Вода – мощный растворитель. При нормальной температуре (18° С) в 1 л воды можно растворить 90 г питьевой соды, 360 г поваренной соли, 600 г стиральной соды.

В воде также хорошо растворяются газы. При 0° С в 1 л воды растворяется 55 м 3 хлористого водорода.

В 1 л дождевой воды находится до 300 мг примесей. В подземных водах растворено до 22 г солей на 1 л.

Человек может пить воду с засолённостью 1-1,5г на 1 л.

Подземные воды, которые питают колодец, могут растворять соли, находящиеся в грунте и, тем самым, становиться непригодными для потребления человеком даже для технических нужд (появляется накипь на нагревательных элементах чайников, стиральных машин, бойлеров).

Чтобы колодезная вода с высоким содержанием солей стала полезной для использования в обиходе, производят опреснение воды с помощью установок и фильтров.

Опреснение воды — методы

На практике применяются следующие способы опреснения воды:

• выпаривание (дистилляция);
• химическое осаждение;
• ионный обмен;
• электроосмос;
• опреснение вымораживанием;
• обратный осмос.

Опреснение воды методом дистилляции

Это наиболее известный и практикуемый долгие годы метод избавления воды от солей, но это и самый энергозатратный метод. Для опреснения морской воды таким методом на Ближнем Востоке специально построили ядерный реактор.

Более практичным такой метод опреснения больших объемов воды стал после изобретения гелиовых (солнечных) опреснителей.

Метод химического осаждения

Этот метод используется очень ограниченно и только для строго определенных солей. Заключается он в том, что определенные химические элементы переводят растворенные в воде соли в нерастворимые, и они выпадают в осадок.

Ионный обмен

Метод заключается в том, что смолы с избыточным положительным или отрицательным зарядом (аниониты, катиониты) притягивают к себе и связывают соли с противоположным зарядом.

Регенерация смол позволяет применять их многократно, поэтому метод нашел промышленное применение на предприятиях пищевой и электронной промышленности.

Электроосмос

Опреснения с помощью такого метода схоже с ионным обменом, только смолы заменены мембранами под напряжением разной полярности. Метод очень продуктивный но нуждается в периодической замене мембран и затратах электроэнергии для создания потенциала на электродах.

Опреснение вымораживанием

Этот метод основан на том, что растворенные в воде соли замерзают при более низких температурах, чем чистая вода, поэтому они остаются в жидком состоянии, а лед, при замерзании воды, состоит только из молекул Н

2О (явление криоскопии). Метод очень трудоемкий и не гарантирует полной очистки. Может применяться в домашних условиях для небольших объемов воды.

Обратный осмос

Существуют способы опреснения, отличающиеся по принципу действия от вышеописанных-это опреснение методом обратного осмоса, при котором соли растворённые в воде отделяются с помощью мембраны, непроницаемой для солей, но проницаемой для воды.

Принцип действия осмоса был создан природой и является основой для обмена веществ практически всех живых организмов на планете. Осмос действует так, что живые клетки получают питательные вещества, и немаловажно – эти клетки выводят шлаки.

При очистке воды методом обратного осмоса, все вещества и вода, которые растворенные в ней разделяются на два потока, каждый из них имеет различную от другой концентрацию солей. Очищенная вода в одном потоке, и вода с большей концентрацией солей, которая уходит в дренаж.

Фильтры для опреснения воды

Обычные водопроводные фильтры с сетками и угольным наполнением нельзя применять для опреснения воды из колодца. Они с этой задачей не справятся.

Смягчить воду поможет ионный фильтр. В нем применяются ионные смолы (катиониты/аниониты), которые нужно периодически менять. Поэтому, более практичным для бытового использования является фильтр обратного осмоса.

Фильтры обратного осмоса считаются наиболее качественными, поскольку они, используя полимерную половолоконную мембрану, очищают воду до такой степени, что на выходе получается чистая молекулярная вода. В ней не будет иметься абсолютно никаких солей и зловредной органики.

Пить долгое время такую воду нецелесообразно, поскольку для организма человека критически важны как соли, так и минералы.

Поэтому часто данные виды фильтров оснащаются встроенными минерализаторами. Вышеуказанные фильтры стоят больших денег и требуют отдельной инсталляции.

Установки для опреснения воды

Для опреснения воды в промышленных масштабах применяются проточные установки с регенерируемыми смолами (ионные установки) – это наиболее удобный в обслуживании и экономически выгодный вариант. Современная торговля предлагает малогабаритные варианты таких установок для автономного обеспечения водой коттеджных поселков и индивидуального жилья.

Промышленные дистилляторы часто применяются в производственном процессе. Их простота и коррозионностойкие материалы, из которых такие дистилляторы изготовлены, являются существенным аргументом для многих пользователей такого опреснения воды. Такие опреснительные установки применяются в химическом производстве и в пищевой промышленности.

Особенно эффективными оказались выпарители, использующие солнечную энергию, но их пока применяется мало. Требуются большие капитальные затраты и много солнца. Для побережья морей в тропиках – это очень выгодный вариант, но не для коттеджного поселка в средней полосе, возле реки и прохладного леса — эти установки не подходят.

Сравнение эффективности методов и фильтров

По эффективности методов опреснения воды их следует разделить на промышленные и бытовые. Большие объемы воды и очень жесткую воду (например, морскую) эффективнее всего опреснять методом дистилляции или методом ионного обмена, а в быту более эффективным будет метод обратного осмоса.

Так как колодезная вода используется в коллективных и индивидуальных системах автономного водообеспечения, то для ее опреснения необходимо применять методы ионного обмена или обратного осмоса. Примерами такого оборудования для коллективного пользования являются:

• Ecosoft FU-1035-Cab-CG;
• Organic U-1035 Econom;
• Ecosoft FU-835 Cab-CG;
• Organic Big Blue 20;
• Filter cab-1035-U CI;
• Atlas LCS15;
• BWT AQUADIAL Softlife 15.

Для индивидуального использования подойдут следующие фильтры:

• фильтр СВОД АС 10/250;
• СВОД АС 5/100;
• фильтр СВОД АС 5/300.

Но лучше всего в индивидуальном использовании для опреснения колодезной воды подходят фильтры обратного осмоса. Например:

• AURO-505P-JG (100G);
• 400G (на раме) AURO-4005-Rama;
• AURO-4005-FLOW;
• Atoll A560 Em Premium (с минерализатором).

В торговых сетях предложение фильтров для опреснения колодезной воды очень большое, поэтому свой выбор необходимо делать, основываясь на потребностях и возможностях. Оптимальным вариантом будет консультация со специалистами и отзывы других потребителей.

За последние 40 лет количество пресной воды на каждого человека в мире уменьшилось на 60%. Недостаток пресной воды к настоящему моменту испытывают более 80 стран мира, расположенных преимущественно в аридных, а также засушенных областях и составляющих около 60% всей поверхности земной суши.

Проблема

Треть населения мира живет в странах с напряженной ситуацией с водой. Согласно прогнозам экспертов, к 2025 году этот показатель увеличится до двух третей.

Рисунок 1. Глобальная ситуация с водой на планете

Кризис будет спровоцирован ростом населения планеты. По оценкам ООН, к 2030 году оно увеличится с 6 до 8.5 млрд человек. Сейчас на обеспечение пищей одного человека, имеющего традиционный для индустриальной развитых стран рацион, ежегодно расходуется 2.5-3 тыс. литров воды. Если же численность населения увеличится на 2.5 млрд, то на их пропитание потребуется изыскать дополнительные 2 тыс. куб. км воды.

В подобных условиях острого дефицита пресной воды особую актуальность приобретают альтернативные технологии пополнения водных ресурсов, в том числе и за счет опреснения морской воды.

Запасы воды

Общий объем воды на Земле составляет примерно 1400 млн куб. км, из которых только 2.5% (около 35 млн куб. км) - пресная вода. Морская вода составляет около 98% всех водных ресурсов планеты.

Таблица 1. Крупнейшие запасы воды в мире (источник: www.unep.org)

Одним из наиболее перспективных путей обеспечения пресной водой является опреснение соленых вод Мирового океана. Целесообразность данного пути подтверждается тем фактом, что 60% населения планеты живет в приморской полосе шириной 65 миль. Кроме того большие площади засушливых и малообводненных территорий примыкают к океанским берегам или находятся поблизости от них.

Таким образом, океанские и морские воды могут стать ценным источником водных ресурсов для промышленного использования. Их огромные запасы практически неисчерпаемы. Однако на современном уровне технологического развития применение технологий опреснения не везде экономически оправдано.

Применяемые технологии

Промышленное опреснение морской воды осуществляется одним из следующих методов: дистилляция, обратный осмос, электродиализ, вымораживание и ионный обмен.

Рассмотрим более подробно особенности каждой из технологий.

1. MSF (Multi-Stage Flash Distillation) - многоступенчатое мгновенное выпаривание (дистилляция) .

В этом типе установок исходная вода, перед тем как быть пропущенной через специальное сопло внутрь большой камеры, подается насосом внутрь нагревателя при таком давлении, при котором еще не происходит кипение, т. е. вода находится в перегретом состоянии. Уменьшение давления влечет за собой моментальное превращение части воды в пар. Затем опресняемая вода пропускается через другое сопло в соседнюю «камеру моментального испарения», где продолжается процесс моментального парообразования и так далее до нижней части установки.

2. MD (Membrane Distillation) - мембранная дистилляция .

Предполагает нагрев воды с одной стороны гидрофобной мембраны. Такая мембрана пропускает только пар, который охлаждается с другой ее стороны, образуя пресную воду, но не пропускает воду.

3. MED (Multi-Effect Distillation) - метод многоколонной дистилляции .

Морская вода нагревается в первой колонне, а образовавшийся пар идет на нагрев в последующих колоннах.

4. MVC (Mechanical Vapour Compression) - механическое сжатие пара .

Заключается в сжатии пара, получаемого при обычной стадии дистилляции прежде, чем он сконденсируется. Эффект сжатия пара предполагает нагрев его до температуры выше температуры кипения подаваемой на опреснение воды (из которой он был получен). Затем сжатый пар может быть возвращен в ту же дистилляционную камеру, из которой он был выделен и использован для замещения первичного пара. Цикл повторяется непрерывно.

Использование сжатого пара позволяет уменьшить энергоемкость процесса, но препятствует обработке больших объемов воды.

5. FP (Freezing Process) - метод вымораживания .

Морская вода охлаждается до кристаллизации влаги. Полученные кристаллы выделяются и растворяются для получения пресной воды.

6. RO (Reverse Osmosis) - обратный осмос .

Предусматривает использование полупроницаемой мембраны, пропускающей под давлением воду и задерживающую молекулы примесей.

7. ED (Electrodialysis) - электродиализ .

Требуются две мембраны: одна пропускает только катион, вторая - только анион. Между ними включается напряжение постоянного тока, что позволяет убирать, к примеру, натриевый и хлорный анион из морской воды.

По оценкам экспертов, каждая из обозначенных технологий имеет существенные недостатки, к числу которых относятся:

• значительные отложения на поверхностях теплообмена, мембран и т. п.
• большие удельные энергетические затраты
• наличие большого количества сменных материалов, комплектующих, дополнительного расхода химических реагентов
• экологическая опасность в процессе эксплуатации установок
• необходимость в высокой квалификации обслуживающего персонала.

В связи с этим актуальным остается вопрос разработки более эффективных и экологически безопасных методов опреснения морской воды.

Рынок

По состоянию на конец 2009 года в мире представлено 14 451 опреснительных заводов совокупной мощностью 59,9 млн куб. м в день. По сравнению с 2008 годом прирост мощности составил 12,3%. Кроме того, 244 опреснительных установок (дополнительно 9,1 млн куб. м в день) находятся в стадии строительства.

Всего технологии опреснения морской воды применяются в 150 странах мира. Средний объем производства пресной воды составляет около 38 млн тонн в год.

Рынок технологий опреснения соленой воды стремительно развивается. Около 62,4% общего объема промышленного производства пресной воды составляют воды Мирового океана.

Рисунок 2. Структура применения технологий получения пресной воды в зависимости от типа используемых водных ресурсов (

Дефицит пресной воды остро ощущается на территории более 40 стран, расположенных в засушливых областях земного шара и составляющих около 60 % всей поверхности суши. Мировое потребление воды в начале XXI века достигло 120-150 × 109 м3/год. Растущий мировой дефицит пресной воды может быть скомпенсирован опреснением соленых (солесодержание более 10 г/л) и солоноватых (2-10 г/л) океанических, морских и подземных вод, запасы которых составляют 98 % всей воды на земном шаре. В данной статье рассмотрены основы современных методов и технологий опреснения морской воды.

Пресная вода является ценной составной частью морской воды. Нехватка пресной воды все больше ощущается в индустриально развитых странах, таких как США и Япония, где потребность в пресной воде для бытовых нужд, сельского хозяйства и промышленности превышает имеющиеся запасы. В таких странах как Израиль или Кувейт, где уровень осадков очень низок, запасы пресной воды не соответствуют потребностям в ней, которые возрастают в связи с модернизацией хозяйства и приростом населения. В дальнейшем человечество окажется перед необходимостью рассматривать океаны как альтернативный источник воды.

Россия по ресурсам поверхностных пресных вод занимает первое место в мире . Однако, до 80 % этих ресурсов приходится на районы Сибири, Севера и Дальнего Востока. Всего около 20 % пресноводных источников расположено в центральных и южных областях с самой высокой плотностью населения и высокоразвитыми промышленностью и сельским хозяйством. Некоторые районы Средней Азии (Туркмения, Казахстан), Кавказа, Донбасса, юго-восточной части РФ, обладая крупнейшими минерально-сырьевыми ресурсами, не имеют источников пресной воды. Вместе с тем, ряд районов нашей страны располагает большими запасами подземных вод с общей минерализацией от 1 до 35 г/л, не используемых для нужд водоснабжения из-за высокого содержания растворенных в воде солей. Эти воды могут стать источниками водоснабжения только при условии их дальнейшего опреснения.

Важным параметром морской воды при опреснении является соленость, под которой подразумевается масса (в граммах) сухих солей (преимущественно NaCl) в 1 кг морской воды. Средняя соленость вод мирового океана постоянна и составляет 35 г/кг морской воды .Наряду с NaCl в морской воде содержатся K+, Mg2+, Ca2+, Sr2+, Br-, F-, H3BO3 (табл. 1), которые можно получать из морской воды в промышленных масштабах. Среди других веществ, содержащихся в морской воде в концентрациях от 1 млн долей (миллионная доля) до 0,01 млн долей, встречаются литий Li, рубидий Rb, фосфор P, йод J, железо Fe, цинк Zn и молибден Mo . Кроме этих элементов в морской воде обнаружено около тридцати других элементов в более низких концентрациях .

Высокая концентрация солей делает морскую воду непригодной для питьевых и хозяйственных целей. Поэтому ее необходимо опреснять, т.е. проводить обработку с целью снижения концентрации растворенных солей до 1 г/л. Опреснение воды может осуществляться химическими (химическое осаждение, ионный обмен), физическими (дистилляция, обратный осмос или гиперфильтрация, электродиализ, вымораживание) и биологическими методами с использованием способности некоторых фотосинтезирующих водорослей избирательно поглощать NaCl из морской воды .

За последние годы были также предложены новые альтернативные методы опреснения морской воды за счет воздействия ультразвуком, акустическими, ударными волнами, электромагнитными полями и др. .Многообразие существующих методов получения пресной воды объясняется тем, что ни один из них не может считаться универсальным, приемлемым для данных конкретных условий. Характеристики методов опреснения, получивших наибольшее практическое применение, приводятся ниже.

Химическое осаждение
При химическом способе опреснения в морскую воду вводят специальные осаждающие реагенты, которые при взаимодействии с растворенными в ней ионами солей (хлориды, сульфаты), образуют нерастворимые, выпадающие в осадок соединения. Вследствие того, что морская вода содержит большое количество растворенных веществ, расход реагентов весьма значителен и составляет примерно 3-5 % количества опресненной воды. К веществам, способным образовывать нерастворимые соединения с ионами натрия (Na+) и хлора (Cl-),относятся соли серебра (Ag+) и бария (Ba2+), которые при обработке соленой воды образуют выпадающие в осадок хлористое серебро (AgCl) и сернокислый барий (BaSO4). Эти реагенты дорогостоящие, реакция осаждения с солями бария протекает медленно, соли бария токсичны. Поэтому химическое осаждение при опреснении воды используется очень редко.

Дистилляция
Дистилляция воды (перегонка) основана на различии в составе воды и образующегося из нее пара . Процесс осуществляется в специальных дистилляционных установках-опреснителях путем частичного испарения воды и последующей конденсации пара. В процессе дистилляции более летучий компонент (низкокипящий) переходит в паровую фазу в большем количестве, чем менее летучий (высококипящий). Поэтому при конденсации образовавшихся паров в дистиллят переходят низкокипящие, а в кубовый остаток — высококипящие компоненты. Если из исходной смеси отгоняется не одна фракция, а несколько, дистилляция называется фракционной (дробной). В зависимости от условий процесса различают простую и молекулярную дистилляцию .

Дистилляционная опреснительная установка (рис. 1) состоит из испарителя 1, снабженного теплообменным устройством для подвода к воде необходимого количества теплоты; нагревательного элемента 2 для частичной конденсации пара, выходящего из испарителя (при фракционной дистилляции); конденсатора 3 для конденсации отбираемого пара; насоса 4; сборников дистиллята 5 и кубового остатка 6. Современные дистилляционные опреснители подразделяются на одноступенчатые, многоступенчатые с трубчатыми нагревательными элементами, или испарителями, многоступенчатые с мгновенным вскипанием и парокомпрессионные .

Например, многоступенчатый испаритель (рис. 2) состоит из ряда последовательно работающих испарительных камер с трубчатыми нагревательными элементами. Нагреваемая соленая вода движется внутри трубок нагревательного элемента, греющий пар конденсируется на внешней поверхности. При этом нагрев и испарение воды в первой ступени осуществляются паром рабочего котла, работающего на дистилляте; греющим паром следующей ступеней служит вторичный пар предыдущей испарительной камеры. Данная установка способна вырабатывать около 0,9 т пресной воды на 1 т первичного пара.

Расход тепла на получение 1 кг пресной воды в одноступенчатом дистилляционном опреснителе составляет около 2400 кДж.В опреснителях с мгновенным вскипанием (рис. 3) соленая вода проходит последовательно через конденсаторы, встроенные в испарительные камеры, нагреваясь за счет тепла конденсации, затем поступает в главный подогреватель и нагревается выше температуры кипения воды в первой испарительной камере, где происходит процесс кипения. Затем пар конденсируется на поверхности трубок конденсатора, а конденсат стекает в конденсатор и насосом откачивается потребителю. Неиспарившаяся вода перетекает через гидрозатвор в следующую камеру с более низким давлением, где она снова вскипает, и т.д. Рекуперация тепла фазового перехода в многоступенчатом опреснителе позволяет снизить расход тепла по сравнению с одноступенчатым дистилляционным опреснителем на 1 кг пресной воды до 250-300 кДж. Основным преимуществом многоступенчатых дистилляционных опреснительных установок является то, что на единицу первичного пара можно получить значительно большее количество обессоленной воды. Так при одноступенчатом испарении на 1 т первичного пара получают около 0,9 т опресненной воды, а на установках, имеющих 50-60 ступеней — 15-20 т опресненной воды. Удельный расход электроэнергии в дистилляционных установках составляет 3,5-4,5 кВт⋅ч/м3 дистиллята.

Осуществление любого варианта процесса дистилляции связано с большими затратами тепловой энергии, составляющими 40 % от стоимости получаемой воды (если проводить дистилляцию в вакууме, температура кипения воды понижается до 60 °C, и дистилляция требует меньших тепловых затрат). В качестве источников тепловой энергии используются атомные и тепловые электростанции. Сочетание дистилляционной установки с тепловой электростанцией на минеральном или ядерном топливе (т.н. «многоцелевая энергетическая установка») позволяет обеспечить промышленный район всеми видами энергетических услуг по минимальной себестоимости при наиболее рациональном использовании топлива. В пустынных южных районах и на безводных островах применяются солнечные опреснители, которые производят в летние месяцы около 4 л воды в сутки с 1 м2 поверхности, воспринимающей солнечную радиацию.

Эффективность работы дистилляционных испарителей ограничена образованием накипи в системе циркуляции горячего рассола. По мере выпаривания морской воды из дистилляционного опреснителя раствор соли становится более концентрированным и в конечном итоге осаждается на стенках аппарата в виде накипи из солей жесткости, состоящих, главным образом, из хлоридов и карбонатов кальция (CaCO3, CaCl2) и магния (MgCO3, MgCl2) , что ухудшает теплопроводность стенок теплообменника, приводит к разрушению труб и теплообменного оборудования. Это требует применения специальных антинакипных добавок, что существенно увеличивает энергозатраты на проведение дистилляции до 10 кВт⋅ч/м3 обессоленной воды. Поэтому в последние годы предложены другие способы опреснения морской воды, которые не связаны с необходимостью ее испарения и конденсации.

Ионный обмен
Метод основан на свойстве твердых полимерных смол разной степени сшивки, ковалентно связанных с ионогенными группами (иониты), обратимо обмениваться ионами растворенных в воде солей (противоионы) .В зависимости от заряда иониты подразделяются на положительно заряженные катиониты (H+) и отрицательно заряженные аниониты (OH-). В катионитах — веществах, аналогичным кислотам — анионы представлены в виде нерастворимых в воде полимеров, а катионы (Na+) подвижны и обмениваются с катионами растворов. В противоположность катионитам, аниониты по химической структуре являются основаниями, нерастворимую структуру которых образуют катионы. Их анионы (обычно гидроксильная группа ОН-) способны обмениваться с анионами растворов.

Процесс ионообменного опреснения воды заключается в последовательном прохождении воды через неподвижный слой ионита в периодическом процессе или противоточным движением воды и ионита в непрерывном процессе (рис. 4). В этом процессе катионы и анионы солей обрабатываемой воды последовательно связываются с ионитами, в результате происходит ее обессоливание. Соотношение ионита, анионита и катионита обычно составляет от 1:1 до 1,5:1,0 по массе .

Кинетика ионного обмена включает три последовательные стадии: перемещение сорбируемого иона к поверхности глобулы ионита (1), ионный обмен (2), перемещение вытесняемого иона внутри глобулы ионита и от его поверхности в растворе (3) .

На скорость ионного обмена влияют следующие факторы: доступность фиксированных ионов внутри каркаса ионита, размер гранул ионита, температура, концентрация раствора . Общая скорость процесса ионного обмена определяется совокупностью процессов, происходящих в растворе (диффузия противоионов к грануле и от гранулы ионита) и в ионите (диффузия противоионов от поверхности к центру гранулы ионита и в обратном направлении; обмен противоионов ионита на противоионы из раствора). В условиях, приближенных к реальным условиям очистки воды, лимитирующим фактором, определяющим скорость ионного обмена, является диффузия ионов внутри гранулы ионита.

Обменная способность ионообменных смол постепенно снижается, и, в конечном итоге, исчерпывается. В этом случае требуется регенерация раствором кислоты (катионит) или щелочи (анионит), что восстанавливает исходные химические свойства смол. Катионит регенерируется 5 %м раствором H2SO4, которую пропускают последовательно через катионит до появления кислой реакции. Удельный расход серной кислоты 55-60 г/гэкв сорбированных катионов. Анионит регенерируется 5 %м раствором CaCO3 или NaOH с расходом 70-75 г на 1 гэкв задержанных анионов.

Ионный обмен применяется для получения обессоленной и умягченной воды в тепловой и атомной энергетике и в промышленности; в цветной металлургии при комплексной гидрометаллургической переработке руд, в пищевой промышленности, в медицинской промышленности при получении антибиотиков и других лекарственных средств, а также для очистки сточных вод в целях организации оборотного водоснабжения. В настоящее время также разрабатываются ионообменные методы комплексного извлечения из океанской воды ценных минералов .

Промышленные аппараты для реализации ионного обмена подразделяются на три группы: установки типа смесителей-отстойников, установки с неподвижным и подвижным слоями ионита. Аппараты первого типа чаще всего используют в гидрометаллургии. В аппаратах с неподвижным слоем ионита исходные и обессоленные растворы подаются в одном направлении (поточные схемы) или в противоположных (противоточные схемы). Такие аппараты используются для ионообменной очистки растворов, при умягчении и обессоливании морской воды. В непрерывно действующих противоточных аппаратах подвижный ионит перемещается сверху вниз под действием силы тяжести. Конструктивно противоточные аппараты подразделяются на три группы: со взвешенным или кипящим слоем ионита, с непрерывным движущимся слоем ионита и с движущимся раствором через ионит. В зависимости от заданной степени обессоливания воды проектируют одно, двух и трехступенчатые ионообменные установки. Остаточное солесодержание при одноступенчатом ионообменном опреснении составляет 20 мг/л. Для получения воды с солесодержанием до 0,5 мг/л применяют установки с двухступенчатой схемой Н+ и ОН-ионирования.

Ионообменный способ опреснения воды имеет ряд достоинств: простота оборудования, малый расход исходной воды на собственные нужды (15-20 % производительности установки), малый расход электроэнергии, малый объем сбросных вод.

Недостаток ионообменного метода — сравнительно высокий расход реагентов, технологическая сложность процесса, который лимитируется исходным уровнем солесодержания обрабатываемой воды, определяющегося экономическими затратами. Рентабельность ионного обмена при опреснении воды обычно ограничивается исходным содержанием растворенных солей 1,5-2,5 г/л. Однако, при необходимости, когда себестоимость воды не играет существенной роли, этим методом можно опреснять воду с достаточно высоким солесодержанием. Продолжение в следующем номере.

1. Алекин О.А. Химия океана. — Л., 1966.
2. Хорн Р. Морская химия. — M., 1972.
3. Монин А.С. Океанология. Химия океана. — М., 1979.
4. Виноградов А.П. Геохимия океана. — М., 1989.
5. Kimm Y, Logan B.E., Electrodialysis Cells for Partial or Complete Seawater Desalination // Environmental Science and Technology, 2011, V. 12.
6. Абдулкеримов С.А., Богданов В.П., Годин С.М. Опытные исследования энергоинформационных воздействий излучений генератора продольных электромагнитных волн с водой // Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ, №3(8)/2000.
7. Коган В.Г. Теоретические основы типовых процессов химической технологии. — Л., 1977.
8. Сийрде Э.К. Дистилляция. — М., 1991.
9. Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. — М., 1981.
10. Мосин О.В. Магнитные системы обработки воды. Основные перспективы и направления // Сантехника, №1/2011.
11. Кокотов Ю.А. Иониты и ионный обмен. — Л., 1980.
12. Горшков В.И., Сафонов М.С., Воскресенский Н.М. Ионный обмен в противоточных колоннах. — М., 1981.
13. Сенявин М.М. Ионный обмен. — М., 1981.
14. Батлер Дж.Н. Ионные равновесия. — Л., 1973.
15. Слесаренко В.Н. Современные методы опреснения морских и соленых вод. — М., 1973.
16. Дытнерский Ю.И. Обратный осмос и ультрафильтрация. — М.: Химия, 1978.
17. Свитцов А.А. Введение в мембранные технологии. — М.: «ДеЛи принт», 2006.
18. Орлов Н.С. Промышленное применение мембранных процессов. — М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2007.
19. Каграманов Ш.Г. Диффузионные мембранные процессы. Ч. 2. — М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2007.
20. Кульский Л.А. Опреснение воды. — К., 1980.
21. Орехов И.И., Обрезков Д.И. Вымораживание. Холод в процессах химической технологии. — Л., 1980.
22. Пап Л. Концентрирование вымораживанием. — М., 1982.
23. Алиев А.М., Юсифов Р.Ю., Кулиев А.Р., Юсифов Ю.Г. Применение методики гидратообразования для оценки обессоливания воды // Прикладная химия, №51(4)/2008.
24. Мосин О.В. Исследование методов биотехнологического получения аминокислот, белков и нуклеозидов, меченных стабильными изотопами 2Н и 13С с высокими уровнями изотопного обогащения. Автореф. дисс. к.х.н. — М.: МГАТХТ им. М.В. Ломоносова, 1996.

Существующие разнообразные способы опреснения забортной морской воды можно разделить на две основные группы:

• 1)опреснение без изменения агрегатного состояния жидкости (воды);
• 2)опреснение, связанное с промежуточным переходом жидкого агрегатного состояния в твердое или газообразное (паровое).

Опреснение способами первой группы включает в себя такие виды, как химическое, электрохимическое, ультрафильтрация.

При химическом способе опреснения в воду вводят вещества, называемые реагентами, которые, взаимодействуя с находящимися в ней ионами солей, образуют нерастворимые, выпадающие в осадок вещества. Вследствие того, что морская вода содержит большое количество растворенных веществ, расход реагентов весьма значителен и составляет примерно 3-5 % количества опресненной воды. К веществам, способным образовывать нерастворимые соединения с натрием и хлором, относятся ионы серебра и бария, которые образуют выпадающие в осадок хлористое серебро и сернокислый барий. Эти реагенты дорогие, реакция осаждения с солями бария протекает медленно, соли ядовиты. Поэтому химическое опреснение используется редко.

При электрохимическом опреснении (электродиализе) применяют специальные электрохимические активные диафрагмы, состоящие из пластмассы, резины с наполнителем и анионитовых или катионитовых смол. Ванна с рассолом ограничена двумя диафрагмами: положительной и отрицательной. Под действием постоянного тока напряжением 110120 В ионы солей, растворенных в воде, устремляются к электродам. Положительные катионы через катион проницаемые диафрагмы, а анионы через анионитовую диафрагму проходят в крайние камеры, где встречаются с двумя пластинами: анодом и катодом. Встречаясь с одноименно заряженными диафрагмами, они остаются в этих камерах. В результате в промежуточных камерах оказывается обессоленная вода, которая стекает в отдельный сборник. Соли и рассолы из крайних камер отводятся за борт, а образующиеся газы (хлор и кислород) в атмосферу. Камеры, в которых опресняется вода, отделены от рассольных камер полупроницаемыми ионитовыми мембранами. При достаточном количестве пар мембран между анодом и катодом расход электроэнергии зависит от солености морской и опресненной воды: чем меньше разница между ними, тем процесс протекает экономичнее. Поэтому электродиализ целесообразно применять для опреснения слабосоленых вод при допустимом высоком солесодержании опресненной воды (5001000 мг/л). На судах, где требования к солесодержанию достаточно высокие, электродиализные опреснители не находят применения. Опытная электродиализная установка эксплуатировалась на траулере "Ногинск".

Опреснение ультрафильтрацией или так называемым способом обратного осмоса состоит в том, что солевой раствор оказывается под давлением со стороны мембраны, проницаемой для воды и непроницаемой для соли. Преснаявода проникает через мембрану в направлении, обратном обычному осмотическому (когда пресная вода вследствие осмотического давления проникает через мембрану в солевой раствор). В существующих установках производительностью около 4 м3/сут соленая вода под давлением около 150 кгс/см2 продавливается через мембраны ацетилцеллюлозного типа, обработанные перхлоратом магния для увеличения их водопроницаемости. С противоположной давлению стороны мембран установлены пористые бронзовые плиты, способные выдержать большое давление. При испытаниях установки с 1,5 %ным солевым раствором была получена вода с солесодержанием 6001000 мг/л Сl. Применение ультрафильтрации как способа опреснения ограничивается малым сроком службы пленок-мембран и большими размерами фильтрующей поверхности. К методам опреснения второй группы, относятся вымораживание и дистилляция, или термическое опреснение.

Опреснение вымораживанием основано на том, что в естественных природных условиях лед, образующийся в океанах и морях, является пресным. При искусственном медленном замораживании соленой морской воды вокруг ядер кристаллизации образуется пресный лед игольчатой структуры с вертикальным расположением игл льда. При этом в межигольчатых каналах концентрация раствора, а, следовательно, и его плотность, повышаются, и он, как более тяжелый, по мере вымораживания оседает вниз. При растаивании игольчатого льда образуется пресная вода с содержанием солей 5001000 мг/л Сl. При быстром замораживании рассол оказывается включенным в толщу льда, и сильное и интенсивное охлаждение приводит к замерзанию всей массы соленого раствора в единое ледяное тело. Для лучшего опреснения морского льда иногда применяется искусственное плавление его части при температуре ~20°С. Вода, образующаяся при таянии, способствует более полному вымыванию солей из льда. Способ вымораживания достаточно прост и экономичен, но требует сложного и громоздкого оборудования.

Дистилляция, или термическое опреснениенаиболее распространенный на морских судах способ получения пресной воды из забортной морской. Как известно, морская вода представляет собой раствор, состоящий из водылетучего растворителя и солейнелетучего растворенного в воде твердого вещества. Сущность дистилляции заключается в том, что забортную воду нагревают до кипения и выходящий пар собирают и конденсируют. Образуется пресная вода, называемая дистиллятом. Выпаривать воду можно как при кипении, так и без кипения. В последнем случае морскую воду нагревают при более высоком давлении, чем давление в камере испарения, куда направляется вода. Так как при этом температура воды превышает температуру насыщения, соответствующую давлению в камере испарения, то часть поступившей воды превращается в пар, который и конденсируется в дистиллят. Для парообразования используется теплота, содержащаяся в самой испаряемой воде, которая при этом охлаждается до температуры насыщения оставшегося рассола. Основное термодинамическое различие между процессами заключается в следующем: при кипящем процессе теплота подводится от внешнего источника и поддерживает температуру насыщения при данном постоянном давлении в испарителе, т. е. процесс является изотермическим; при некипящем процессе теплота подводится к морской воде без кипения до температуры выше температуры насыщения, соответствующей давлению в испарителе, и, следовательно, процесс испарения идет за счет внутренней теплоты и является адиабатным. Недостатком термического опреснения избыточного давления является его малая экономичность: на получение 1 кг дистиллята расходовалось до 700 ккал, что соответствует выходу 1012 т дистиллята на 1 т расходуемого топлива. Этот недостаток удалось преодолеть применением вакуумных испарителей с использованием утилизационной теплоты двигателей внутреннего сгорания и парогенераторов. Дистилляция, как уже было отмечено, основной способ опреснения морской воды, применяемый на судах торгового флота, и поэтому в дальнейшем будут рассмотрены только опреснительные установки, работающие на термическом опреснении.

В настоящее время исследуются новые способы водоопреснения, в частности путем образования кристаллогидратов и при помощи гидрофобного теплоносителя. Принцип кристаллогидратов заключается в выделении пресной воды из соленых растворов в форме кристаллов, которые в специальном расплавит еле разлагаются на чистую воду и гидрат-агент. В качестве гидрат-агентов для повторного использования в процессе используются такие вещества, как метилбромидгидраты, метилхлоридгидраты, гидраты изо-бутана. Сущность гидрофобного теплоносителя заключается в том, что различные смеси углеводородов, парафины, фторированные масла и другие вещества, инертные по отношению к воде и растворенным в ней солям, впрыскивают в теплонесущий дистиллят для нагрева. После этого дистиллят и теплоноситель разделяют и последний впрыскивают в морскую воду. При нагреве часть воды испаряется и образующийся пар в конденсаторе превращается в дистиллят. Гидрофобный теплоноситель отделяют от оставшегося после выпаривания рассола и возвращают в теплонесущий дистиллят для последующего нагрева.

Схемы опреснительных установок поверхностного и бесповерхностного типов изображены на рис. 1. В испарителе 1 поверхностного типа (рис. 1, а) находится греющая батарея 2, через которую проходит теплоносительпар или горячая вода.

Рис.1

а поверхностной (кипящей); бес поверхностной (адиабатной).

В результате нагрева и кипячения рассола в испарителе выделяется из морской воды так называемый вторичный пар, который направляется по трубопроводу в конденсатор 9. Пар охлаждается забортной водой, прокачиваемой по змеевику циркуляционным насосом 8, конденсируется и дистиллят откачивается дистиллятным насосом 7. Часть забортной воды, выходящей в подогретом состоянии из конденсатора, отводится через регулятор уровня 6 в испаритель. Для поддержания постоянной солености рассола в испарителе производится продувание рассольным насосом 4.

В установке с бесповерхностным испарителем 1 (рис. 1, б) отсутствуют греющие элементы с твердой поверхностью для теплопередачи. Морская вода перед поступлением в испаритель предварительно нагревается в подогревателе 3 теплоносителем до температуры, которая превышает температуру насыщения, соответствующую давлению, поддерживаемому в испарителе. При поступлении воды из подогревателя, где вода не кипит, так как давление в нем более высокое, в испаритель с более низким давлением происходит самоиспарение некоторой части воды за счет внутренней теплоты. Образовавшийся пар, как и в предыдущей схеме, поступает в конденсатор 9, прокачиваемый забортной водой от насоса 8, конденсируется и откачивается дистиллятным насосом 7. Часть прокачиваемой охлаждающей воды отводится для питания испарителя через регулятор уровня 6. Неиспарившаяся вода из испарителя циркуляционным рассольным насосом 5 многократно прокачивается через подогреватель 3 и вновь поступает на испарение, при этом часть рассола выдувается за борт через клапан. Преимущество бесповерхностных испарителей заключается в том, что вследствие отсутствия поверхности нагрева в них не образуется накипь, но они требуют установки насосов большей производительности.

Кроме рассмотренного основного признака способа испарения дистилляционные опреснительные установки можно классифицировать по ряду других признаков:

по назначению: опреснительные для получения питьевой воды; испарительные для получения котловой воды; комбинированные для получения питьевой, мытьевой и питательной воды;

• -по роду теплоносителя: паровые, водяные, газовые, электрические;
• -по давлению в испарителе: избыточного давления; вакуумные;
• -по способу регенерации теплоты: компрессионные, в которых вторичный пар сжимается и используется в качестве греющего; ступенчатые, в которых пар, получаемый в предыдущих испарителях, используется в качестве греющего пара в последующих;
• -по связи с судовой энергетической установкой: автономные, не связанные с работой СЭУ; неавтономные, включаемые в цикл работы главных и вспомогательных дизелей и парогенераторов. К ним относятся распространенные на промысловых судах утилизационные опреснительные установки, использующие теплоту водяной системы охлаждения главных двигателей.

Конструкция испарителя поверхностного типа (рис.2) вакуумной опреснительной установки СРТ с использованием в качестве теплоносителя отработавших газов от главного дизеля показана на рис. 2. Испаритель состоит из цилиндрического вертикального корпуса 4 с размещенными внутри двумя трубными решетками 5 и 9, к которым приварены трубки 8, расположенные в шахматном порядке. В межтрубном пространстве имеются две направляющие перегородки 7.

Отработавшие газы главного двигателя входят через патрубок 14 в межтрубное пространство, совершают два поворота, через стенки трубок передают теплоту на испарение рассола и уходят через патрубок 6 в атмосферу. В нижней крышке 13 расположены входной 12 и выходной 11 патрубки для морской воды и рассола, а также закрытый патрубок 10 с цинковым протектором для предохранения испарителя от коррозии. В верхней крышке имеются сепараторы пара: конусный 3 и сетчатый 2 с кольцами Рашига 1. Уравнительная трубка поплавкового регулятора уровня присоединена к патрубку 15. Производительность испарителя равна 500 кг/ч.

Опреснитель, - это аппарат для удаления из воды растворенных солей.

С помощью опреснителя в результате конечной обработки получается сверхчистая вода, не содержащая минеральных солей, которая может использоваться как для бытовых целей, так и в качестве питьевой воды.

Вода, в том числе и пресная, не является абсолютно чистой: она содержит различные примеси. От количества и свойств, растворенных в воде веществ, зависит пригодность ее применения на судне.

В зависимости от назначения различают следующие виды пресной воды, применяемые на судне:

• питьевую - для питья и приготовления пищи;
• мытьевую - для умывальников, душевых, прачечных;
• питательную - для питания парогенераторов;
• дистиллированную - для аккумуляторных батарей;
• техническую - для охлаждения судовых двигателей;
• технологическую - для обработки рыбы.

Для каждого из перечисленных видов воды предусматриваются свои емкости и системы.
Допускается устройство единой системы питьевой и мытьевой воды при условии, что качество и условия ее хранения будут удовлетворять требованиям, предъявляемым к питьевой воде.

Типы опреснителей.

Существующие разнообразные способы опреснения забортной морской воды можно разделить на две основные группы:

1. Дистилляционное опреснение, связанное с промежуточным переходом жидкого агрегатного состояния, в твердое или газообразное (паровое или испарительное);
2. Фильтрационное опреснение (обратный ОСМОС) без изменения агрегатного состояния жидкости (воды).

Дистилляционные опреснители выпаривают морскую воду, улавливают получившийся пар и затем, после его охлаждения, получают воду.

Дистилляционная опреснительная установка состоит из следующих основных частей:

• Теплообменных аппаратов: испарителя, конденсатора, водонагревателя.
• Насосов: питательного, циркуляционного, дистиллятного, рассольного.
• Трубопроводов: теплоносителя, забортной воды, пресной воды, рассола.
• Контрольно-измерительных, сигнальных и автоматических приборов.

Опреснители фильтрационного типа работают по-другому. В работе используют принцип обратного ОСМОСа. Под ОСМОСом понимают процесс «выравнивания» концентрации растворенных элементов в растворах (например, солей в сосудах, разделенных полупроницаемой мембраной). Обратный ОСМОСтребует приложения к соленой воде очень высокого давления, которое буквально «выдавливает» ионы соли через мембрану. Проще говоря, опреснение состоит в том, что солевой раствор оказывается под давлением со стороны мембраны, проницаемой для воды и непроницаемой для соли.

В результате фильтрации способом обратного ОСМОСа 97% содержащихся в морской воде солей и минералов отфильтровываются, а оставшиеся 3% дают на выходе чистую питьевую воду, согласно всех санитарных требований.

Преимущества и недостатки опреснителей дистилляционного и фильтрационного типов.

Преимущества дистилляционного типа опреснителей:

• возможность достижения высокого качества опресненной воды.
• возможность использования в системах водоподготовки на тепловых и атомных электростанциях, а также котельных установках.

Преимуществами опреснителей фильтрационного типа (обратный ОСМОС) является:

• простота технической реализации и надежность;
• долговечность;
• простой процесс замены мембран и длительная работоспособность мембран до их замены;
• компактность и малый вес;
• низкие удельные затраты энергии;
• низкий уровень шума;
• высокая производительность при минимальных эксплуатационных затратах;
• установки фильтрационного типа снабжены автоматической системой, которая регулирует рабочее давление помпы в зависимости от степени солености воды;
• возможность обработки различных типов вод (морской воды, малосоленой воды устьев рек, речной и озерной воды) с помощью одной установки;
• с помощью установок фильтрационного типа (обратный ОСМОС) можно обрабатывать портовые воды, уделив должное внимание стадии префильтрации.

Недостатки дистилляционного типа опреснителей:

• на выходе получается дистиллированная вода, то есть химически чистая, без каких-либо минералов и солей. Употребление такой воды в пищу приводит к вымыванию солей и минералов из костей, нарушению работы желудочно-кишечного тракта;
• большие размеры агрегата;
• большой расход электричества;
• при опреснении соленой воды, происходит быстрое зарастание накипью поверхностей теплообмена, вследствие чего снижается экономичность работы установки;
• необходимость постоянно следить за показателями соленомеров, брать пробы для определения качества дистиллята, не реже одного раза в сутки.

Недостатками опреснительной установки фильтрационного типа (обратный ОСМОС) являются:

• мембрана является расходным материалом, который требует замены каждые 1,5-3 года, в зависимости от интенсивности использования;
• установка дополнительного фильтра для предварительной очистки масла от воды.

Не вся вода на земле пригодна для использования на нужды человека, и поэтому введены соответствующие стандарты, определяющие требования к воде по видам ее потребления.

Одним из главных ограничений использования воды является ее химический состав. Превышение общего количества солей над установленными нормами или отдельных их компонентов делают воду непригодной для использования.

Морская вода, как и многие воды на континенте, имеет высокое содержание солей. Так, 1 т морской воды содержит 35 кг различных солей. Естественно, что прямое использование такой воды, особенно для питья, невозможно.

Российский ГОСТ на питьевую воду действует с 1982 г. Сейчас он дополнен более новым нормативом.

Санитарные правила и нормы (СанПиН) 2.1.4.550-96 «Питьевая вода».

В соответствии с действующими стандартами и нормами под термином питьевая вода высокого качества подразумевается:

• Вода с соответствующими органолептическими показателями - прозрачная, без запаха и с приятным вкусом;
• Вода с рН = 7-7,5 и жесткостью не выше 7 ммоль/л;
• Вода, в которой суммарное количество полезных минералов не более 1 г/л;
• Вода, в которой вредные химические примеси либо составляют десятые-сотые доли их ПДК, либо вообще отсутствуют (то есть их концентрации настолько малы, что лежат за гранью возможностей современных аналитических методов).
• Вода, в которой нет болезнетворных бактерий и вирусов.

Характеристики опреснителей (обратный ОСМОС).

Благодаря особо компактной конструкции опреснители занимают немного места и могут быть свободно размещены на судах малых и средних размеров. Корпус опреснителей ОСМОС изготавливается из нержавеющей стали. Корпус осмотических мембран, выполняется, из высококачественной стали, и эпоксидной смолы, и надежно защищает мембраны от коррозии.

Одной из главной проблем в длительном морском рейсе становится отсутствие пресной воды. Основными показателями, определяющими качество пресной воды, являются соленость, характеризуемая содержанием растворенного хлористого натрия, и жесткость, обусловленная наличием в ней солей кальция и магния.

При установке на выходе еще одного фильтра, поставляемого по запросу клиента, который служит для реминерализации очищенной воды, происходит улучшение вкусовых свойств воды и преобразование ее в абсолютно пригодную для питья.

Кроме того, в случае обработки портовых вод или подозрения на возможное загрязнение воды углеводородами, рекомендуется установить фильтр предварительной очистки для отделения масла и воды, что в любом случае не навредит работе опреснительно-очистительной установки, но однозначно продлит срок службы мембран.

Оборудование для опреснения морской воды, на входе имеет содержание соли в воде 38000 PPM, на выходе 600 PPM.

ООО Дальневосточная Компания «ПРБ» имеет в наличии, на складе во Владивостоке , полностью автоматический Комплекс по опреснению морской воды методом обратного осмоса , производительностью 5 тонн в сутки (включая годовой комплект расходного СЗЧ), которая не требует постоянного присутствия вахтенного и технического персонала.

Обратный ОСМОС