Водные запасы нашей планеты составляют около 72% всей ее территории, большая часть — это соленые воды акватории Мирового океана. Они не пригодны для использования в питьевых и хозяйственно-бытовых целях, ввиду высокой концентрации растворенных в них солей. Однако интенсивное развитие промышленности и рост населения требует все больше и больше обессоленной воды. Ученые давно разрабатывают технологии опреснения морской воды.
Так, в странах Персидского залива специальные установки являются основным источником питьевой воды. Мировыми лидерами по производству опреснителей являются Саудовская Аравия, Объединенные Арабские Эмираты и Соединенные Штаты Америки, за ними следуют Австралия, Китай и Кувейт. Крупномасштабные заводы, такие как «Джебель Али» в Дубае, объединенные с электростанцией, ежедневно собирают до 500 тысяч кубических метров питьевой воды из моря. В Израиле мощности опреснительных станций путем мембранного фильтрования и перегонки воды из Средиземного моря обеспечивают страну на 15% питьевой водой и 50% технической от необходимого количества.
В XXI веке ученые ищут новые средства очистки воды из имеющихся ресурсов: сбор дождевой и талой воды, плавление доступного льда айсбергов, замкнутые циклы водоснабжения и водоочистки на производствах. Стремительно набирают популярность системы для опреснения воды.
Технологический цикл может включать разные способы опреснения воды, в основе которых лежат химические методы осаждения, ионный обмен, фильтрация на мембранных установках обратного осмоса, воздействие температурой и постоянным электрическим током. Часть из них основана на изменении агрегатного состояния воды — замораживание или переход в газообразное состояние с последующим возвращением в форму жидкости. Конечной целью процесса опреснения является удаление солей, присутствующих в морской воде, которые сконцентрированы на уровне примерно 3-3,5%.
Установки делятся на дистилляционные и фильтрационные. Обычные или многостадийные дистилляторы работают на основе принципа перегонки: нагревают воду до перехода в газообразное состояние и конденсируют чистый пар в другом сосуде. Более половины установок опреснения соленой воды работают на этой основе.
Фильтрационные установки опреснения очищают воду без изменения ее агрегатного состояния и основаны на методе обратного осмоса. Нагнетаемое насосом давление продавливает в большей степени молекулы воды через наноотверстия осмотической мембраны, обеспечивая на выходе воду со степенью чистоты 98%. То есть, если исходная минерализация воды 18 г/л (именно такая у Чёрного моря), то вода на выходе будет иметь минерализацию 360 мг/л, что соответствует нормам питьевой воды. Таким образом, производительность мембраны и степень обессоливания и опреснения зависят от исходного состава морской воды, температуры и давления в системе.
Альтернативными процессами опреснения воды из морей и океанов являются электродиализ и вымораживание, но они связаны с высокими затратами на обеспечение работы оборудования и не предназначены для опреснения больших объемов воды. При электродиализе под воздействием постоянного электрического поля катионы и анионы осаждаются на электродах. Преимущество данного метода заключается в возможности опреснять воду при высоких рабочих температурах, так как используются химически и термически стойкие мембраны.
Стоит отметить, что существующие методы требуют больших затрат энергии. Сжигание органического топлива в опреснительных установках ухудшает экологическую обстановку и усугубляет климатические изменения. Также термическое опреснение морской воды сопровождается выбросом тонн антикоррозийных средств, частиц меди и очистителей в океан, поскольку трубы изготавливаются из сплавов алюминиевой латуни, титана или медно-никелевых сплавов и поэтому подвержены образованию налета.
Помимо прочего, по мнению экспертов ООН, в большинстве процессов опреснения при производстве каждого литра питьевой воды образуется около 1,5 литров жидкости, загрязненной хлором и медью. Этот «концентрат» в два раза солёнее, чем вода в океане. Если их не разбавить или не обработать должным образом, то они могут образовать плотный шлейф токсичного рассола, который приведет к разрушению прибрежных и морских экосистем. Повышенная соленость и высокая температура могут обернуться образованием «мертвых зон» в морях и океанах.
Исследователи предложили использовать для опреснения атомную энергию, но инвесторы выразили опасение, что такая технология окажется слишком дорогостоящей и нерентабельной.
Итальянские инженеры разработали новую технологию, которая, по их мнению, намного дешевле других современных методов. Низкая стоимость проекта базируется на использовании солнечной энергии, недорого экологичного материала и простой методики. Принцип работы плавучей установки учёные подсмотрели в мангровых лесах.
Биологические особенности мангров позволяют их корням при всасывании опреснять воду, тем не менее, в ней остаётся около 0,03% соли. Поэтому соль накапливается в тканях, например, в коре стволов и корней, или в старых листьях, впоследствии опадающих. Для выведения избытка солей листья обладают солевыводящими желёзками, листья у некоторых бывают полностью покрыты кристалликами соли. А сохранению воды способствует сама конструкция сочных, часто суккулентных листьев мангровых растений.
В основе предложенной технологии — забор воды компактным устройством при помощи дешевого пористого материала, минуя использование дорогих и громоздких насосов. Далее собранная морская вода выпаривается благодаря солнечной энергии. Чтобы опресненная и загрязненная вода не смешивались, между ними устанавливается специальная мембрана. По мнению ученых, преимуществом их установки является её «пассивная» технология: нет необходимости в энергоёмких и дорогостоящих компонентах (например, насосов и управляющих систем), в специальной технике для установки и обслуживания, в высокоспециализированном обслуживающем персонале.
Инженеры из Мичиганского университета и Университета Райса (США) создали устройство, которое может стать альтернативой дорогостоящим химикатам. В их установке есть электроды из углеродной ткани, которые способны удалять бор из морской воды, при этом, не нанося вред экологии. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Water. В созданном устройстве присутствуют электроды, которые удаляют бор, захватывая его внутри пор, усеянных кислородсодержащими структурами. Именно они пропускают через себя ионы морской соли, увеличивая количество бора, которое можно удалить за раз. Ученые отмечают, что их способ опреснения воды способен сэкономить около $6,9 млрд в год.
Безусловно, водные ресурсы, полученные в результате опреснения, имеют важнейшее значение для населения мира. Опреснение морской воды поможет расширить водоснабжение, выходящее за рамки гидрологического цикла. Однако этот процесс должен быть безопасным для окружающей среды, а для этого необходимо в срочном порядке использовать инновационные подходы.
Москва
