Обезсоляване на морски води

На пръв поглед изглежда, че Земята разполага с предостатъчно вода като природен ресурс. Световният океан заема 72% от повърхността. Въпреки това, само 0.3% от общата сума води в световен мащаб могат да се използват като чиста питейна вода. Населението изисква огромни количества питейна вода и вода за други цели всеки ден, което налага извличането є по различни методи. Тъй като ресурсите от естествени пресни водни са ограничени, морската вода започва да играе все по-важна роля като източник на питейна вода. За целта тя трябва да се обезсоли. Обезсоляването на морски води е истинско предизвикателство за запазване и подобряване качеството на живот днес и в бъдеще.

Недостигът на пресни води и необходимостта от допълнителни доставки на вода за битови и стопански цели започват да се чувстват на все повече места по света, превръщайки се във важен проблем на бъдещето. Заедно с енергийните ресурси, доставките на достатъчно и качествена вода се очертават като определящи фактори на световната стабилност. Земята има много вода, но малко от нея е годна за пиене или за различни производства. В такъв случай, какво мислите за възможността да пием вода от морето? Не в буквалния смисъл, разбира се, а след обезсоляване. Това е реалност в много държави, включително и в България, и дава шанс за водоснабдяване в райони в близост до морета и океани, независимо от ресурса от сладки води.

Основна концепция и технологии
Високата концентрация на соли прави морската вода негодна за пиене и редица други цели. Обезсоляването є представлява премахване на част от разтворените в нея соли до нива, при които тя става пригодна за пиене, за битови и за технически цели. Днес се използват различни технологии на обезсоляване на морски води, базирани на термични или на мембранни процеси. Основен термичен метод е дестилацията (изпарение). Тя може да се прилага в четири разновидности – обикновена дестилация, многостепенна флаш дестилация, дестилация при ниско налягане (вакуумна) и термокомпресорна дестилация. Съществуват и решения с йонообмен, електродиализа, обратна осмоза, замразяване и хидродинамично отделяне (сепариране). Въз основа на тези технологии се изграждат заводи за производство на води за целите на битовото, промишленото и селскостопанското водоснабдяване. Разпределението на използване на различните технологии в световен мащаб е следното: 71.5% от обезсолените води са получени чрез процеси на дестилация, 19% при обратна осмоза, 9.4% при електродиализа и 0.1% при замразяване и йонообмен. Да видим какво представлява всяка една от технологиите.

Дестилация
Изпарената под действие на слънчевото греене морска вода служи за формиране на дъждове. Това е основният естествен източник на питейна вода. Всички системи за дестилация на морска вода представляват дублиране на този природен процес от човека в по-малки мащаби. Основават се на принципа, че при нагряване водата се превръща в летливо съединение, а солите не. Дестилацията включва нагряване на морската вода до кипене, при което тя се изпарява в няколко клетки, в които става постепенно понижаване на налягането за образуване на повече пара и втечняване на обезсолената вода. При метода на мембранна дестилация (Membrane Distillation, MD) пък се включва хидрофобна мембрана, от едната страна на която се загрява морската вода. Парата преминава през мембраната и след като се охлади от другата страна, кондензира в чиста вода. Използват се и многостепенни флаш процеси (Multi-Stage Flash Distillation, MSFD), при които морската вода се изпарява последователно в няколко камери, в които налягането постепенно се намалява. Друга технология е мулти-колонната дестилация (Multi-Effect Distillation, MED) - нагряване на морската вода при висока температура в първа колони и използване на образуваната пара за нагряване на следващите колони, като накрая кондензира.

Като цяло процесът на дестилация е прост, но прилагането му в практиката в заводи за обезсоляване на морски води е свързано с решаване на редица проблеми по отношение на амортизиране на техниката от солите и намаляване на топлинните загуби, както и на потреблението на електроенергия. При изпарението в камерата, в която се намира морската вода, става натрупване на сол, която полепва по стените. Тя причинява корозия на техниката и променя топлопроводимостта є. Трябва също да се отбележи, че ако дестилация се извършва при атмосферно налягане, водата трябва да се нагрява до 100°C. При по-ниско налягане, температурата на кипене на водата пада, и следователно изисква по-малко топлинни разходи за дестилацията. Освен това знаем, че при изпарение на вода от тялото ни, то се охлажда. Значи самото изпарение на морската вода, води до охлаждане на остатъчните количества в камерата. Именно за намаляване на енергийните загуби, на няколко етапа, след охлаждане до определено ниво, по-концентрираната вече морска вода се прехвърля в следващи камери с по-ниско налягане, където протича изпарение на допълнително количество вода. На последния стадий, когато концентрираният остатък съдържа 7% соли, става ново зареждане с морска вода, а остатъкът се изхвърля в морето, за да не се получи прекомерно концентриране.

Обратна осмоза
Процесът на мембранно филтриране с протичане на обратна осмоза (Reverse Osmosis, RO) е коренно различен от термичното обезсоляване за производство на сладка вода. От изходния разтвор, като се използва енергията на подаваното налягане, през мембраната се екструдира чиста вода. При поставянето на мембраната между два разтвора с различна концентрация, започва естествен процес на изравняване на концентрациите, чрез движение на водата към по-концентрирания разтвор - осмоза. В случая, обаче се цели точно обратното – водата трябва да се движи към разтвора с по-ниска концентрация. За целта се подава налягане, което обръща процеса – обратна осмоза.

Налягането, необходимо за предотвратяване на осмозата, се нарича осмотично. За морската вода при нормални условия то е около 25 атмосфери. Така че при обратната осмоза морската вода се изпомпва през мембраните с налягане по-високо от осмотичното. При този процес концентрацията на соли от едната страна на мембраната нараства, което повишава осмотичното налягане и намаля притока на прясна вода. За да се предотврати това, през камерата трябва непрекъснато да се изпомпва нова морска вода. Потокът прясна вода е пропорционален на налягането. Максималното налягане е специфично за всяка инсталация и зависи от свойствата на мембраната. При прекомерно налягане мембраната може да се запуши или да започне да пропуска твърде много соли.

Мембраната задържа йоните на различни соли, и само йоните на водата и някои едновалентни йони могат да преминат през структурата є. Благодарение на високата разделителна способност на мембраната, полученият филтрат е много чист (освободен от всички органични съединения и микроорганизми). Мембраната не пропуска също така и отпадните продукти от жизнената дейност на бактерии и микроорганизми. За целта се използват мембрани с висока селективност. Получените питейни води не изискват допълнително обеззаразяване и са подходящи за пиене. Изотермичните мембранни методи изискват по-малко енергия от термичните. Мембранната филтрация работи в непрекъснат режим, мембраните нямат нужда от подмяна 5-7 години с правилна поддръжка, която включва химическо чистене два пъти в годината.

Електродиализа
Обезсоляването чрез електродиализа (Electrodialysis, ED) използва пряк източник на ток и редуване на катион-селективни мембрани с анион-селективни мембрани, които отделят от водата разтворените соли във вид на катиони и аниони. Тъй като процесът протича в електрично поле, ED е в състояние да премахва йонни компоненти от разтвора, за разлика от обратната осмоза и дестилацията. Солената вода се подава успоредно в каналите между мембраните. Катионите и анионите мигрират в противоположни посоки към съответните мембрани в отговор на приложеното напрежение. Обикновено процесът се разделя на много стъпки, за да е по-икономичен и по-лесно контролиран. Както и при RO енергията, необходима за отделяне на йони от разтвора, се увеличава с концентрация. По тази причина прилагането на ED като цяло е ограничено до полусолени води. Мембраните при електродиализата подлежат на запушване. За да се предотврати това се прилагат процеси на обратна електродиализа (EDR). В процеса на EDR мембраната полярност се обръща няколко пъти на час. При това разменяне на каналите, натрупванията върху мембраните се премахват.

Йонообмен
Процесите с използване на йонообменни регенериращи се смоли също се прилагат за обезсоляване на морски води. В тях се използват слабо кисели и слабо основни групи, които се изместват от групите на разтворените соли. Протичат в хетерогенна система течност/твърдо вещество. Обменът е между йоните в солената вода и йоните в твърдата фаза, наречена йонит, йонообменник, йонообменна смола или полиелектролит. Процесът поддържа обезсоляването на високо ниво. Много често йонният обмен се използва като междинна стъпка в процеса на обезсоляване. Йонообменните колони могат да премахнат йони от концентрата на първия етап от обезсоляване. Вторият процес на обезсоляване може да бъде мембранно или термично задвижван, или комбинация от двете технологии.

Замразяване
Методът на замръзване (Freezing Process, FP) представлява охлаждане на морската вода до кристализация и отделяне на кристалите, от които се получава прясна вода. Подобно на дестилацията и този процес протича естествено в природата. При замразяването на морска вода в образуването на леда не влизат солите, т.е. ледът е сладка вода. Образуваните ледени кристали се отделят и разтопяват, предоставяйки обезсолена вода за различни видове ползване. Това е основният принцип, на който се основават методите на обезсоляване на морска вода чрез замразяване. Има различни методи за отделяне на ледените кристали. Изборът зависи от характеристики като размер и относително тегло на кристалите. Много често се използват перфорирани плаващи колони, върху които се задържа ледът. Въпреки, че този метод, се разработва като алтернатива на дестилацията, която да намали енергийни разходи, трябва да се каже, че при него също се изисква разход на енергия. Днес се провеждат тествания на мащабни инсталации за обезсоляване на морска вода, които използват принципа на замразяване.

Обезсоляването сравнено с другите източници на доставка
Ако сравним сладководните източници, годни за водоснабдяване, с подлагането на морската вода на обезсоляване, то второто определено изисква влагане на повече енергия. Така че на местата с достатъчно и качествен ресурс от сладки води, не се налага обезсоляване на морски води. Тези места обаче, са ограничени както в световен мащаб, така и в частност в България. Традиционните източници все по-малко са в състояние да отговорят на нарастващото търсене на вода. При такива тенденции обезсоляването на морски води се оказва напълно целесъобразно за крайморските населени места и обекти. И у нас през летните месеци, когато нуждите от вода по морските курорти се увеличава, водоснабдяването в много случаи е незадоволително. В страната ни все пак е направена крачка в тази област и в Обзор беше пусната станция за обезсоляване на морска вода за целите на водоснабдяването. Много страни по света работят активно в такава посока, осъзнавайки че алтернативата на традиционните източници са морските и отпадните води. В много случай рециклирането на отпадните води до достигане на качества, при които да са пригодни за повторно ползване, изисква повече енергия от обезсоляването на морските води. Ето защо обезсоляването си запазва главно място сред алтернативите.

Един от най-добрите примери в света
С капацитет от 200 000m³/ден, заводът за обезсоляване на солени води на Барселона в момента е най-големият по рода си в Европа. Започва да функционира от юли 2009г., като е построен за две години. Инсталацията ще доставя вода за около 1.5 милиона жители, което представлява около 20% от водоснабдяването на региона. Цялостният проект за обезсоляване включва прием на морска вода, подводен тръбопровод, помпена станция, тръбопровод между помпената станция и инсталация за обезсоляване, изпомпване на пречистените води до резервоар, водопровод за обратно заустване на отпадните води и пречиствателна станция за отпадъчните води.

Морската вода се приема в две кръгли кули от бетон, построени на 30м под морското равнище и на 2.2 км от бреговата ивица. Две тръби с диаметър 1.8м, заровени в морското дъно, транспорт морската вода от кулите до крайбрежен резервоар на разстояние 2.5км от завода за обезсоляване. Преди да влезе в помпената станция морската вода се филтрува и се съхранява в междинен резервоар. От там се изпомпва с пет центробежни помпи до завод за обезсоляване. По пътя тръбата за транспортиране на морската вода преминава под река Лобрегат и няколко малки хидро-канали, включително дренажите за изтичането на отпадъчни води от летището.

Преди да постъпи в процеса на обратна осмоза, морската вода преминава специална предварителна обработка, състояща се от три стадия на филтриране – ключов елемент за гарантиране на по-дългия живот на мембраната. Следва обезсоляване с обратна осмоза. Биоцид (натриев хипохлорит) се използва за премахване на бактериите и предотвратяване на биозамърсяване в резервоара с морска вода. Със сярна киселина се регулира рН на морската вода, а железен хлорид се използва като коагулант преди филтрирането.

Благодарение на енергийно ефективната си технология, заводът ще спести 22.5MW енергия в сравнение с конвенционален процес с обратна осмоза. За целта е използвана ERI технология за оползотворяване на енергията с изобарни устройства за рециклиране на енергията - PX Exchanger. Това са керамични устройства, които използват само една движеща се част за постигне на ефективен трансфер на енергия от отпадъчните потоци под високо налягане към входящите с ниско налягане. Технологията гарантира над 60% енергийни спестявания.