воды составляет 6,01 кДж / моль, а скрытая теплота парообразования при 100 ° C составляет 40,66 кДж / моль, это должно быть дешевле с точки зрения затрат на энергию. Кроме того, снижается риск коррозии. Однако имеется недостаток, связанный с трудностями механического перемещения смесей льда и жидкости. Он еще не поступил в продажу из-за стоимости и трудностей с холодильными системами.
Наиболее изученным способом использования этого процесса является холодильная заморозка. Холодильный цикл используется для охлаждения водяного потока с образованием льда, после чего кристаллы отделяются и плавятся, чтобы получить свежую воду. Есть несколько недавних примеров таких процессов на солнечной энергии: установка, построенная в Саудовской Аравии компаниями Chicago Bridege и Iron Inc. в конце 1980-х годов, была остановлена из-за своей неэффективности.
Тем не менее, недавнее исследование соленых грунтовых вод показало, что завод, способный производить 1 миллион галлонов в день, будет производить воду по цене 1,30 доллара за 1000 галлонов. Если это правда, это будет устройство, конкурентоспособное по стоимости с устройствами обратного осмоса.
Есть две неотъемлемые проблемы проектирования, с которыми сталкивается любой проект по тепловому солнечному опреснению. Во-первых, эффективность системы определяется предпочтительно высокими скоростями тепло- и массообмена при испарении и конденсации. Поверхности должны быть правильно спроектированы в соответствии с противоречивыми целями эффективности теплопередачи, экономичности и надежности.
Во-вторых, тепло конденсации ценно, потому что для его работы требуется большое количество солнечной энергии. испаряют воду и производят насыщенный горячий воздух, содержащий пары. Эта энергия по определению передается поверхности конденсатора во время конденсации. В большинстве видов солнечных перегонных аппаратов это тепло конденсации выбрасывается из системы в виде отработанного тепла. Проблема, которая все еще существует в этой области сегодня, заключается в достижении оптимальной разницы температур между паром, генерируемым солнечной энергией, и конденсатором, охлаждаемым морской водой, максимальном повторном использовании энергии конденсации и минимизации инвестиций в активы.
В эффективных системах опреснения используется рекуперация тепла, позволяющая за одно и то же поступление тепла обеспечивать в несколько раз больше воды, чем при простом испарительном процессе, таком как солнечные установки. Высокий уровень солнечной энергии, необходимой для солнечного опреснения, должен снизить давление в резервуаре. Это может быть выполнено с помощью вакуумного насоса и значительно снижает температуру тепловой энергии, необходимой для опреснения. Например, вода под давлением 0,1 атмосферы закипает при 50 ° C (122 ° F), а не при 100 ° C (212 ° F).
Солнечное увлажнение –Процесс осушения (HDH) (также называемый многоэтапным увлажнением – осушением, многоступенчатым циклом конденсационного испарения солнечной энергии (SMCEC) или многоэтапным увлажнением (MEH)) - это метод, имитирующий естественное круговорот воды в более короткие сроки за счет испарения и конденсации воды для отделения ее от других веществ. Движущей силой в этом процессе является тепловая солнечная энергия для производства водяного пара, который затем конденсируется в отдельной камере. В сложных системах отходящее тепло сводится к минимуму за счет сбора тепла от конденсирующегося водяного пара и предварительного нагрева входящего источника воды. Эта система эффективна для малых и средних систем опреснения в удаленных местах из-за относительной дешевизны солнечных тепловых коллекторов.
Непрямое или однофазное солнечное опреснение. При опреснении с помощью источника энергии объединены две разные технологические системы: система сбора солнечной энергии (например, с использованием фотоэлектрических панелей) и проверенная система опреснения, такая как обратный осмос (RO). Основные однофазные процессы или мембранные процессы состоят из обратного осмоса (RO) и электродиализа (ED). Однофазное солнечное опреснение в основном достигается за счет использования фотоэлектрических элементов, вырабатывающих электричество для привода насосов, используемых для опреснения обратным осмосом. В настоящее время в мире насчитывается более 15 000 опреснительных заводов, из которых почти 70% используют метод обратного осмоса, что делает процессы обратного осмоса ответственными за 44% производственных мощностей опреснителя во всем мире. Тем не менее, изучаются альтернативные экспериментальные методы, в которых используется сбор солнечного тепла для обеспечения механической энергии для запуска процесса обратного осмоса.
В системах обратного осмоса опреснение воды давление морской воды поднимается выше естественного осмотического давления, выталкивая чистую воду через поры мембраны в сторону пресной воды.. Обратный осмос (RO) является наиболее распространенным процессом опреснения с точки зрения установленной мощности из-за его более высокой энергоэффективности по сравнению с системами термического опреснения, несмотря на необходимость обширной предварительной обработки воды. Кроме того, часть потребляемой механической энергии может быть восстановлена из концентрированного потока рассола с помощью устройства для рекуперации энергии.
Опреснение воды обратным осмосом на солнечной энергии является обычным явлением на демонстрационных установках из-за модульности и масштабируемости как фотоэлектрических установок. (PV) и RO системы. Подробный экономический анализ и тщательная стратегия оптимизации обратного опреснения с использованием фотоэлектрических систем были проведены с положительными результатами. Экономические соображения и соображения надежности являются основными проблемами при совершенствовании систем опреснения обратного осмоса с фотоэлектрическим приводом. Тем не менее, быстро падающие цены на фотоэлектрические панели делают опреснение с помощью солнечной энергии еще более осуществимым.
Системы этого типа (PV-RO) преобразуют солнечное излучение в электричество постоянного тока (DC), которое питает установку RO. Хотя прерывистый характер солнечного света и его переменная интенсивность в течение дня затрудняют прогнозирование эффективности фотоэлектрических систем и затрудняют опреснение в ночное время, существует несколько решений. Например, батареи, которые обеспечивают энергию, необходимую для опреснения в часы без солнечного света, могут использоваться для хранения солнечной энергии в дневное время. Помимо использования обычных батарей, существуют альтернативные методы хранения солнечной энергии. Например, системы аккумулирования тепловой энергии решают эту проблему хранения и обеспечивают постоянную производительность даже в часы без солнечного света и в пасмурные дни, повышая общую эффективность.
Тем не менее, можно указать на некоторые плюсы и минусы использования батарей в системе PV-RO. С одной стороны, как упоминалось выше, использование батарей - это решение, которое нацелено на равномерность работы системы, поддерживая желаемую уставку при изменении солнечного света в течение дня в качестве буфера. Исследования показывают, что периодические операции могут увеличить биообрастание.
Тем не менее, использование батарей имеет некоторые недостатки, такие как цена. Батареи дороги, и они увеличивают объем инвестиций и обслуживания установки PV-RO из-за периодического обслуживания, необходимого для батарей. Кроме того, когда электрическая энергия от фотоэлектрической панели преобразуется в химическую энергию в батарее и отправляется в насосы системы обратного осмоса, энергия теряется. Следовательно, использование батарей может снизить эффективность установки.
Средняя стоимость опреснения морской воды с обратным осмосом составляет 0,56 долл. США / м, тогда как при использовании возобновляемых источников энергии эта стоимость может возрасти до 16 долл. США / м. м. Хотя затраты на использование возобновляемых источников энергии выше, перспективы их использования в опреснительных системах возрастают из-за экологических проблем и доступности ископаемого топлива в будущем. Кроме того, экономический анализ маломасштабных установок PV-RO показывает, что они могут быть решением для снабжения пресной водой удаленных районов, конкурируя с традиционными методами опреснения.
И электродиализ (ED), и обратный электродиализ (RED) основаны на принципе селективного переноса ионов через ионообменные мембраны (IEM) из-за влияния концентрации разность (КРАСНЫЙ) или электрический потенциал (ED).
При электродиализе (ED) к электродам прилагается электрическая сила; катионы движутся к катоду, а анионы - к аноду. Обменные мембраны допускают прохождение только своего проницаемого типа (катион или анион), следовательно, при таком расположении разбавленные и концентрированные солевые растворы помещаются в пространство между мембранами (каналами). Конфигурация этой трубы может быть либо горизонтальной, либо вертикальной, и питательная вода проходит параллельно через все ячейки, обеспечивая непрерывный поток пермеата и рассола. Хотя это хорошо известный процесс, электродиализ коммерчески не подходит для опреснения морской воды, его можно использовать только для солоноватой воды (TDS < 1000 ppm) and due to the complexity for modeling ion transport phenomena in the channels, the process perform could be affected considering the non-ideal behavior presented by the exchange membranes.
Базовый процесс ED можно модифицировать и превратить в RED, который работает почти так же, как и ED, за исключением того факта, что полярность электродов периодически меняется, меняя направление потока через мембраны. Из-за этого осаждение коллоидных веществ очень затруднено, что делает этот процесс самоочищающимся, почти устраняя необходимость химической предварительной обработки., что также делает этот тип очистки экономически привлекательным процессом для солоноватой воды.
Использование систем ED не ново, они использовались с 1954 года, а RED был разработан в 70-х годах. Сегодня эти процессы используются более 1100 заводов по всему миру, а также процесса PV-ED.Основные преимущества использования фотоэлектрической технологии в опреснительных установках связаны с возможностью строительства небольших заводов, которые подходят для удаленных районов и без ископаемого топлива av Есть несколько интересных зарегистрированных примеров использования PV-ED, один из них находится в Японии, на острове Осима (Нагасаки), работает с 1986 года с 390 фотоэлектрическими панелями, производящими 10 м3 / день с общим содержанием растворенных твердых веществ (TDS) около 400 ppm.
| journal =()