Каково новейшее направление развития опреснения морской воды?

Последней тенденцией, направленной на снижение себестоимости производства пресной воды, является использование систем обратного осмоса морской воды (SWRO), которые могут увеличить общую скорость восстановления опресненной воды с типичного 40-50% до 55-60%.

По результатам недавних комплексных испытаний систем с высокой степенью извлечения, потребление энергии системами SWRO составило 2,1 кВт·ч/м³и 2,9 кВтч/м³при солености морской воды 35,000 мг/л и 43,000 мг/л соответственно.

Такое потребление энергии сопоставимо с потреблением традиционных систем SWRO, в которых для извлечения морской воды используются теплообменники давления, но ключевым отличием является то, что диапазон устойчивого извлечения систем с высоким уровнем извлечения на 10-20% выше.

Проектирование систем забора и предварительной очистки воды на водоочистных сооружениях для более высокой степени извлечения может значительно сэкономить капитальные и производственные затраты на новые водоочистные сооружения, а также может увеличить производительность пресной воды на существующих водоочистных сооружениях при относительно низких капиталовложениях.
 

Последней тенденцией в стремлении сократить потребление энергии при опреснении и затраты на производство пресной воды является разработка наноструктурированных (NST) мембран обратного осмоса, которые имеют более высокую эффективность пропускания воды, чем существующие традиционные мембранные элементы.

Мембраны NST по сути являются мембранами обратного осмоса, которые содержат отдельные линейные наноразмерные каналы (трубки/частицы), случайным образом встроенные в полимерную матрицу мембраны, или они могут быть полностью изготовлены из кластеризованных наноразмерных каналов (нанотрубок).

Технология мембран NST стремительно развивалась за последние 10 лет, и недавно разработанные мембраны NST либо включают неорганические наночастицы в обычные мембраны, либо изготавливаются из высокоструктурированных пористых мембран, состоящих из плотно упакованных массивов нанотрубок.

Сообщается, что мембраны NST имеют более высокую удельную проницаемость, чем обычные мембраны обратного осмоса, при почти таких же высоких показателях отсечения.

Кроме того, мембраны NST имеют сопоставимую или более низкую скорость загрязнения, чем обычные и обратноосмотические мембраны, работающие в тех же условиях, и могут быть спроектированы для повышения селективности удержания определенных ионов.

Круговая экономика — единственный путь к устойчивому глобальному экономическому росту. Например, применяя модель круговой экономики, рассол, производимый опреснительными установками, может использоваться в качестве источника ценных минералов, таких как кальций, магний и хлорид натрия. Редкоземельные элементы, включая литий, стронций, торий и рубидий, также могут быть извлечены из рассола.

В последнее время давление на мировом рынке редкоземельных элементов вывело доступность и предложение редких металлов на передний план дискуссий и исследовательских программ по устойчивому развитию. Эти металлы используются для производства ключевых компонентов многих продуктов, включая самолеты, автомобили, смартфоны и биомедицинские устройства.

Растет понимание того, что разработка и внедрение технологий чистой энергии и устойчивых продуктов, процессов и производств потребуют больших объемов редких металлов и драгоценных элементов, включая металлы платиновой группы, такие как литий, медь, кобальт, серебро и золото.

Последние технологические тенденции показывают, что магний заменяет алюминий в автомобильной, компьютерной и мобильной промышленности, поскольку магний более чем на 30% легче. Хотя в мире ограничены источники магния, морская вода содержит большое количество магния, который можно извлечь, концентрируя его в опресненном рассоле и затем извлекая его посредством селективной адсорбции.
За последние несколько лет в отрасли опреснения воды были разработаны различные технологии концентрирования рассола и извлечения минералов, позволяющие производить из рассола коммерчески ценную продукцию.

Добыча полезных ископаемых из морской воды является более экологически чистым занятием, чем добыча на суше.

Добыча морской воды не требует использования пресной воды для обработки и не приводит к образованию больших объемов загрязненной воды или отходов, требующих утилизации.

Кроме того, эти новые технологии концентрации рассола могут значительно сократить или полностью исключить сброс рассола в океан.

По мере развития технологий добычи рассола доходы от коммерческой добычи ценных минералов (таких как магний, литий и чистый хлорид натрия) из рассола могут компенсировать затраты на производство опресненной воды, тем самым превращая опресненную воду из самого дорогостоящего устойчивого источника пресной воды в самый дешевый источник пресной воды.
Восстановление ресурсов рассола также может быть ключом к решению проблемы энергетической устойчивости опреснения. Следующее поколение атомных электростанций будет использовать торий и рубидий вместо урана в качестве ядерного топлива.

Малые атомные электростанции мощностью от 10 до 50 мегаватт могут обеспечить электроэнергией крупные и средние опреснительные установки. Главное преимущество этого нового источника энергии заключается в том, что достаточное количество сырья может быть извлечено непосредственно из рассола опреснительной установки. Помимо того, что их легко извлечь из рассола, еще одним преимуществом этих редкоземельных элементов является то, что их нельзя использовать для создания ядерного оружия, что делает опреснительный рассол новым сырьем для мирного использования атомной энергии и приносит большую пользу человечеству.

Химикаты, используемые для очистки мембран обратного осмоса для солоноватой и морской воды, часто являются теми же химикатами, которые используются в зубной пасте, мыле и коммерческих моющих средствах. Вода для обратной промывки и промывки мембран часто обрабатывается для удаления твердых частиц или других загрязняющих веществ перед добавлением в опресненный концентрат для сброса. Современные процессы опреснения, используемые на современных опреснительных установках, используют очень ограниченное количество химикатов.

Все химикаты, добавляемые во время различных процессов опреснения, являются пищевыми, биоразлагаемыми и специально проверены на нетоксичность для водной флоры и фауны. Сбросы опреснительных установок также нетоксичны и безвредны для морской флоры и фауны и разработаны для быстрого разложения, не вызывая постоянных изменений в окружающей морской экосистеме.

В последнее время опреснение сместилось в сторону опреснения без применения химикатов и извлечения ценных минералов и редких металлов из концентрата, при этом ожидается, что опреснение станет одним из самых экологически чистых и устойчивых методов водоснабжения в этом столетии.

За последние пять лет многие страны с крупными опреснительными установками, такие как Австралия, Испания, Саудовская Аравия и другие части Ближнего Востока, начали внедрять комплексные программы зеленого опреснения, направленные на сокращение количества и разнообразия химикатов, используемых в процессе опреснения. Эти планы будут использовать последние достижения в области технологий опреснения и исследований, чтобы в конечном итоге преобразовать все существующие объекты в опреснительные установки без использования химикатов.

На опреснительных установках традиционно используется гипохлорит натрия для хлорирования поступающей воды с целью подавления роста морских организмов во впускных трубах и на мембранах обратного осмоса.

Большинство операторов опреснительных установок отказались от этой практики почти десять лет назад и теперь используют хлорирование только один или два раза в месяц в течение 6–8 часов каждый раз.

Кроме того, некоторые руководители опреснительных установок не используют никаких дезинфицирующих средств для поступающей морской воды, поскольку предпочитают использовать для борьбы с биообрастанием систему предварительной очистки опреснительной установки, а не химикаты.

В настоящее время наиболее часто используемыми коагулянтами для предварительной обработки морской воды являются хлорид железа и сульфат железа. В прошлом эти химикаты добавлялись с постоянной скоростью и в относительно больших количествах.

В опреснительной отрасли внедрен автоматический мониторинг содержания твердых частиц в морской воде и автоматическая регулировка дозировки коагулянта пропорционально фактическому содержанию взвешенных частиц в воде.

За последние 10 лет большинство предприятий по всему миру переняли эту рабочую стратегию, сократив использование коагулянтов более чем вдвое по сравнению с предыдущим периодом.

Еще десять лет назад на многих опреснительных установках для оптимизации химического процесса очистки воды использовались кислоты и флокулянты.

Сегодня большинство современных опреснительных установок и опытные инженеры больше не используют кислоты и флокулянты для предварительной очистки, а полагаются на оптимизированные системы и операции предварительной очистки для управления химическими процессами очистки воды.

До 2010 года антискаланты и гидроксид натрия широко использовались на многих опреснительных установках, в основном для предотвращения образования накипи, вызванной удалением бора из опресненной воды. В 2011 году Всемирная организация здравоохранения увеличила предельно допустимое содержание бора в питьевой воде с 0,5 мг/л до 2,4 мг/л, и с тех пор большинство опреснительных установок прекратили добавлять гидроксид натрия и антискаланты.

Следующим шагом на пути внедрения новых технологий, не использующих химикаты и основанных на возобновляемых источниках энергии, является последующая очистка опресненной воды с использованием кальция, извлеченного из рассола, а не с использованием имеющихся в продаже соединений кальция, таких как известь.

Отделение соли от морской воды требует большого количества энергии для преодоления естественного осмотического давления на мембране обратного осмоса. Хотя углеродный след производства питьевой воды из опресненной воды выше, чем при производстве питьевой воды из традиционных источников пресной воды, он ниже, чем другие виды человеческой деятельности, которые улучшают качество жизни, такие как охлаждение продуктов питания, подогрев воды в ванне, вождение личного автомобиля или полет на самолете.

В настоящее время большинство опреснительных установок используют ископаемое топливо для выработки электроэнергии. Однако несколько недавних проектов в области ветроэнергетики в Австралии были реализованы на опреснительных установках SWRO, которые вырабатывают столько же электроэнергии, сколько потребляют опреснительные установки. Несколько стран Ближнего Востока и Северной Африки выступили с инициативой по разработке мощного портфеля электростанций на возобновляемых источниках энергии для обеспечения электроэнергией опреснения.

Исследуя альтернативные источники возобновляемой энергии, ведущие мировые научно-исследовательские центры в США, Саудовской Аравии и Европе разрабатывают новое поколение устройств для рекуперации энергии, насосов высокого давления и мембран, которые направлены на снижение общего потребления энергии при опреснении до менее 2,45 кВт·ч/м3.³и энергопотребление при опреснении методом обратного осмоса менее 1,8 кВтч/м³Эти достижения позволят сократить общее потребление энергии и углеродный след опреснительных установок более чем на 30%.

С момента внедрения первого напорного теплообменника в 2001 году эта революционная технология увеличила эффективность рекуперации энергии опреснения с 75% до 96%. Однако все еще есть возможность увеличить рекуперацию энергии до теоретического максимума в 99%.