Технологии опреснения морской воды. Методы опреснения морской воды

Нехватка пресной воды все больше ощущается во всем мире, даже в США и странах Европы. А в таких странах, как Израиль или Иран запасов пресной воды совершенно не хватает для нужд населения и производства. Существует мнение, что в конце концов человечество окажется перед необходимостью добычи пресной воды из вод мирового океана.

Опреснение морской воды - это процесс снижения уровня солей в воде. В нормальной морской воде содержание солей порядка 3,5 процентов, а в воде, которая пригодна для питья, этот уровень не должен превышать 0,05 процента. Также не стоит забывать, что после опреснения обязательно будет требоваться очистка воды от кальция и вредных составляющих, следовательно, необходимо использовать установки для водоочистки.

Водоочистка - серьезная задача при подготовке обычной пресной воды для использования человеком, а очистка опресненной воды - задача еще более сложная. Водоочистка морской воды сложна, потому что уровень содержащихся в морской воде микроорганизмов и их разнообразие гораздо выше, нежели в пресной воде. Более того, очистка морской воды еще осложняется тем, что в морской воде растворено гораздо больше химических соединений, чем в пресной и концентрация их гораздо выше. Все вышеперечисленное говорит о том, что водоочистка морской воды - процесс не менее сложный и важный, чем водоочистка пресной воды.

Существует несколько методов опреснения и последующей очистки морской воды. Одним из этих методов является метод дистилляции.

Дистилляция, или перегонка, основана на том, что вода - вещество летучее, а растворенные в ней соли - нелетучие. Морскую воду нагревают до температуры кипения, в результате чего образуется водяной пар, полученный пар забирается и охлаждается, в результате остается обычная вода. Но при использовании данного способа опреснения морской воды существуют несколько проблем, и самая основная проблема состоит в том, что при выпаривании соляной раствор, остающийся в дистилляторе, с каждым разом становится все более концентрированным. Это приводит к выходу из строя трубопроводов и самого дистиллятора, для решения этой проблемы используют многокамерные дистилляторы, а также часть опресненной воды сбрасывается с соляным раствором в море, а на ее место набирают новую порцию воды. Перед и после процесса дистилляции морская вода проходит процесс предварительной водоочистки.

Еще один способ опреснения морской воды и очистки ее от примесей является - . При использовании данного метода водоочистка и опреснение воды происходит при помощи мембраны, проницаемой для воды и в тоже время непроницаемой для солей и иных примесей, растворенных в морской воде, при помощи . Недостатком данного метода очистки и опреснения морской воды является малое количество получаемой пресной воды. Проблема в том, что морскую воду необходимо подавать на мембрану под давлением для того чтобы через мембрану просачивалась чистая вода, а соли оставались на обратной стороне фильтра. Установка по опреснению и очистке морской воды обычно представляет собой множество тонких трубок, стенки которых выложены изнутри ацетатом целлюлозы, морская вода подается в трубки под давлением, достаточным для того чтобы пресная вода просачивалась через фильтр. Такое давление называется осмотическим, необходимо следить за тем, чтобы оно не превысило допустимые величины, иначе мембрана может порваться или начать пропускать соли, растворенные в морской воде.

Также существуют другие методы опреснения морской воды , например, метод заморозки. Метод основан на том, что при превращении морской воды в лед, соли, растворенные в ней, в лед не попадают.

Как говорилось ранее, уделяя особое внимание процессу опреснения морской воды , нельзя забывать об очистке уже полученной пресной воды. Водоподготовка полученной воды в большинстве своем не отличается от процесса фильтрации и очистки обычной воды. Для очистки воды применяются фильтры грубой очистки, тонкой очистки и фильтры химической и биологической водоочистки.

К сожалению, на данный момент пока все еще не существует достаточно дешевого и эффективного метода опреснения морской воды , способного обеспечить все более возрастающие потребности человечества в пресной воде. Применяемые в данный момент методы опреснения морской воды или неэффективны, или стоимость получаемого литра опресненной воды слишком велика для использования в промышленных масштабах.

Начнем с определения терминологии. Итак, что же такое опреснение морской воды и зачем это нужно? Это процесс, заключающийся в удалении из воды различных солей, дабы ее можно было пить или использовать для решения некоторых технических задач.

В море обычно содержится 3,5% солей, тогда как солевая концентрация в водопроводной воде, например, в США всего лишь 0,05%. Высокая концентрация нелетучих твердых веществ, растворенных в морской воде, исключает возможность ее использования в каких-либо целях.

Способы опреснения морской воды

Актуальные на сегодняшний день способы опреснения морской воды подразделяются на две группы:

1. Без вмешательства в агрегатное состояние воды.
2. Преобразование воды в газообразное или твердое состояние

Химическое опреснение морской воды

В соленую воду добавляют реагенты, которые соединяются с ионами солей, образовывая нерастворимые вещества. Для успешного завершения процесса объем реагентов обычно составляет около 5% от имеющегося объема воды. В качестве реагентов используют ионы и серебра.

Химическое опреснение применяется весьма редко из-за относительной дороговизны реагентов, больших временных затрат и ядовитости солей.

Для электродиализа используются специальные активные диафрагмы. Их изготавливают из пластмассы, катионитовых или анионитовых смол и резиновых наполнителей.

Ванна, наполненная морской водой, ограничивается положительной и отрицательной диафрагмами. Самые главные камеры, предназначенные для опреснения, отделяются от остальных отсеков ионитовыми полупроницаемыми мембранами.

Метод, также известный как «обратный осмос ». Его суть состоит в оказании давления на раствор с той стороны мембраны, где соль не будет проникать вместе с водой.

Специальные обратноосмотические системы, имеющие производительность 4 кубических метра в сутки и оказывающие на соленую воду давление примерно 160 кгс/см₂, оснащены мембранами из ацетилцеллюлозы. С обратной стороны мембран находятся пористые плиты из бронзы, способные оказывать сопротивление сильному давлению.

Среди недостатков ультрафильтрации отмечаются короткий эксплуатационный срок мембран и внушительные размеры поверхности, предназначенные для фильтрации.

Вымораживание морской воды

Поскольку океанский и морской лед не содержит солей, этот способ опреснения является довольно распространенным. Ради более качественного опреснения замороженную морскую воду плавят при температуре 20 градусов: таящая вода вымывает соли изо льда гораздо тщательнее.

Этот метод отличается простотой и экономичностью, однако для вымораживания необходимо громоздкое и профессиональное оборудование.

Термическое опреснение морской воды - самый популярный способ вывода солей из морской воды.

Суть процесса довольно проста: во время кипячения выходящий пар подвергается конденсации, вследствие чего получается опресненная вода (дистиллят).

В продаже наиболее часто встречаются установки, работающие по принципу обратного осмоса. Они идеально подходят для обработки жидкости из любых источников: рек, озер, морей и т.д. Тем не менее производительность установки зависит от уровня солености и температуры воды, предполагаемой к обработке.

Опреснительные установки состоят из теплообменных устройств (водонагреватели, испарители, конденсаторы), насосов для циркуляции и дистилляции воды, трубопроводов для соленой и пресной воды, а также различных приборов для управления и слежения за работой.

Исходя из способа обессоливания, соответствующее оборудование разделяется на установки поверхностного и бесповерхностного типа. Помимо этого, они классифицируются по назначению (опреснительные, испарительные, комбинированные), типу теплоносителя (паровые, газовые, водяные, электрические), методу выработки тепла (компрессионные и ступенчатые) и условиям работы (автономные и неавтономные).

Катера и яхты малых габаритов, как правило, оснащаются опреснительными установками с системой рекуперации энергии, которые работают от напряжения 12/24 вольта. Подобное оборудование может выдавать примерно 100 литров обессоленной воды в час.

Коммерческие, промысловые и рабочие судна оборудуются более производительными опреснителями, производящими до 30.000 литров чистой воды в сутки. Такие установки часто эксплуатируются на , в курортных зонах и прибрежных поселениях.

Проблемы опреснения морской воды

Наиболее востребованная на текущий момент технология обратного осмоса требует существенных затрат на производство и эксплуатацию мембран, а также большие энергетические мощности для работы установок. К тому же после опреснения остается соляной раствор высокой концентрации, который зачастую возвращают в океан или море, тем самым повышая уровень солености воды. С каждым годом эти обстоятельства делают опреснение все более сложным и дорогостоящим занятием.

Помимо этого, около 2/3 запасов пресной воды в мире заморожены в ледниках и снежных покровах. Остальная часть находится в почве, откуда ее выкачивают настолько быстро, что природа просто не успевает восполнять потери.

В связи с этим прогнозируется рост дефицита пресной воды в мировом масштабе.

По оценкам экспертов, к 2030 году более двух миллиардов человек, вероятно, будут испытывать ее нехватку.Тем более что количество пресной воды, используемое жителями в разных странах, имеет радикальные различия.

Например, американцы ежедневно расходуют около 400 литров на человека, тогда как в ряде малоразвитых стран потребляется всего лишь 19 литров, а дома почти половины всего населения планеты и вовсе не имеют водопровода.Все эти проблемы вскоре заставят человечество обратить пристальное внимание на океаны как источник воды для последующего опреснения.

Вывоз, переработка и утилизация отходов с 1 по 5 класс опасности

Работаем со всеми регионами России. Действующая лицензия. Полный комплект закрывающих документов. Индивидуальный подход к клиенту и гибкая ценовая политика.

С помощью данной формы вы можете оставить заявку на оказание услуг, запросить коммерческое предложение или получить бесплатную консультацию наших специалистов.

Отправить

Запасы воды на планете Земля огромны, но большая часть доступной пресной воды распределена неравномерно. А морская непригодна для пищевой промышленности из-за солености. По этой же причине ее нельзя использовать для сельского хозяйства и бытовых нужд. В морской воде содержится не только соль, а еще более 40 химических элементов. Для того чтобы получить пригодную к использованию воду требуется опреснение морской воды – процесс, который позволяет получить пресную воду с содержанием солей менее 0,002 г/мл.

Существуют разные методы опреснения воды – от относительно простых и экономичных до масштабных и специализированных. В настоящее время продолжаются поиски дешевого и эффективного способа обессоливания.

Способы опреснения

Основные способы опреснения воды:

• Дистилляция.
• Ионизация.
• Обратный осмос.
• Электродиализ.

Это методы, которые можно использовать в крупных масштабах, для нужд промышленности. Среди них большой популярность пользуется дистилляция – она бывает простой или многоступенчатой. Во время дистилляции воду доводят до кипения, образуется водяной пар – чистая дистиллированная вода. В остатке же находятся соли.

С помощью дистилляции получают более половины всей опресняемой жидкости. Отдельно выделяют метод мембранной дистилляции, заключающийся в собирании водяного пара по одну сторону от специальной мембраны, которая пропускает только молекулы газа.

Обратный осмос – это один из самых экономичных методов. Подсчеты показывают, что опреснение 15 тонн исходного сырья будет стоить не больше 1 доллара. Суть метода в продавливании жидкости через чрезвычайно мелкие фильтры. Через поры проходит только чистая жидкость, соли и примеси остаются.

Электродиализ – это процесс пропускания жидкости через специальную электродную камеру. В камере находятся пластины, которые, соответственно заряду, притягивают катионы и анионы. Преимущество метода – высокая устойчивость оборудования к воздействию внешней среды. Так, электродиализ дает возможность проводить опреснение воды при высокой температуре. Минусы – необходимость установки специального оборудования.

Другие методы немного сложнее и распространены не так широко. Ограниченное применение связано с высокой себестоимостью опресненной воды.

В некоторых южных регионах используется достаточно простой метод – солнечное опреснение воды. Он заключается в нагревании воды на солнце. Пар улавливается, так получают пресную воду. Есть и обратный метод – опреснение воды замораживанием. Насыщенная солью жидкость замерзает медленнее, чем пресная – в момент замерзания их можно разделить.

Опреснение в промышленности

В промышленных масштабах недостаток чистой опресненной воды ощущается острее и зафиксирован более чем в полусотне стран. Кризис связан в первую очередь с активным развитием промышленности, быстрым ростом населения и несовершенством экологического законодательства. Поэтому вопрос опреснения воды в промышленных масштабах стоит очень остро. Это оптимальный путь добычи пресной воды в крупных масштабах – особенно использование опреснительных установок актуально в прибрежных зонах.

Большинство крупных опреснительных станций расположено в регионах с недостатком питьевой воды. К ним относится практически весь Ближний Восток, а также некоторые страны Северной Африки. Строительство станций продолжается также в Европе и США. Современные технологические мощности позволяют удовлетворить потребность населения в чистой питьевой воде даже в странах с минимальными природными ресурсами.

Что касается обстановки в России, то опреснительные технологии только начинают развиваться. Благодаря природным запасам и особенностям климата и территории, природных запасов хватит минимум на несколько десятков лет.

Новые возможности и альтернативы

Технологии опреснения несовершенны, поэтому продолжается поиск альтернативных возможностей. Наиболее перспективной представляется идея транспортировки льда из антарктического региона. Главная проблема состоит в длительности такой транспортировки и возможных последствиях от вмешательства в структуру ледника.

Еще одна технология – регенерация. Суть состоит в том, что сточные и поверхностные воды очищают и снова пускают в бытовой или промышленный оборот. Такая жидкость пригодна, по крайней мере, для технических и сельскохозяйственных нужд.

Особые опреснители

Существуют специальные судовые опреснители, которые предназначены для получения жидкости во время длительного плавания. Большинство таких опреснителей построено на основе мембранного фильтра. В настоящее время активно растет число судов, оборудованных такими опреснителями.

Еще одна категория – бытовые устройства. Они подходят не только для домашнего использования. Их можно устанавливать, например, в лаборатории, медицинские учреждения, косметические салоны. Бытовые устройства работают по принципу паровых дистилляторов. Они отличаются только объемом чистой жидкости, производимой за определенный промежуток времени. Существенный недостаток в том, что они требуют много электроэнергии.

Глобальной проблемой человечества в новом тысячелетии становится проблема получения пригодной для питья пресной воды. 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 120-150·10 9 м 3 в год. Растущий мировой дефицит пресной воды может быть скомпенсирован опреснением солёных (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.

Пресная вода является ценной составной частью морской воды. Нехватка пресной воды все больше ощущается в индустриально развитых странах, 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 солёность, под которой подразумевается масса (в граммах) сухих солей (преимущественно NaCl) в 1 кг морской воды. Средняя солёность вод мирового океана постоянна и составляет 35 г/кг морской воды.

Наряду с NaCl в морской воде содержатся K + , Mg 2+ , Ca 2+ , Sr 2+ , Br - , F - , H 3 BO 3 , которые можно получать из морской воды в промышленных масштабах (Таблица). Среди других веществ, содержащихся в морской воде в концентрациях от 1 млн. д. до 0,01 млн. д., встречаются литий (Li), рубидий (Rb), фосфор (P), йод (J), железо (Fe), цинк (Zn) и молибден (Mo). Кроме этих элементов в морской воде обнаружено около 30 других элементов в более низких концентрациях.

Химические вещества, содержащиеся в мор ской воде
в концентрации выше 0,001 г/кг (1 млн.д.) по весу

Высокая концентрация солей делает морскую воду непригодной для питьевых и хозяйственных целей. Поэтому её необходимо опреснять, т.е. проводить обработку с целью снижения концентрации растворённых 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 счёт 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 опреснение

При химическом способе опреснения в морскую воду вводят специальные осаждающие реагенты, которые при взаимодействии с растворёнными 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 (Ba 2+), которые при обработке солёной воды образуют выпадающие в осадок хлористое серебро (AgCl) и сернокислый барий (BaSO 4). Эти реагенты дорогостоящие, реакция осаждения с солями бария протекает медленно, соли бария токсичны. Поэтому химическое осаждение при опреснении воды используется очень редко.

Дистилляция

Дисцилляция 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 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 (рис. 1).

Рис. 1 . Схема одноступенчатого дистилляционного опреснителя: 1 - корпус испарительной камеры; 2 - нагревательный элемент; 3 - конденсатор; 4 - насос; 5 - сборник дистиллята.

Современные дистилляционные опреснители подразделяются на одноступенчатые, многоступенчатые с трубчатыми нагревательными элементами, или испарителями, многоступенчатые с мгновенным вскипанием и парокомпрессионные.

Многоступенчатый испаритель (рис. 2) состоит из ряда последовательно работающих испарительных камер с трубчатыми нагревательными элементами. Нагреваемая солёная 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.

Рис. 2. Схема многоступенчатого дистилляционного опреснителя с трубчатыми нагревательными элементами: 1 - испарительные камеры 1, 2, 3 и 4-й ступеней; 2 - трубчатые нагревательные элементы; 3 - концевой конденсатор; 4 - брызгоулавливатель; 5 - насос.

В опреснителях с мгновенным вскипанием (рис. 3) солёная вода проходит последовательно через конденсаторы, встроенные в испарительные камеры, нагреваясь за счёт 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.

Рис. 3. Схема многоступенчатого дистилляционного опреснителя с мгновенным вскипанием: I, II, III, IV и N - камеры испарения; 1 - насос; 2 - паровой эжектор; 3 - конденсатор эжектора; 4 - подогреватель; 5 - брызгоулавливатель; 6 - конденсатор; 7 - поддон для сбора конденсата.

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 час/м 3 дистиллята.

Затраты при осуществлении любого варианта процесса дистилляции связана с большими затратами тепловой энергии, составляющими 40% от стоимости получаемой воды (если проводить дистилляцию в вакууме, температура кипения воды понижается до 60 0 С 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, так называемая 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 м 2 поверхности, воспринимающей солнечную радиацию.

Эффективность работы дистилляционных испарителей ограничена образованием накипи в системе циркуляции горячего рассола. По мере выпаривания морской воды из дистилляционого опреснителя, раствор соли становится более концентрированным, и в конечном итоге осаждается на стенках аппарата в виде накипи из солей жёсткости, состоящих, главным образом, из хлоридов и карбонатов кальция (CaCO 3 , CaCl 2) и магния (MgCO 3 , MgCl 2), 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 час/м 3 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 твёрдых полимерных смол разной степени сшивки, ковалентно связанных с ионогенными группами (иониты), обратимо обмениваться ионами растворённых в воде солей (проивоионы).

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 основания, нерастворимую структуру которых образуют катионы. Их анионы (обычно гидроксильная группа ОН -) способны обмениваться с анионами растворов.

Процесс ионнообменного опреснения воды заключается в последовательном прохождении воды через 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 её обессоливание. Соотношение ионита, анионита и катионита обычно составляет от1:1 до 1.5:1.0 по массе.

Рис. 4. Схемы ионообменного опреснения воды (М 2+ = Са 2+ , Mg 2+) на неподвижном слое ионита (а) и в противотоке (б) с движущимися слоями ионита (NaR, MR 2) и потоками воды.

Кинетика ионного обмена включает 3 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 серной кислоты, которую пропускают последовательно через катионит до появления кислой реакции. Удельный расход серной кислоты 55-60 г/г-экв. сорбированных катионов. Анионит регенерируется раствором 5%-ной кальцинированной соды или едкого натра с удельным расходом 70-75 г на 1 г-экв. задержанных анионов.

Ионный обмен применяется для получения обессоленной и умягчённой 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 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 3 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 обессоленыые 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 3 группы: со взвешенным или кипящим слоем ионита, с непрерывным движущимся слоем ионита и с двищущимся раствором через ионит.

В зависимости от заданной степени обессоливания воды проектируют одно-, двух и трех ступенчатые ионнообменные 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 ных 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.

Обратный осмос

При опреснении воды методом обратного осмоса морскую воду пропускают через полупроницаемые мембраны под воздействием давления, существенно превышающего разницу осмотических давлений пресной и морской воды (для морской воды 25-50 атм.). Такие мембраны изготавливаются отечественной промышленностью из полиамида или ацетата целлюлозы и выпускаются в виде полых волокон или рулонов. Через микропоры этих мембран могут свободно проникать небольшие молекулы воды, в то время как более крупные ионы соли и другие примеси задерживаются мембраной.

Обратный осмос используется в нашей стране с начала 1970 годов в различных технологиях очистки воды от примесей, в том числе для опреснения воды. Современные промышленные установки обратного осмоса включают фильтр тонкой очистки воды, систему реагентной подготовки, насос высокого давления, блок фильтрующих модулей, блок химической промывки.

В установках по опреснению воды методом обратного осмоса трубы изготавливают из пористого материала, выложенного с внутренней стороны пленкой из ацетата целлюлозы, выполняющей функции полупроницаемой мембраны. Опреснительная установка состоит из множества аналогичных труб, уложенных параллельно друг другу, через которые насосом высокого давления (5-10 Мн /м 2 , или 50-100 бар ) непрерывно прокачивается морская вода, а отводится два потока -обессоленная - пермеат, и вода с концентрированными солями - концентрат, которая сливается в сток (рис. 5). Поток пресной воды через мембрану пропорционален приложенному внешнему давлению. Максимальное давление определяется собственными характеристиками обратноосмотической мембраны. При слишком высоком давлении мембрана может разорваться, забиться присутствующими в воде примесями или пропускать слишком большое количество растворенных солей. При слишком низком давлении процесс замедляется.

Рис. 5. Схема процесса опреснения воды методом обратного осмоса.

Обратный осмос обладает существенными преимуществами по-сравнению с другими методами опреснения воды: энергетические затраты сравнительно невелики, установки конструктивно просты и компактны, работа их может быть легко автоматизирована. Управление системой обратного осмоса осуществляетсяв полуавтоматическом и автоматическом режиме. Для уменьшения образования нежелательных отложений солей в полостях труб применяются ингибиторы осадкообразования. Для снятия осадков солей с поверхности мембран используется система химической промывки. Для контроля качества очистки воды и значения рН - проточные измерители солесодержания и рН-метры. Контроль расхода пермеата и концентрата осуществляется проточными расходомерами.

Степень опреснения воды и производительность мембраны по опресненной воде зависят от различных факторов, прежде всего от общего солесодержания исходной воды, а также солевого состава, давления и температуры. Так, при опреснении соленой воды из скважины, содержащей 0,5% растворенных солей, при давлении 50 атм в течение суток удается получить приблизительно 700 л пресной воды с 1 м 2 мембраны. Поскольку для получения большой площади поверхности необходимо очень много тонких труб, процесс обратного осмоса не находит широкого применения для получения боль­ших количеств пресной воды. Однако этот процесс представляется весьма перспективным, если в будущем будут разработаны улучшенные низконапорные высокоселективные энергосберегающие мембраны, особенно для опреснения соле­ной воды из скважин. Эта вода имеет более низкую концентрацию растворенных со­лей по сравнению с морской водой, что позволяет проводить ее опреснение при более низких давлениях.

Электродиализ

Данный процесс мембранного разделенияоснован на способности ионов растворённых в воде солей перемещаться через мембрану под действием градиента электрического поля. При этом катионы перемещаются по направлению к отрицательному электроду (катоду), а анионы движутся в противоположном направлении к положительно заряженному электроду (аноду). Катионы и анионы разделяют, используя специальные проницаемые для ионов ионоселективные мембраны. В результате в ограниченном мембранами объёме, происходит снижение концентрации солей.

Ионноселективные мембраны, применяемые для электродиализа, изготовляют из термопластичного полимерного материала (полиэтилен, полипропилен) и ионообменных смол (КУ-2, ЭДЭ-10П и др.) в виде гибких листов прямоугольной формы. Они имеют большую механическую прочность, высокую электропроводность и высокую проницаемость для ионов. Кроме того, они обладают высокой селективностью и низким электросопротивлением, которое составляет от 2 Ом/см 2 до 10 Ом/см 2 на единицу поверхности ионообменной мембраны. Срок службы мембран в среднем 3-5 лет.

Электродиализные опреснители представляют собой многокамерные аппараты фильтр-прессового типа, состоящие из камер, ограниченных с одной стороны катионитовой, с другой - анионитовой мембранами, разделяющими объём аппарата на множество полостей. Камеры размещены между катодом и анодом, к которым подведён постоянный электрический ток (рис. 6).

Рис. 6. Схема многокамерного электродиализного опреснителя: 1 - анод; 2 - катод; 3 - анионитовая мембрана; 4 - катионитовая мембрана; В - опресняемая вода; Р - рассол.

Опресняемая вода поступает в опреснительные камеры, где под действием электрического поля катионы и анионы растворённых в воде солей движутся в противоположных направлениях к катоду и аноду соответственно. Поскольку катионитовые мембраны проницаемы в электрическом поле для катионов, но непроницаемы для анионов, а анионитовые мембраны проницаемы для анионов, но непроницаемы для катионов, в опреснительных камерах происходит селективное разделение определённых типов ионов солей. При этом удаляемые из воды соли концентрируются в рассольных камерах, откуда они удаляются вместе с промывочной солёной водой.

Расход электроэнергии на опреснение воды электродиализом зависит от исходного солесодержания опресняемой воды (2 вт·ч на 1 л при опреснении воды с солесодержанием 2,5-3 г/л и 4-5 вт· ч на 1л при опреснении воды с содержанием солей 5-6 г/л). Выход пресной воды в электродиализных установках составляет 90-95%.

В нашей стране получили распространение электродиализные опреснительные установки серии ЭДУ (ЭДУ-5, ЭДУ-50, ЭДУ-100, ЭДУ-1000), производительностью от 5 до 1000 м 3 пресной воды в сутки. Они применяются для опреснения морской воды при получении питьевой и технической воды, при обессоливании сточных вод гальванического производств (гальванических стоков), для концентрирования сточных вод, содержащих ценные компоненты (например, драгоценные металлы), перед последующим извлечением этих компонентов. Чаще всего процесс электродиализа применяют для обессоливания воды, содержащей не более 10 г/л растворённых солей. В этом случае процесс электродиализа является более экономичным по сравнению с обратным осмосом и дистиляцией. При помощи электродиализа можно также концентрировать растворы. Благодаря этому электродиализ применяется при выделения хлористого натрия (NaCl) и других солей из морской воды. Электродиализ применяется также для предочистки воды для теплоэнергетических установок.

Преимуществом электродиализа по сравнению с обратным осмосом является то, что в этом процессе используются термически и химически более стойкие мембраны, что позволяет проводить процесс опреснения воды при повышенных температурах.

Замораживание

Данный метод основан на том, что в естественных природных условиях лед, образующийся из морской воды, является пресным, поскольку образование кристаллов льда при температуре ниже температуры замерзания происходит только из молекул воды (явление криоскопии). При искусственном медленном замораживании соленой морской воды вокруг центров кристаллизации образуется пресный лед гексагональной игольчатой структуры со средней плотностью 930 кг/м 3 . При этом в межигольчатых каналах концентрация раствора и его плотность, повышаются, и он, как более тяжелый, по мере замораживания оседает вниз. При последующей сепарации, промывки и таянии кристаллического льда образуется пресная вода с содержанием солей 500-1000 мг/л NaСl.

Замораживание морской воды проводят в кристаллизаторах (контактные, вакуумные, с теплообменом через стенку) в условиях непосредственного контакта охлаждаемого раствора с хладагентом – газообразным или жидким.

Для лучшего опреснения морского льда применяется фракционное плавление при температуре 20°С с промывкой и сепарацией кристаллов льда от маточного раствора методами фильтрования, гидравлического прессования и центрифугирования.

Данный метод применяется для концентрирования непищевых продуктов, для опреснения морской воды, концентрирования и разделения химических растворов и др. Он достаточно прост и экономичен, но требует сложного оборудования и энергоёмок. Поэтому на практике он используется чрезвычайно редко.

В нашей стране разработан газогидратный метод опреснения воды, который по аппаратурному оформлению аналогичен замораживанию со вторичным хладоагентом . Этот метод основан на способности некоторых углеводородных газов (пропан, циклопропан, бутан, изобутан, этилен, фреон-31, фреон-40 и др.) при определенных температуре и давлении образовывать при взаимодействии с водой соединения клатратного типа (газогидраты) общей формулы М nН 2 О (М - молекула гидратобразующего газа), с их последующей сепарацией от рассола и плавлением. В зависимости от природы газа и условий проведения процесса, газогидраты образуются из 46 молекул воды и 6 (газогидраты I) или 8 молекул (газогидраты II) газа.

Принципиальные основы газогидратного метода опреснения воды заключаются в следующем: в замораживаемую соленую воду вводят гидратобразующий газ и после формирования кристаллической фазы (газогидрата) ее отделяют от рассола, образовавшегося в результате отбора от исходной соленой воды части молекул Н 2 О, расходованных на образование газогидрата; кристаллы газогидрата отмывают от рассола, плавят и получают пресную воду. Выделившийся при плавлении газогидрата газ может быть рекуперирован.

Обладая всеми преимуществами контактного вымораживания, газогидратный метод выгодно отличается более высокой температурой проведения процесса, что позволяет уменьшить энергетические затраты и потери холода в окружающую среду.

Разновидностью этого метода является опреснение морской воды с помощью попутного газа из смеси бутана с пропаном. Замораживаемую морскую воду обрабатывают попутным газом; содержащие воду кристаллогидраты углеводородов образуют твёрдую кристаллическую фазу (одна молекула пропана присоединяет 17 молекул воды). Застывшую кристаллическую массу затем разделяют. Для этого достаточно снизить давление и несколько повысить температуру: углеводороды улетучиваются, остается пресная вода. После улавливания и ожижения углеводороды возвращаются в цикл.

Необходимо подчеркнуть, что при выборе метода опреснения воды следует уделять внимание наличию в морской воде дейтерия в виде тяжелой воды D 2 О. Соотношение между тяжёлой и обычной водой в природных водах составляет 1:5500. Разные природные воды содержат различное содержание дейтерия. Обычная водопроводная вода содержит около 100 г дейтерия на тонну воды, а морская вода от 130 до 150 г дейтерия на тонну воды.

Физико-химические свойства тяжёлой воды отличаются от таковых для обычной воды. Молекулярная масса D 2 O на 10% превышает массу Н 2 О. Такая разница приводит к существенным различиям в физических, химических и биологических свойствах тяжёлой воды. Тяжёлая вода кипит при 101.44 0 С, замерзает при 3,82 0 С, имеет плотность при 20 0 С 1,105 г/см 3 , причём максимум плотности приходится не на 4 0 С, как у обычной воды, а на 11,2 0 С (1,106 г/см 3). Большая прочность связи D-O, чем H-O, обусловливает различия в кинетике реакций тяжелой и обычной воды. Подвижность дейтерия D + меньше, чем подвижность протия Н + , константа ионизации тяжёлой воды в 5 раз меньше константы ионизации обычной воды. Химические реакции и биохимические процессы в D 2 O значительно замедлены. В смесях тяжёлой воды с обычной водой с большой скоростью происходит изотопный обмен: Н 2 O + D 2 O = 2 HDO.

Тяжёлая вода в высоких концентрациях токсична для организма. Для животных клеток предельная концентрация 2 H 2 O составляет 25 об.%, для клеток растений – 50 об.%, для простейших – 70-80%. Поэтому целесообразно проводить тщательный контроль изотопного состава получаемой пресной воды.

Таким образом Выбор метода и технологии опреснения воды зависит от предъявляемых к воде требований по качеству и солесодержанию, а также технико-экономических показателей. В зависимости от реализуемого способа опреснения воды применяются различные типы опреснительных установок. Дистилляционные опреснительные установки (однокорпусные и многокорпусные, по способу опреснения - парокомпрессионные и солнечные) применяются при опреснении морской воды и солёных вод с высоким солесодержанием до 35 г /л. Опреснение морской воды электродиализом и гиперфильтрацией (обратным осмосом) экономично при солесодержании 25 г /л , ионным обменом - менее 25 г /л . Из всего объёма получаемой в мире опреснённой воды 96% приходится на долю дистилляционных опреснительных установок, 2,9% - электродиализных, 1% - обратноосмотических и 0,1% - на долю замораживающих и ионообменных опреснительных установок.

Главная задача опреснения воды заключается в том, чтобы проводить процесс с минимальной затратой энергии и минимальны­ми расходами на оборудование. Это требование важно потому что страна, которая вынуждена в большей мере полагаться на опресненную воду, должна выдерживать экономическую конкуренцию с другими странами, располагающими более обширными и дешевыми источниками пресной воды.

Проектные разработки показывают, что транспортировка пресной воды из естественного источника даже на расстояние до 400-500 км дешевле опреснения только для небольших водопотребителей. Оценка прогнозных эксплуатационных запасов солоноватых и соленых подземных вод в засушливых районах с учетом удаленности большинства из них от естественных пресноводных источников позволяет сделать вывод о том, что опреснение является для них единственно возможным и экономически оправданным способом водообеспечения.

Применяемые в технике опреснения соленых вод методы могут быть эффективно использованы для возвращения природе использованной воды, не ухудшающей состояния пресных водоемов.

Литературные источники :

Мосин O.В. Физико-химические основы опреснения морской воды // Сознание и физическая реальность, 2012, № 1, с. 19-30.

Наименование параметра	Значение
Тема статьи:	Опреснение воды.
Рубрика (тематическая категория)	Производство

Существует еще ряд методик об­работки воды при которых также про­исходит ее обеззараживание. Но обеззараживание не является един­ственной целью их применения, наряду с обеззараживанием происходит опреснение воды. Это такие ме­тоды как обратноосмотическая филь­трация и дистилляция воды.

Опреснение воды - методы уда­ления из нее растворенных солей и других примесей. Эту группу можно в свою очередь разделить на химичес­кие и физические методы. Рассмотрим их поподробнее.

Химическое осаждение. Этот ме­тод основан на переводе растворен­ных солей в нерастворимые соединœе­ния, которые выпадают в осадок и уда­ляются. Применяемые реактивы меня­ются исходя из солевого соста­ва опресняемой воды. К примеру, из­быток солей магния осаждается содой, а сульфаты бывают удалены обра­боткой гидратом окиси бария. Метод химического осаждения тре­бует использования дорогостоящих ре­активов, каждый из которых направлен на строго определœенную примесь воды, реагенты не подвергаются регенерации. По этой причинœе данный метод имеет очень ограниченное применение.

Ионный обмен. Метод основан на свойстве некоторых веществ обратимо обмениваться ионами с раствора­ми солей. Эти вещества называют ионообменными смолами. Это своего рода твердые электролиты, которые делятся на катиониты и аниониты.

Катиониты - вещества типа твер­дых кислот, у которых анионы пред­ставлены в виде нерастворимых в воде полимеров. Аниониты - по своей сути твердые основания, нерастворимую структуру которых образуют катионы. Их анио­ны (обычно это гидроксильная группа) подвижны и могут обмениваться с ани­онами растворов.

Химический механизм работы ионо­обменных смол состоит в последо­вательном прохождении воды через катионит и анионит. В итоге из воды уда­ляются катионы и анионы и она тем са­мым обессоливается. Обменная способ­ность ионообменных смол (ионитов) не бесконечна, постепенно она снижается, и, в конце концов, исчерпывается вов­се. В этом случае требуется регенера­ция раствором кислоты (катионит) или щелочи (анионит), что полностью вос­станавливает исходные химические свойства смол. Эта ценная особенность позволяет использовать их в течение длительного времени. Сложная процедура использова­ния ионообменных смол и их после­дующей регенерации требует автома­тизации, сложной системы управления и крайне важно е оборудование являет­ся довольно громоздким, что ограни­чивает его применение в быту. В на­стоящее время данный метод часто включается как один из элементов про­цесса водоподготовки в частных домах с автономной системой водоснабже­ния.

Электроосмос. Опреснение на принципе электроосмоса производит­ся в специальных аппаратах, пред­ставляющих собой электролитическую ванну, разделœенную двумя полупрони­цаемыми мембранами на три отделœе­ния. Исходная вода подается в сред­нюю камеру. Ионы находящихся в воде солей устремляются сквозь мембраны к электроду, имеющему противополож­ный заряд. Чистая вода остается в средней камере. Данный метод требует затрат элект­роэнергии, хотя и является достаточно эффективным. Эффективность составля­ет более 90%, достигая в некоторых слу­чаях 96%. Мембраны имеют ограничен­ный срок службы, который максимально составляет 5 лет, а при неблагоприятных условиях эксплуатации - значительно меньше. Вместе с тем, данный метод, как и боль­шинство других методов использующих полупроницаемые мембраны, требует предварительной подготовки очищаемой воды. Есть и еще одна особенность, кото­рая значительно ограничивает примене­ние данного метода. Это то, что всœе веще­ства, которые не превратились при раство­рении в ионы, не реагируют на электри­ческое поле. Т.е. большинство органичес­ких веществ, бактерий, вирусов и т.п. ос­танется в растворе.

Опреснение вымораживанием. Этот метод основан на том, что образова­ние кристаллов льда при снижении тем­пературы ниже 0 градусов происходит только из молекул воды (явление криос­копии). Вследствие этого пресная вода выделяется в виде льда из раствора. Ра­створ становится всœе более и более кон­центрированным. В случае если затем слить обра­зовавшийся рассол и растопить лед, то получится обессоленная вода.

Этот метод является крайне трудоем­ким, тем более что автоматизировать его очень сложно. Степень очистки таким ме­тодом сложно спрогнозировать и возмож­но потребуется несколько циклов замора­живания-размораживания, чтобы полу­чить действительно обессоленную воду. Вместе с тем, нельзя гарантировать полной дезинфекции этой воды. Есть и еще одна особенность, связанная с данным мето­дом. Это накопление концентрации так называемой тяжелой воды, химически такой же, как и обычная, но имеющей в своем составе более тяжелый изотоп во­дорода, который является радиоактив­ным. Тяжелая вода замерзает первой и сразу включается в состав образующего­ся льда. Избежать этого можно только если убирать первую корочку льда, образующу­юся в самом начале вымораживания. Это еще больше усложняет и без того не про­стую методику.

Опреснение фильтрацией. В про­цессе фильтрации используется множе­ство различных фильтрующих устройств исходя из цели применения. Наи­более часто используемые фильтры:

Фильтры-корректоры рН. Это филь­тры способные изменять кислотно-щелоч­ное равновесие (рН) проходящей сквозь них жидкости. Необходимость в измене­нии рН воды возникает в двух случаях: 1. Для борьбы с коррозией, т.к. вода с высо­ким и низким рН обладает высокими кор­розийными свойствами; 2. Для обеспечения оптимального ре­жима эксплуатации систем очистки воды, так как для нормальной работы некоторых видов фильтрующих сред требуется опре­делœенное значение рН.

Фильтры-обезжелœезиватели. Эти фильтры предназначены для удаления желœеза и марганца из воды. В качестве реактива в большинстве таких фильтров используется двуокись марганца, который служит катализатором реакции окисления, при которой растворенные желœезо и мар­ганец переходят в нерастворимую форму и выпадают в осадок. Этот осадок задер­живается фильтрующей средой и в даль­нейшем вымывается в дренаж при обрат­ной промывке.

Фильтры-умягчители. Οʜᴎ предназ­начены для снижения жесткости воды. Благодаря применению специальных за­сыпок фильтры этого типа могут обладать комплексным действием и способны уда­лять из воды определœенные количества желœеза, марганца, нитратов, нитритов, сульфатов, солей тяжелых металлов.

Угольные фильтры. Активирован­ный уголь уже достаточно давно приме­няется в водоочистке для улучшения не­которых показателœей воды. В частности, такими фильтрами удаляется многие не­приятные привкусы и запахи, некоторые органические примеси и т.п. Сейчас вмес­то активированного угля стали использо­вать уголь скорлупы кокосовых орехов, адсорбционная способность которого в 4 раза выше. Уже разработаны и другие сорбенты.

Угольные фильтры достаточно деше­вы и в связи с этим приобрели довольно боль­шое распространение. При этом их приме­нение имеет ряд больших недостатков:

1. Маленькая пропускная способ­ность. Это связано с тем, что качество фильтрации сильно зависит от скорости прохождения воды через него. Чем ниже скорость, тем лучше фильтрация, и наобо­рот, при увеличении скорости не только снижается качество фильтрации, но и может произойти сброс адсорбированных ранее примесей. В результате неправиль­ной эксплуатации вода может даже ухуд­шить свой состав в результате этого сбро­са.

2. Биообрастание. При фильтрации происходит накопление большого количе­ства органических веществ, которые яв­ляются питательной средой для многих микроорганизмов. В результате, через неĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ время использования можно получить более опасную в бактериологичес­ком отношении воду, чем исходная водо­проводная. На некоторые современные фильтры наносятся специальные антисеп­тические присадки, задачей которых яв­ляется предотвращение роста бактерий. Но это "палка о двух концах". Безопасность этих присадок для здоровья тоже являет­ся большим вопросом. К примеру, серебрение угля повышает содержание в воде серебра, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ является тяжелым ме­таллом. Залповые выбросы загрязнений. Это сбросы уже накопленных загрязнений органической и неорганической природы, а также микроорганизмов, обильно разви­вающихся внутри фильтра, которые про­исходят при изменении скорости тока жид­кости, или по другим причинам. В резуль­тате потребитель может получить водудалеко не того качества, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ ожида­лось.

Исходя из этих особенностей, в совре­менных системах очистки воды угольные фильтры используются исключительно для предварительной подготовки воды, которая затем подвергается более каче­ственной очистке. Примером такой систе­мы являются обратноосмотические систе­мы, основной рабочей частью которых является специальная мембрана, но для того чтобы увеличить срок ее службы ис­пользуются несколько угольных фильтров предварительной фильтрации.

Фильтры механической очистки. Предназначены для удаления грубых ча­стиц размером больше 1 микрона. Это бывают частицы песка, взвеси, ржав­чина, коллоидные вещества. Некоторые бактерии (размером 1-2 микрона) также могут отфильтровываться таким фильт­ром. Такие фильтры используются обыч­но в качестве префильтров грубой фильт­рации в более сложных системах водоподготовки. Их недостатком является сравни­тельно низкая грязеемкость, в связи с этим при сильном загрязнении воды или больший производительности системы они требу­ют частой промывки.

Фильтры микрофильтрации. Это фильтры с порами от 0,03 до 2 микрон. В эту категорию входят мембранные филь­тры, способные удалить большинство бак­терий, волокна асбеста͵ некоторые виру­сы и сажу. Это также довольно грубая фильтрация, но приборы, использующие ее, довольно дешевы и в связи с этим пользу­ются популярностью.

Фильтры ультрафильтрации. Бо­лее тонкие и высокотехнологичные филь­тры. Οʜᴎ способны отфильтровывать ча­стицы размером от 0,003 до 0,1 микрона, ᴛ.ᴇ. способны отфильтровать даже мелкие вирусные частицы и некоторые бактери­альные токсины.

Фильтры нанофильтрации. Позво­ляют осуществлять довольно качествен­ную фильтрацию частиц размером от 0,0006 до 0,009 микрон, а это уже герби­циды, пестициды, токсины, синтетические фаски. Это более высокотехнологичные мембраны, способные освободить воду от большинства опасных примесей. Но даже этим мембранам не под силу освободить воду от ионов тяжелых металлов и раз­личных солей.

Фильтры обратноосмотической фильтрации. Это самые качественные фильтрующие мембраны, способны осво­бодить воду от 99% примесей. Диаметр пор составляет около 0,0001 микрона. Та­кие размеры сложно даже представить. Такими мембранами фильтруются даже ионы металлов, не говоря уже об осталь­ных возможных примесях.

Обратноосмотическая фильтрация - это метод фильтрации, основанный на явлении так называемого обратного ос­моса. Прежде чем объяснять, что это такое, стоит определиться, что же такое обычный осмос. Иллюстрацией осмоса может служить простой пример с полу­проницаемой мембраной, ᴛ.ᴇ. такой мембраной, через которую проходят молекулы воды и практически не про­никают остальные вещества. В случае если по­местить такую мембрану в качестве раз­делителя двух частей сосуда, с одной стороны которого налит раствор пова­ренной соли, а с другой дистиллированная вода, то скоро будет наблюдаться перенос воды в ту часть, где находится рассол и его концентрация станет сни­жаться. Уровень жидкости в этой части сосуда начнет подниматься, а во второй - опускаться. В случае если вода и рассол изна­чально находятся под одинаковым дав­лением, перенос, снижая различие в концентрациях, всœегда происходит из растворителя (более разбавленного ра­створа) в более концентрированный раствор (рассол). Это природное явле­ние переноса растворителя в рассол получило название осмос, а процесс принято называть осмотическим. При этом увеличение давления со стороны рассола приводит к уменьше­нию осмоса, и в определœенной точке процесс полностью прекращается. Дав­ление, при котором происходит эта ос­тановка принято называть осмотическим.

Пожалуй, стоит сказать, что явле­ние осмоса лежит в базе обмена ве­ществ всœех живых организмов. Благода­ря ему в каждую живую клетку поступа­ют питательные вещества и, напротив - выводятся продукты жизнедеятельнос­ти. Этот природный процесс играет зна­чительную роль в растительных и жи­вотных организмах.

Итак, вернемся к нашему экспери­менту. При дальнейшем увеличении давления на рассол можно поменять направление процесса. В этом случае через мембрану преимущественно бу­дет транспортироваться растворитель, ᴛ.ᴇ. вода. И именно это явление послу­жило основой обратноосмотического метода опреснения воды.

Механизм работы полупроницае­мых мембран. Для объяснения механиз­ма работы обратноосмотических мембран было выдвинуто несколько гипотез. Со­гласно так называемой гипотезе гипер­фильтрации в мембране существуют поры, пропускающие молекулы воды, и при этом ничтожно малые, чтобы пропус­кать через себя ионы растворенных в воде солей. Предложенная модель позволила объяснить многие закономерности в ра­боте обратноосмотических систем. Позже была предложена модель сорбционного механизма избиратель­ной проницаемости, согласно которой на поверхности мембраны, ᴛ.ᴇ. на повер­хности раздела сред, образуется слой связанной воды, обладающей понижен­ной растворяющей способностью. Такой же слой образуется и внутри поры. При фильтрации происходит вытеснение этой воды, при котором вытесненные молекулы заменяются только молекула­ми воды. И так слой за слоем. Согласно другой теории, в структу­ре мембраны вода может находиться в связанном и капиллярном состояниях. Под действием давления через такую мембрану переносится преимуществен­но пресная вода, непрерывно образуя и разрывая водородные связи.

Особенности метода обратно-осмотической очистки воды. В сис­темах обратного осмоса давление вход­ной воды на мембрану соответствует давлению воды в трубопроводе. Важно, что чем выше давление на входе, тем лучше происходит процесс очистки. Это не только увеличивает производитель­ность мембраны, но и улучшает каче­ство очистки. И наоборот, в случае если давле­ние в водопроводной системе низкое, мембрана работать не будет. По этой причине некоторые модели обратноосмотичес­ких систем комплектуются специальным насосом для повышения входного дав­ления. Такие системы стоят несколько дороже, но только они способны рабо­тать при давлениях ниже 4,2 атмосфе­ры (именно такое давление считается пороговым для обратноосмотических мембран). В процессе очистки концентрация солей со стороны входа возрастает, из-за чего мембрана может засориться и перестать работать. Для предотвраще­ния этого вдоль мембраны создается принудительный поток воды, смываю­щий "рассол" в дренаж. Неорганические вещества очень хорошо отделяются обратноосмотичес-кой мембраной. Степень очистки по большинству неорганических элементов составляет от 85 до 98% исходя из типа применяемой мембраны. Обратноосмотическая мембрана так­же удаляет из воды и органические веще­ства. Органика с молекулярной массой более 300 удаляется полностью, а с мень­шей - может проникать через мембрану в незначительных количествах. Большой размер вирусов и бакте­рий практически полностью исключает вероятность их проникновения через мембрану. В то же время мембрана про­пускает растворенные в воде кислород и другие газы, определяющие ее вкус. В результате на выходе системы обратного осмоса получается свежая, вкусная, настолько чистая вода, что она не требует дополнительного кипячения. Вода, прошедшая обработку на обратноосмотической установке, может ус­пешно применяться для решения следу­ющих домашних задач: питьевых нужд, приготовления пищи и напитков, полива растений, аквариумов, систем централь­ного отопления и даже приготовления электролита аккумуляторных батарей.

Хочется также сказать что мы час­то пьем воду, очищенную обратноосмо-тическим методом, даже и не подозре­вая об этом. Это происходит потому, что данный метод используется не только в бытовых, но и в промышленных систе­мах. Так производится качественная вода для ликеро-водочной, молочной промышленности, производства безал­когольных напитков и продуктов пита­ния. В общем - везде, где требуется вода высокого качества. Некоторые компании даже наладили продажу этой чистой воды в бутылированном виде. И в этой ситуации именно бытовые обратноосмотические системы позволя­ют не покупать бутыли, а делать такую же воду самостоятельно.

Существует и очень важный эконо­мический аспект, который тоже стоит принимать во внимание: В среднем человек потребляет в пищу за сутки около 3 литров воды. В случае если вода также используется для приготовления пищи, то нужно исходить из потребностей в 5 литров на каждого члена семьи. В случае если покупать питьевую воду в бутылирован­ном виде, то одна бутыль (5 литров) стоит примерно 1 доллар США. То есть 365 дол­ларов на члена семьи в год. В то же время обратноосмотическая система стоит от 350 долларов США. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, ее ис­пользование окупается уже за первый год эксплуатации. В случае если семья состоит из трех человек, то окупаемость составит всœего 4 месяца. Задумайтесь над этим, прежде чем идти в магазин за очередным бутылем воды.

Опреснение воды. - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Опреснение воды." 2017, 2018.