Пресная вода является одним из основных ресурсов, требующихся человеку. Каждый год её потребление увеличивается в среднем на 7 %. Общие запасы воды составляют внушительный объём 1390 млн км³, в то же время 1340 млн км³ из них приходится на солёные воды мирового океана, а из пресных вод около 98 % залегает под поверхностью земли, и половина из них на глубинах свыше 800 м. Ещё часть пресных вод приходится на ледники и снежники, располагающиеся в незаселённой местности. Таким образом, объём воды, доступной для использования, оказывается недостаточным. Возникновение водного кризиса связано с непрерывным ростом потребления в условиях ограниченного запаса доступной пресной воды. Так, около 2 млрд людей вообще не имеет доступа к безопасной для питья воде, а смертность, вызванная плохим качеством воды, составила 1,4 млн в 2019 году.

Одним из путей преодоления водного кризиса является обессоливание (деминерализация) морской воды. Нам известен ряд технологий обессоливания: ионный обмен, электродиализ, вымораживание, обратный осмос, испарение (дистилляция). Целью данной статьи является рассмотрение их практической применимости для получения питьевой воды.

Ионный обмен

Ионный обмен использует свойства специфических материалов, ионитов, к поглощению ионов минеральных солей. К сожалению, ёмкость ионита в значительной степени ограничена, и ресурс обработки воды с высоким содержанием солей, таких как морская вода, невелик, после чего требуется замена дорогостоящего ионита или его регенерация. Для регенерации ионитов необходимо использовать кислоты и щёлочь, при этом образуются значительные объёмы высокоминерализованных кислотных и щелочных сточных вод, что делает данный метод практически непригодным для очистки морской воды.

Электродиализ

Электродиализ разделяет поток обрабатываемой воды на концентрат, выносящий с собой минеральные примеси, и очищенную воду — дилюат. Потоки разделены полупроницаемыми мембранами, пропускающими только ионы с определённым типом заряда, а перенос ионов через мембрану из дилюата в концентрат происходит под действием электрического тока. По результатам исследований, этот метод обладает расходом энергии, сравнимым с обратным осмосом, исторически возникшим ранее, и использование которого хорошо отработано на сегодняшний день. Более высокая техническая сложность и стоимость оборудования, худшая масштабируемость при необходимости наращивать объём производства, отсутствие опыта применимости в реальных условиях и вероятных преимуществ по сравнению с баромембранными процессами делает электродиализ неконкурентоспособным для очистки морской воды.

Вымораживание

При замерзании вода вытесняет примеси в остающийся жидким раствор, не захватывая их в образующиеся кристаллы льда, благодаря чему ледники содержат меньшее количество солей. После отделения льда от рассола и после его нагревания до жидкого состояния можно получить опреснённую воду. Данный метод имеет низкое энергопотребление, устойчив к коррозии и образованию отложений, свойственных для морской воды. Но построенные на данном принципе опреснительные станции имеют ограниченную производительность, связанную в первую очередь с проблемой обработки и перемещения смесей льда и воды, образующихся в процессе очистки. Таким образом, установок данного типа с большой мощностью, пригодных для обеспечения муниципальных нужд, не было построено из-за сложности и материалоёмкости их производства.

Дистилляция (испарение)

Дистилляция позволяет разделять вещества на основании разницы их концентраций в жидкости и в парах над ней при определённых температуре и давлении. Большинство примесей, содержащихся в воде, имеет существенно более высокие температуры кипения и низкое парциальное давление паров, поэтому водяной пар оказывается практически свободен от минеральных примесей. Последующая конденсация пара позволяет получить воду, содержащую только легкокипящие компоненты — газы и низкомолекулярные органические соединения, а также небольшое количество минеральных веществ, которое уносится с поверхности кипящей жидкости и попадает в пар вместе с каплями. Уменьшить количество легкокипящих компонентов возможно путём их выпаривания из жидкости при температурах ниже температуры кипения воды. Концентрат из дистилляторов можно переработать в кристаллизаторах, получив дополнительные количества пресной воды и сократить объём отходов в виде твёрдого остатка солей.

В ранних испарительных установках передача необходимого для кипения тепла происходила от греющих поверхностей, погружённых в воду. Такая конструкция обладала множеством недостатков: низкая эффективность передачи тепла из-за образования на греющих поверхностях накипи, а в режимах с большей тепловой нагрузкой — сплошного слоя пузырьков пара; решить эту проблему можно было только увеличивая площадь греющих поверхностей, что приводило к нежелательному росту материалоёмкости и, повышая их температуру, увеличивало расход топлива. Неконтролируемое возникновение слоя пузырьков пара на греющих поверхностях с резким ухудшением теплопередачи является причиной неустойчивой работы таких установок, и в настоящее время они используются для малых производительностей. Их дальнейшее усовершенствование привело к созданию плёночных аппаратов, в которых очищаемая жидкость непрерывно стекала в виде плёнки по греющей поверхности. Такое решение препятствует образованию слоя пузырьков и обеспечивает стабильный режим выкипания в широких пределах регулирования производительности, а также значительно снижает отложение накипей. В целом это уменьшило тепловую перенапряжённость греющих поверхностей, улучшив условия теплообмена и дало возможность увеличить их площадь с меньшими затратами на материалы, в результате появилась возможность использовать низкопотенциальное тепло. Качественно новым решением стали дистилляторы мгновенного вскипания, в них нагрев осуществляется в теплообменнике под повышенным давлением, а испарение — в отдельной камере при пониженном давлении. В таких установках не возникает слоя пузырьков пара и практически невозможно образование накипей на греющих поверхностях, что делает их нечувствительными к загрязнителям в воде. Благодаря решению проблем с эффективностью теплопередачи получается создавать установки с высокой производительностью, работающие от низкопотенциальных источников тепла. Но использование давления ниже атмосферного в испарителе для снижения температуры кипения воды вызывает расширение паров, и для сохранения производительности требуется увеличивать размеры дистилляционной установки.

Одним из вариантов таких установок являются многоступенчатые дистилляторы, которые используют цепочку испарителей, где в каждой следующей секции давление ниже. При этом неиспарившаяся часть концентрата, потерявшая часть тепла в предыдущей камере и имеющая более низкую температуру, снова вскипает при более низком давлении.

Пониженное давление в испарителях создаётся вакуум-насосом эжекторного типа, в котором рабочим телом является пар. Охлаждение пара для его конденсации происходит морской водой, идущей на переработку. Это также нагревает обрабатываемую воду, утилизируя тепло и повышая эффективность использования тепловой энергии. Дополнительный нагрев до необходимой температуры производится паром. Дистилляторы этого типа используются чаще всего, они позволяют получать дистиллят с минерализацией на уровне 5–50 мг/л при затратах тепловой энергии около 38 кВт·ч, электрической энергии 3,5 кВт·ч на 1 тонну воды и степени конверсии исходной воды в дистиллят 30–40 %. При этом они надёжны, имеют простую конструкцию и малочувствительны к качеству обрабатываемой воды. Установки могут иметь производительность до 3800 м³ в час, но в то же время их минимальная производительность не может быть меньше 70 % от полной.

Другим типом являются парокомпрессионные дистилляторы. Необходимое разрежение в испарительной камере таких аппаратов создаётся вакуумным турбокомпрессором, который не только откачивает из испарителя пар, но ещё сжимает и нагревает его, после чего он поступает в теплообменник-конденсатор. В конденсаторе тепло, выделяющееся из пара при его охлаждении и переходе в дистиллят, передаётся обрабатываемой воде перед её подачей в испаритель. Таким образом, тепло, необходимое для испарения воды во время рабочего процесса, поступает от турбокомпрессора, что обусловливает значительно больший расход электроэнергии — 10–15 кВт·ч на 1 тонну воды, стоимость которой значительно выше, чем у низкопотенциального тепла, и итоговая стоимость очищенной воды превышает таковую для систем обратного осмоса. К недостаткам относятся техническая сложность устройства, требующая высококвалифицированного персонала для её эксплуатации и обслуживания. Установки могут иметь производительность до 125 м³ в час, из-за чего данная технология обладает плохой масштабируемостью и коммерчески невыгодна для строительства крупных производств. Несомненным преимуществом парокомпрессионных дистилляторов являются их меньшие габариты, так как пар сжимается турбокомпрессором, и только небольшой объём в камере испарителя находится под разрежением; они дают очень низкую минерализацию дистиллята, что предпочтительно для потребления воды в технических целях, но немного увеличивает затраты для минерализации дистиллята при получении питьевой воды, имеют более высокую конверсию — свыше 40 %, что уменьшает объём отходов, но повышает риски образования накипи из-за более высокого концентрирования рассола.

Баромембранные процессы (обратный осмос)

Баромембранные процессы обессоливания включают в себя обратный осмос и нанофильтрацию. Оба метода предназначены для удаления ионных примесей, но имеют различную селективность по разного рода ионам. Обратный осмос разделяет обрабатываемую воду на два потока. Очищенная вода (пермеат) под действием избыточного давления, создаваемого насосом высокого давления, проходит через селективную мембрану, преимущественно непроницаемую для заряженных ионных примесей и нейтральных молекул с атомной массой свыше 100. Оставшийся поток (концентрат) содержит не прошедшие мембрану примеси и сбрасывается в канализацию. Установки обратного осмоса высокого давления имеют энергопотребление, сравнимое с современными видами дистилляторов, но при этом обладают хорошей масштабируемостью. Это сделало обратный осмос практически безальтернативной технологией для создания опреснительных установок большой производительности. При этом обратный осмос не лишён определённых недостатков. Первый связан с тем, что ряд загрязнителей, содержащихся в морской воде, отлагаются в мембранных элементах, и для их удаления необходимо периодически проводить химическую мойку специальными растворами. Вторая проблема связана со сложностью эксплуатации установок обратного осмоса и систем предварительной подготовки воды для них. Третьим серьёзным недостатком является высокое содержание бора в морской воде при том, что мембраны обратного осмоса показывают в основном низкую эффективность по его удалению. В концентрациях свыше 0,5 мг/л бор вызывает различные отрицательные эффекты на здоровье людей. Для снижения концентрации бора в очищенной воде до норм, допускающих её потребление для питья и приготовления пищи, необходимо применение специальных высокоселективных мембран, для работы которых требуется повышенное давление и расход электроэнергии, а в других случаях — использование второй ступени установок обратного осмоса с применением высокоселективных мембран и подщелачиванием обрабатываемой воды для повышения эффективности удаления данного элемента. Также существуют и находят применение специальные борселективные иониты.

Минерализация опреснённой воды

Вне зависимости от использованного метода обессоливания, полученная вода не может считаться питьевой, потому что из-за нехватки отдельных минеральных примесей долговременное её потребление повышает риски возникновения ряда заболеваний. В СТ РК 1432-2005 включены требования физиологической полноценности: общая минерализация должна быть не ниже 100 мг/л, предпочтительно 200–500 мг/л, общая жёсткость 1,5–7 мг-экв/л, а по отдельным ионам — кальций 25–130 мг/л, магний 5–65 мг/л, бикарбонаты 30–400 мг/л, фториды 0,5–1,5 мг/л, йодид 0,01–0,125 мг/л, бромид 0,1–0,2 мг/л. В Методических указаниях МУ 4687-88 по санитарному контролю за применением и эксплуатацией дистилляционных опреснительных установок требования в отношении общей жёсткости, ионов бикарбонатов, фторидов были такими же, содержание бромидов и йодидов не нормировалось, общая минерализация рекомендовалась для хлоридно-сульфатных вод 200–400 мг/л, для гидрокарбонатных 250–500 мг/л, содержание ионов кальция 30–140 мг/л, магния 5–85 мг/л. Для обеспечения этих требований используются такие способы, как дозированное добавление воды с высокой минерализацией природного происхождения, например очищенной морской воды или искусственно приготовленного солевого концентрата, дозирование приготовленных солевых смесей в виде гранул или прессованных таблеток и их последующее растворение, а также контактная минерализация, при которой требуемые ионные примеси вымываются из зернистой загрузки. Последний метод не позволяет управлять процессом вымывания минералов из загрузки и надёжно контролировать момент истощения загрузки, поэтому не может гарантировать поддержание их концентраций в воде на требуемом уровне.