Реферат-обзор по теме «Опреснение морской воды»

В реферате рассмотрен ряд статей, предметом которых является морская вода, способы ее опреснения и технологические схемы опреснительных установок.

Содержание

1. Морская вода и её опреснение. Мосин О.В. 2. Великое опреснение. Александр Темерев, Михаил Юнгерман.3. Безумцы хотят воевать за воду. Дмитрий Верхотуров.4. Как восполнить водные ресурсы? Борис Руденко.5. Метод опреснения воды электромагнитным полем В.М. Рофмана. Мосин О.В.6. Судовые водоопреснительные установки.7. Нанотехнологии на службе опреснения морской воды. Владимир Фрадкин.

Морская вода и её опреснение

Морская водаОгромный слой соленой воды, покрывающий большую часть Земли, представляет

собой единое целое и имеет примерно постоянный состав. Мировой океан огромен. Его объем достигает 1,35 миллиардов кубических километров. Он покрывает около 72% земной поверхности. Почти вся вода на Земле (97%) находится в мировом океане. Приблизительно 2,1% воды сосредоточено в полярных льдах и ледниках. Вся пресная вода в озерах, реках и в составе грунтовых вод составляет лишь 0,6%. Остальные 0,1% воды входят в состав соленой воды из скважин и солончаковых вод.

Химический состав морской водыМорскую воду часто называют соленой. Под соленостью морской воды понимают

массу (в граммах) сухих солей в 1 кг морской воды. В пределах мирового океана соленость колеблется от 33 до 37, в среднем ее можно считать равной 35. Это означает, что в морской воде содержится приблизительно 3,5% растворенных солей. Перечень элементов, содержащихся в морской воде, очень велик, однако концентрация большинства из них очень низка. В таблице 1 указаны 11 ионных частиц, присутствующих в морской воде в концентрациях, превышающих 0,001 г/кг, т.е. 1 миллионную долю (млн. д.) по весу. Среди веществ, содержащихся в морской воде в несколько меньших концентрациях (от 1 млн. д. до 0,01 млн. д.), имеются такие элементы, как азот, литий, рубидий, фосфор, йод, железо, цинк и молибден. В морской воде обнаружено не менее 50 других элементов в еще более низких концентрациях.

Таблица 1. Ионные вещества, содержащиеся в морской воде в концентрации выше 0,001 г/кг (1 млн.д.) по весу

Ионное вещество Содержание, г/кг морскойКонцентрация, моль/л воды

Хлорид-ион Сl- 19,35 0,55Ион натрия Na + 10,76 0,47Сульфат-ион SoiS2- 2,71 0,028Ион магния Mg2 + 1,29 0,054Ион кальция Са2 + 0,412 0,010Ион калия К + 0,40 0,010Диоксид углерода 0,106 2,3·10-3

Бромид-ион Вr- 0,067 8,3 ·10-4

Борная кислотаН3ВО3

0,0274,3 ·10 -4

Ион стронция Sr2 + 0,00799,1 ·10-5

Фторид-ион F- 0,0017 ·10-5

С тех пор как люди стали следить за составом океанической воды, он остается неизменным. Постоянство состава воды в мировом океане свидетельствует о равновесии между процессами поступления и удаления воды. В океаны постоянно втекает речная вода, которая имеет совершенно другой минеральный состав, чем океаническая вода. Например, выветривание горных пород приводит к появлению в речной воде алюминия, кремния, железа или кальция. В морской воде эти элементы постепенно включаются в

2

биологический цикл или удаляются из нее в результате осаждения. Поэтому среднее содержание многих элементов в океанической воде устанавливается в результате равновесия между скоростью процессов поступления этих элементов в морскую воду и удаления их из нее. Этим и объясняется более или менее постоянный состав океанической воды.

Извлечение сырьевых ресурсов из морской водыОкеан является огромной кладовой химических веществ. В каждой кубической миле

морской воды содержится 1,5 - 1011 кг растворенных твердых веществ. Океан столь огромен, что если концентрация какого-либо вещества в морской воде составляет всего 1 миллиардную долю по весу, то его содержание в мировом океане исчисляется в 5-109 кг. Тем не менее, океан еще мало используется как источник сырьевых материалов, поскольку стоимость извлечения необходимых веществ из воды слишком высока. Лишь три вещества получают из морской воды в промышленно широких масштабах: хлорид натрия, бром и магний.

ХЛОРИД НАТРИЯ. Поскольку хлорид натрия - самое распространенное вещество из числа растворенных в морской воде, нет ничего удивительного в том, что значительное количество (приблизительно 4-1010кг ежегодно) чистого хлорида натрия получают из морской воды. С этой целью морскую воду фильтруют и затем дают ей испаряться до тех пор, пока концентрация содержащегося в ней NaCl не превысит его растворимости. Твердый NaCl, который выкристаллизовывается из морской воды, оказывается довольно чистым, но его можно перекристаллизовывать из пресной воды до еще более высокой степени чистоты в зависимости от дальнейшего использования.

БРОМ. Ежегодно во всем мире получают более 2,3 - 108 кг брома главным образом из морской воды. Концентрация бромид-иона в морской воде составляет всего 8,3-10 –4. На первой стадии извлечения брома из морской воды к ней добавляют серную кислоту, что снижает рН до 3,5. Затем через подкисленную воду продувают газообразный хлор в некотором избытке по сравнению с содержащимся в ней бромом. Между растворенным в воде газообразным хлором и бромид-ионом протекает окислительно-восстановительная реакция:Сl2(водн.) + 2Вr- (водн.) = Вr2(водн.) + 2Сl- (водн.)

Для выделения брома из морской воды ее пропускают через башню, выложенную брусками дерева; в обратном направлении через башню продувают воздух. Для выделения брома из потока прошедшего через башню воздуха его обрабатывают сернистым ангидридом SO2 и паром. В результате образуются бромистоводородная и серная кислоты:SO2(г.) + Вr2(г.) + 2Н2О(ж.) = 2НВr(водн.) + Н2SО4(водн.)

Чтобы извлечь бром из этого раствора, его снова обрабатывают надлежащим количеством хлора и затем удаляют бром, продувая воздухом. После этого смесь газообразного брома с воздухом пропускают над холодной поверхностью. Температура кипения жидкого брома всего 59°С, что позволяет отделять его от воды перегонкой. Разбавленная серная кислота, остающаяся после удаления брома, используется для подкисления свежей порции впускаемой морской воды.

МАГНИЙ. Магний - второй по содержанию металлический элемент в морской воде. Самый большой завод для получения магния из морской воды в США принадлежит компании «Доу Кемикл» и находится в г. Фрипорте (штат Техас). На этом заводе Mg2+ осаждают из морской воды в больших отстойниках в виде Mg(OH)2 путем добавления к морской воде негашеной извести СаО.

Оксид кальция для данного процесса в свою очередь получают из раковин моллюсков. Раковины моллюсков состоят из карбоната кальция. Их промывают, затем прокаливают в специальной обжиговой печи и таким образом получают негашеную известь:СаСО3(тв.) = СаО(тв.) + СО2(г.)

3

Гидроксид магния получают по реакции:Мg2+(водн.) + СаО(тв.) + Н2О(ж.) = Мg(ОН)2(тв.) + Са2+(водн.)

Осаждающийся гидроксид магния содержит примеси ионов Са2+, Na+ и HCO3. Твердый осадок отфильтровывают и затем обрабатывают смесью растворов НСl и H2SO4. В кислом растворе происходит растворение Mg(OH)2 :Mg(OH)2(тв.) + 2Н+(водн.) = Мg2+(водн.) + 2Н2О(ж.)

Большая часть примесных ионов натрия кристаллизуется в составе NaCl, а ион кальция осаждается в составе CaSO4. Раствор, содержащий ионы Mg2+, отфильтровывают и затем концентрируют в испарителе. Таким образом, в конце концов, получают твердый MgCl2. Его растворяют в смеси расплавленных хлоридов металлов при 700°С в электролизных установках.

Электрическая энергия, подводимая к электролизерам, расходуется на образование из расплавленного хлорида магния металлического магния и газообразного хлора:электроэнергияМgСl2(ж.) = Мg(ж.) + Сl2(г.) Расплавленный металл отливают в слитки, которые имеют чистоту 99,9%.

Опреснение водыНаиболее ценной составной частью морской воды является пресная вода. Нехватка

пресной воды все больше ощущается даже в таких странах, как Соединенные Штаты, где с ежегодным уровнем осадков дело обстоит совсем неплохо. Во многих областях Соединенных Штатов потребность в пресной воде для бытовых нужд, сельского хозяйства и промышленности превышает ее имеющиеся запасы. В таких странах, как Израиль или Кувейт, где уровень осадков очень низок, запасы пресной воды совершенно не соответствуют потребностям в ней, которые возрастают в связи с модернизацией хозяйства и приростом населения. В конце концов, все человечество окажется перед необходимостью рассматривать океаны как источник воды.

Высокая концентрация солей делает морскую воду непригодной для питья и для большинства других целей. В Соединенных Штатах содержание солей в водопроводной воде, согласно требованиям органов здравоохранения, не превышает 0,05%. Это намного меньше по сравнению с их 3,5%-ным содержанием в нормальной морской воде или по сравнению с 0,5%-ным или около того содержанием в солоноватых подземных водах. Снижение содержания солей в морской воде или солоноватых водах до уровня, при котором вода становится пригодной к использованию, называется опреснением воды.

Существует множество способов опреснения воды, и на основе любого из них могут быть построены большие производственные предприятия. Проблема заключается в том, чтобы проводить опреснение с минимальной затратой энергии и минимальными расходами на оборудование. Это требование важно потому, что нация, которая вынуждена в большей мере полагаться на опресненную воду, должна выдерживать экономическую конкуренцию с другими нациями, располагающими более обширными и дешевыми источниками пресной воды. Такая небольшая страна, как Кувейт, расположенная на берегу Персидского залива и почти не располагающая природными источниками пресной воды, может позволить себе роскошь зависеть от опресненной воды только потому, что она извлекает большие доходы от продажи нефти.

Опреснение путём дистилляцииВоду можно отделить от растворенных в ней солей дистилляцией (перегонкой). Этот

процесс основан на том принципе, что вода представляет собой летучее вещество, а соли являются нелетучими веществами. Принцип дистилляции довольно прост, но с его промышленным использованием связано много проблем. Например, по мере выпаривания пресной воды из сосуда, в котором находится морская вода, раствор соли становится все более концентрированным, и, в конце концов, соль осаждается. Это приводит к

4

образованию накипи, что в свою очередь ухудшает теплопроводность стенок сосуда, засоряет трубы и т.п.

Напрашивается такое решение этой проблемы, при котором морскую воду после дистилляции из нее некоторого количества пресной воды необходимо сбрасывать, а вместо нее набирать новую порцию морской воды. Но это следует делать аккуратно, чтобы не потерять весь запас тепла, накопленный в нагретой морской воде, и чтобы не пришлось подводить дополнительное тепло к вновь набираемой холодной морской воде. Потери тепла связаны с тепловым загрязнением окружающей среды и удорожанием процесса. Следует также учесть, что, если дистилляцию проводить при атмосферном давлении, воду надо нагревать до 100°С; при более низком давлении температура кипения воды понижается, и, следовательно, дистилляция требует меньших тепловых затрат.

Рис. 1. Схема процесса многостадийной флеш-дистилляции для опреснения воды.

Одна из наиболее успешных попыток обойти ряд таких трудностей привела к разработке процесса многостадийной флеш-дистилляции. В камеру А поступает подогретая морская вода, которая называется рассолом. Рассол прокачивают под давлением через витки теплообменника в камеру В, затем в камеру С и, наконец, в камеру D, причем в каждой камере его температура становится все выше. Теплота поступает к рассолу от водяного пара, конденсирующегося на витках теплообменника каждой камеры. Сконденсировавшийся пар, являющийся пресной водой, собирают и откачивают из установки. В камере Е разогретый рассол нагревают еще сильнее паром, который пропускают через витки теплообменника; пар, используемый в этой камере, приносит с собой большую часть полной энергии, вводимой в систему. Из камеры Е горячий рассол поступает в камеру D, где поддерживается пониженное давление. Поскольку давление в этой камере понижено, часть рассола испаряется и после конденсации превращается в пресную воду. Для испарения воды требуется энергия. Когда вода испаряется с поверхности нашего тела, происходит охлаждение этой поверхности. Точно так же остающийся после испарения некоторой части воды рассол тоже охлаждается. Затем он поступает в камеру С, где давление еще ниже, чем в камере D. Здесь происходит испарение еще некоторого количества воды, а оставшийся рассол еще больше охлаждается. На каждой последующей стадии рассол становится все более концентрированным и все более охлаждается. На последней стадии часть рассола, который содержит теперь приблизительно 7% солей по весу, смешивается с вновь поступающей морской водой. Другая часть рассола сбрасывается в море, чтобы предотвратить слишком большое повышение концентрации солей.

На рис. 2 показана большая промышленная установка по опреснению морской воды методом многостадийной флеш-дистилляции. Такая установка способна вырабатывать

5

ежедневно около 9 миллионов литров пресной воды. Эффективность работы установки многостадийной флеш-дистилляции ограничена главным образом возникновением накипи в системе циркуляции горячего рассола. Главными причинами образования накипи являются карбонат кальция и гидроксид магния. Чтобы воспрепятствовать их образованию и тем самым сделать возможной эксплуатацию системы при более высоких температурах, применяются различные добавки. Однако при высоких температурах возникает проблема, связанная с осаждением сульфата кальция.

Рис. 2. Установка для опреснения воды методом многостадийной флеш-дистилляции. Такая установка может ежедневно вырабатывать приблизительно 9 миллионов литров пресной воды (компания «Аква-Кем» в г. Милуоки, США). Рисунок из книги Т. Брауна “Химия в центре наук”, М, Мир, 1983.

Основная часть затрат при осуществлении любого варианта процесса дистилляции связана с большими потребностями в тепловой энергии. Для типичной установки многостадийной флеш-дистилляции стоимость пара составляет приблизительно 40% от стоимости получаемой пресной воды. В связи с этим предложено множество других способов опреснения воды, которые не связаны с необходимостью ее испарения. В одном из способов пресную воду удаляют из морской воды путем ее замораживания. При образовании льда из морской воды растворенные в ней соли не попадают в него. Однако процесс замораживания тоже требует затрат энергии. В настоящее время проводятся испытания крупномасштабных установок по опреснению воды, в которых используется принцип замораживания.

Опреснение методом обратного осмосаПри опреснении воды методом обратного осмоса пресную воду отделяют от

растворенных в ней солей при помощи мембраны, проницаемой для воды, но непроницаемой для солей. Для этого необходимо наличие селективной мембраны, пропускающей только воду, но задерживающей растворенные в ней вещества. Если поместить такую мембрану между рассолом и пресной водой, тенденция к выравниванию

6

концентраций по обе стороны мембраны заставит воду проникать через мембрану в рассол. Этому процессу можно воспрепятствовать, прикладывая давление со стороны рассола. При достаточно большом давлении проникновение воды через мембрану в рассол прекратится. Давление, необходимое, чтобы воспрепятствовать просачиванию воды через мембрану в раствор, называется осмотическим. Для морской воды при нормальных условиях осмотическое давление составляет приблизительно 25 атм.

Если прикладываемое к рассолу давление превысит осмотическое, то вода будет проходить через мембрану в обратном направлении, другими словами, пресная вода будет выдавливаться из рассола через мембрану. Этот процесс, называемый обратным осмосом, схематически показан на рис. 3. Морскую или солоноватую воду накачивают под высоким давлением в камеры, стенки которых изготовлены из полупроницаемых мембран. При прохождении воды через мембраны локальная концентрация солей у стенки мембраны повышается, что приводит к повышению осмотического давления и уменьшению потока пресной воды. Чтобы воспрепятствовать этому, через камеру нужно непрерывно прокачивать морскую воду. Поток пресной воды через мембрану пропорционален прикладываемому давлению. Максимальное давление, которое можно приложить к мембране, определяется ее собственными характеристиками. При слишком высоком давлении мембрана может разорваться, забиться присутствующими в воде примесями или пропускать слишком большое количество растворенных солей.

Рис. 3. Схема процесса опреснения воды методом обратного осмоса.

Давление, создаваемое насосом высокого давления, превышает осмотическое давление соленой воды относительно пресной. Благодаря этому пресная вода просачивается через полупроницаемую мембрану. Чтобы предотвратить накопление соли вблизи мембраны, насос должен постоянно прокачивать по трубам соленую воду. На практике трубы должны иметь очень малый диаметр, и поэтому установку приходится изготовлять из многих тысяч труб.

В обычных установках по опреснению воды методом обратного осмоса трубы изготавливают из пористого вещества, выложенного с внутренней стороны тонкой пленкой из ацетата целлюлозы. Ацетат целлюлозы (из которого изготовляют целлофан и основу фотографической пленки) играет роль полупроницаемой мембраны. Установка состоит из множества таких труб, уложенных параллельно друг другу. Скорость проникновения воды через мембрану довольно невелика. Например, 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 каждого квадратного метра мембраны. Поскольку для получения большой площади поверхности необходимо очень много тонких труб, процесс обратного осмоса пока еще не

7

используется для получения больших количеств пресной воды. Однако этот процесс представляется многообещающим, если будут разработаны улучшенные мембраны, в особенности 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

Мосин О.В.

Великое опреснение

Ближний Восток — регион, в котором проживает 5% населения планеты, однако на него приходится лишь 0,09% мировых запасов пресной воды. А ведь без воды немыслима не только жизнь, но и промышленность, сельское хозяйство и прочие отрасли человеческой деятельности. Особенно остро обстоит дело с проблемой водоснабжения в Израиле, поскольку его руководство по ряду известных причин вынуждено добиваться максимальной автономности жизнеобеспечения страны. И ему это удается.

Более половины территории Израиля занимает пустыня Негев (от иврит. — «сухой»), из одного названия которой легко сделать вывод, что это не очень подходящее для жизни место. Однако и в остальных районах израильской земли зеленые насаждения сами по себе обычно не растут — для этого необходимо их посадить и тщательно за ними ухаживать. При этом Израиль не только не жалуется на нехватку продовольствия, но и завозит свежие фрукты в половину стран Европы, включая отчасти и Россию: израильские лимоны и грейпфруты можно увидеть во многих российских супермаркетах. А

между тем, чтобы вырастить одно только лимонное дерево, нужно несколько кубометров воды в год.

Впрочем, человеку, не забывающему о личной гигиене, воды требуется столько, что любое лимонное дерево завянет от зависти. По разным источникам, каждый израильтянин в среднем расходует от 80 до 130 литров ежедневно. Это довольно скромный показатель

8

по меркам развитых стран (американцы расходуют до 500 литров), но самый высокий в Ближневосточном регионе. В Израиле проживает более семи миллионов человек. Несложные вычисления показывают, что только для бытовых нужд израильтянам ежегодно требуется около трехсот миллионов кубометров. И это не считая промышленного и сельскохозяйственного использования водных ресурсов.

Между тем именно расходы на орошение составляют большую часть потребляемой воды, хотя

в последнее время из-за растущей потребности в питьевой воде их относительная доля заметно снизилась. Кстати, в Израиле невозможно увидеть садовника, беспечно поливающего деревья шлангом: вода подводится в точно рассчитанных количествах по

тонким трубочкам непосредственно к каждому растению. Именно благодаря повсеместному внедрению капельного орошения площадь, занятая пустынями, в Израиле ежегодно сокращается в

отличие от многих других стран, где пустыни наступают.

Антарктида нам поможетОдна из самых экстравагантных идей состоит в том, чтобы «поймать» в высоких

широтах айсберг и отбуксировать его через Средиземное море прямо к берегам страны. Транспортировка от Антарктиды до Израиля каравана гигантских ледяных глыб (размером в несколько футбольных полей каждая) может занять около года. Но если поверхность льда прикрыть от солнца тонкой отражающей пленкой, айсберги вполне могут «продержаться» до пункта назначения. Скорость движения каравана будет составлять всего пару узлов, что сравнимо со скоростью морских течений, которые надо обязательно учитывать при прокладке маршрута. Но даже один такой караван мог бы заметно упростить ситуацию с обеспечением страны питьевой водой. Есть и чуть менее радикальная версия этого проекта: не тащить айсберги целиком через океан, а прямо в открытом море измельчать лед и везти в танкерах ледяную шугу. По некоторым оценкам, такая вода может оказаться дешевле опресненной. И все же пока всерьез подобными проектами никто не занимается.

Всеизраильский водопровод Откуда же взять все эти миллионы кубометров? Как и в большинстве стран мира, пресная вода в Израиле в основном добывается из естественных источников: озер, рек и подземных водоносных горизонтов. Природный резервуар пресной воды в Израиле один — это озеро Кинерет, однако уровень воды в нем уменьшается год от года. Управление водного хозяйства Израиля установило минимальный уровень воды в озере, при достижении которого из него уже нельзя выкачивать воду, чтобы не произошли необратимые гидрологические изменения. Сейчас это 213 метров ниже уровня моря.Информация об уровне воды регулярно обновляется на сайте www.water.gov.il, в настоящее время он почти всегда находится недалеко от критической отметки. Около 40% пресной воды, выкачиваемой из озера, направляется на насосную станцию Сапир, с которой начинается Всеизраильский водопровод — система водоснабжения, доставляющая воду от северных источников на юг страны, в том числе в пустыню Негев, — остальное потребляется непосредственно в регионе.

Большая часть пресной воды, впрочем, добывается из подземных источников. Самый большой из них — так называемый прибрежный водоносный горизонт, простирающийся от берега

Рис. Компьютеризированная ирригационная система в пустыне Негев.

9

Средиземного моря к подножию Иудейских гор. Из него ежегодно извлекается около 500 миллионов кубометров воды. Восполняется он как естественным путем — благодаря стоку дождевой воды, так и искусственными методами — захватом и перенаправлением паводков, а также, в незначительной степени, закачкой предварительно отфильтрованных и обеззараженных сточных вод.

Протяженность прибрежного водоносного горизонта позволяет ему служить в качестве многолетнего хранилища пресной воды, из которого можно выкачивать ее в засушливые годы. Но к этому процессу следует подходить разумно. Близость к берегу

моря при бесконтрольной эксплуатации создает опасность периодических прорывов морской воды, что увеличивает соленость подземных вод и может сделать их непригодными для использования. Вредит водоносному горизонту также загрязнение удобрениями, ядохимикатами, промышленными и бытовыми стоками. Это особенно заметно в той его части, которая расположена на территории сектора Газа, что вынуждает жителей искать внешние источники пресной воды.

Второй по значимости водоносный горизонт Израиля называют горным. Он простирается от Изреельской долины на севере страны до города Беер-Шева на границе пустыни Негев. Этот пласт состоит из пористых, но твердых горных пород — известняка и доломита. Карстовые системы, существующие в горном водоносном горизонте, содержат естественные подземные резервуары,

наполненные чистой водой. Именно здесь вода наиболее высокого качества, она может быть использована без ограничений для любых нужд практически без какой-либо предварительной обработки. Но ее уровень в этом водоносном горизонте неоднократно опускался ниже критической отметки, поэтому в настоящее время из него запрещен отбор воды свыше естественного дождевого восполнения в зимний сезон.

Существуют и альтернативные источники пресной воды. Коллекторы дождевых вод используются по всей стране и особенно полезны в период паводка, собираемая ими вода бесценна для сельского хозяйства в сухой сезон. Все быстрее развиваются технологии повторного использования сточных вод, они уже обеспечивают заметную долю объема технической воды. Наконец, у Израиля есть выход к практически неограниченным запасам воды в Средиземном и Красном морях, а через них — ко всем океанам планеты. Здесь лишь одна досадная помеха: вода в морях соленая, и без предварительного опреснения (а это сложный и дорогостоящий процесс) пить ее нельзя.

Обратный осмосЧтобы понять явление обратного осмоса, следует сначала разобраться с осмосом

обычным. Заполним какую-нибудь емкость простой водой и опустим в нее контейнер с концентрированным солевым раствором, одна из стенок которого — специальная полупроницаемая мембрана, пропускающая молекулы воды и не пропускающая молекулы соли. Что произойдет? Броуновское движение будет приводить к тому, что молекулы воды начнут проходить через мембрану в обоих направлениях. Но со стороны раствора их поток будет слабее, просто потому, что молекул воды там меньше, так как часть из них вытеснена молекулами соли. В результате концентрация раствора станет снижаться. Остановить этот процесс можно, только увеличив давление раствора.

Явление осмоса можно объяснить и по-другому. Давление раствора на полупроницаемую мембрану складывается из двух составляющих — парциальных

Рис. В 2002 году Ливан построил водозаборную станцию на приграничной с Израилем реке Ваззани, принадлежащей к бассейну Иордана. Это едва не стало причиной военного конфликта.

10

давлений воды и растворенной в ней соли. Поскольку поры не пропускают соль, ее давление полностью уравновешивает сама мембрана за счет своей упругости. А вот давление воды не уравновешивается, поскольку в растворе ее концентрация ниже, чем по другую сторону мембраны. Возникший перепад давлений называется осмотическим давлением. Он-то и затягивает воду через мембрану в раствор.

Кстати, именно из-за осмоса нельзя пить морскую воду: клеточные стенки как раз и являются полупроницаемыми мембранами. Когда соленая вода попадает в пищеварительный тракт, осмос вытягивает воду из клеток, пытаясь уравнять осмотическое давление и снизить концентрацию соли, в итоге наступают обезвоживание и смерть. Но явление осмоса обратимо. Если солевой раствор будет находиться под высоким давлением, молекулы воды станут проходить через мембрану в противоположном направлении, в сторону емкости с чистой водой (опять же стремясь уравновесить давление). Таким образом, полупроницаемая мембрана действует как очень тонкий фильтр: чистая вода продавливается сквозь нее, оставляя в контейнере меньшее количество более концентрированного солевого раствора. Обратный осмос — процесс довольно медленный, и для его технической реализации необходимо высокое давление, но он работает.

Долой соль Казалось бы, что тут может быть сложного — удалить из каждого литра морской

воды растворенные в нем 35 граммов соли? (Соленость вод Мирового океана колеблется в зависимости от региона, но незначительно.) Над этой проблемой задумывался еще Аристотель, пытаясь изобрести особые фильтры, опередив тем самым свое время на две с лишним тысячи лет. Это удалось сделать лишь в 1940-х годах, с открытием явления обратного осмоса. Первый же метод опреснения воды основывался на дистилляции — выпаривании соленой воды и конденсации пара, уже лишенного растворенных солей. Каждый, кто хоть раз пробовал осуществить дистилляцию самостоятельно (в кабинете химии, например), знает, как много приходится затрачивать энергии и как мало при этом получается конечного продукта. В современных опреснительных установках, работающих по этому принципу, применяется технология вакуумной дистилляции. Она основана на том, что при низком давлении вода закипает при гораздо меньшей температуре. Но энергии все равно затрачивается немало — не только на кипячение, но и на работу вакуумных насосов. Поэтому данный метод нашел применение в основном в тех странах Ближнего Востока, где много нефти, а Израиль к их числу не относится.

Существуют и другие способы опреснения. Один из самых известных — вымораживание. Если медленно охлаждать морскую воду, то получающийся на поверхности лед при оттаивании окажется пресным. Впрочем, Израилю этот способ не подходит по климатическим причинам. Еще один метод — ионный обмен. Пропуская воду через фильтры из ионообменных смол, можно заменить ионы, к примеру, натрия на ионы водорода (катионитовый фильтр), а затем кислотные остатки (например, ионы хлора) на ионы OH–. В итоге вместо NaCl получается H2O, а это и есть опреснение. Подобным образом работают некоторые бытовые фильтры водопроводной воды (они в основном рассчитаны на удаление солей кальция, что приводит к смягчению воды). Недостаток ионообменных систем — дороговизна их применения для воды с высоким содержанием солей, поэтому для опреснения морской воды их практически не используют. Наконец, один из самых современных методов опреснения основан на явлении обратного осмоса, для чего нужно лишь продавить морскую воду через специальные фильтрующие мембраны под достаточно высоким давлением — 5—7 мегапаскалей (50—70 атмосфер).

Хотя обратный осмос, по-видимому, является на сегодня энергетически наиболее эффективным методом опреснения морской воды (выгоднее, пожалуй, только новые разработки на основе вездесущих углеродных нанотрубок, не покинувшие пока, однако, стен лабораторий), он все же требует существенных затрат энергии для работы насосов

11

высокого давления. Поэтому очень выгодно объединять опреснительные установки с электростанциями, причем лучше всего с атомными. В них высокотемпературные водяные контуры сочетаются с большим количеством недорогой электроэнергии и отсутствием отходов (за исключением требующего отдельной утилизации отработанного ядерного топлива, которое никак не соприкасается со вторичными тепловыми контурами, где циркулирует вода).

С начала 2000-х годов опреснение является стратегическим направлением в развитии израильского водоснабжения. Пилотные проекты существовали и раньше, но 24 августа 2005 года опреснение воды в Израиле впервые достигло значительных для региона масштабов. В этот день неподалеку от Ашкелона (около 40 километров к югу от Тель-Авива) была запущена крупнейшая в мире опреснительная установка на основе обратного осмоса мощностью 100 миллионов кубометров в год. Опресненная вода после дополнительной реминерализации попадает непосредственно во Всеизраильский водопровод, а оттуда — в южные регионы страны. Станция имеет 20 бассейнов предварительной очистки, где морская вода освобождается от механических загрязнений, и 40 000 полимерных фильтров, через которые она прогоняется насосами высокого давления. Для работы всего этого хозяйства необходим источник электроэнергии мощностью 50 мегаватт, поэтому установка включает собственную тепловую электростанцию. Предполагается, что она будет работать на египетском природном газе, но пока его поставки не налажены и электричество забирается из общей сети. Проект стоимостью 250 миллионов долларов реализован объединенными усилиями французской компании Veolia (часть Vivendi Group) и израильской IDE Technologies. Последняя, прежде чем приступить к реализации проекта в Ашкелоне, уже построила 350 опреснительных установок по всему миру, из них 65 — только в Испании. Согласно условиям тендера полученная питьевая вода поступает государственной компании «Мекорот» (отвечающей за водоснабжение страны) по цене 52,7 цента за кубометр — самой низкой в мире для опресненной воды.

Александр Темерев, Михаил Юнгерман

Безумцы хотят воевать за воду

В последнее время с железной настойчивостью распространяется тезис о том, что пресная вода иссякает, что ее становится меньше, и что, будто бы, скоро продажа пресной воды станет не менее выгодной, чем продажа нефти.

По данным ЮНЕП (Программа Организации Объединенных Наций по окружающей среде) уже к 2010 году 60% населения Земли будут испытывать дефицит пресной воды. В 2006 году Программа развития ООН опубликована

отчет о глобальном водном кризисе. Генеральный секретарь ООН Пак Ги Мун опасается, что конкуренция за пресную воду перерастет в насилие. Директор водных проблем РАН Виктор Данилов-Данильян прогнозирует наступление водного кризиса уже в 2025-2030 годах. Подобных мнений и прогнозов стало столько, что одно их перечисление потребует уже значительный объем текста. Есть и в России такие горячие головы, которые

12

предлагают поворачивать реки в Центральную Азию и продавать в Китай байкальскую воду.

И вывод, вворачиваемый в сознание людей, как ржавый шуруп, - скоро начнутся войны за воду. В числе регионов, в которых это возможно, уже называют Ближний Восток и Центральную Азию.

На мой взгляд, это типичный случай, как явно ошибочная идея постепенно овладевает умами, и создает условия для того, чего быть не может – войн за водные ресурсы. К сожалению, наибольшую роль в этом играет ООН, организация, которая должна укреплять мир и сотрудничество. Но в вопросе водных ресурсов, ООН сеет панические идеи, которые вполне в состоянии толкнуть милитаристов к решительным действиям.

Если смотреть на водные ресурсы с глобальной точки зрения, то окажется, что не только нет какого-либо дефицита пресной воды, но и водные ресурсы настолько огромны, что их, при современном уровне потребления, хватит на тысячи лет. Да, в отдельных регионах мира, в силу их аридного климата и особенностей геологического строения, действительно есть сильный дефицит воды. Но и он вполне может быть решен техническими средствами.

Главный источник водыОдин из способов опреснения воды - это вымораживание. При медленном

замораживании соленой морской воды вокруг ядер кристаллизации образуется пресный лед игольчатой структуры. Незамерзший соляной раствор в межигольчатых каналах становится более концентрированным, более плотным и постепенно оседает вниз. При таянии игольчатого льда получается пресная вода с минерализацией от 0,5 до 1 грамм на литр.

Почти во всех материалах и справочниках указывается, что этот способ опреснения не находит широкого применения. Однако именно с помощью вымораживания в мире образуется наибольший объем пресной воды. Правда, это не искусственное, а природное опреснение. Арктика и Антарктика работают как огромные по мощности опреснители воды. Во льдах Арктики и Антарктики сосредоточено 68,7% мировых запасов пресной воды, тогда как в традиционных источниках водоснабжения, реках и озерах, - всего 0,26%. Запасы воды во льдах составляют колоссальную величину - 24-25 млн. куб. км. При годовом потреблении воды в мире в размере около 1000 куб. км, запасов во льдах хватит на 25 тысяч лет.

Если есть такие запасы пресной воды, в твердом, удобном для перевозок виде, то в каком глобальном водном кризисе и дефиците идет речь? Вопрос стоит только в том, чтобы лед доставить из арктических морей в страны-потребители.

Так что пока в Арктике и Антарктике есть современный климат, то недостаток питьевой воды человечеству не грозит. Столько пресной воды, сколько вымораживается в этих двух полярных регионах, человечеству не израсходовать и за тысячи лет.

Добыча водыСуммарные запасы пресной воды составляют 2,5% от общего запаса воды на

планете. Обычно этот факт подается как признак крайнего недостатка пресной воды, из-за которой вот-вот начнутся чуть ли не войны. Но на это дело можно посмотреть и с другой стороны. Арктика не только имеет огромные запасы пресной воды во льдах, но и позволяет развернуть масштабное опреснение воды методом вымораживания, причем до очень высокого качества.

Технология опреснения воды в Арктике очень проста. Нужно выбрать подходящее ледовое поле, установить на нем дождевальные установки, через которых соленая вода распыляется над ледником. После намороженный лед режется на блоки, которые складываются в танкеры, и могут развозиться по всему миру.

13

Метод испытан в России, на Полярном Урале, где сотрудники лаборатории инженерной гляциологии Института географии РАН всего за 19 часов создали ледник из 1200 тонн плотного зернистого фирна. Разработанная учеными установка позволяет получить до 1500 тонн льда в сутки. Если создать целую индустрию опреснения методом вымораживания, то можно опреснять воду десятками кубокилометров. Потому, в отличие от той же нефти и вопреки представлениям паникеров, пресная вода является возобновляемым ресурсом.

Для добычи пресной воды можно использовать как естественные ледники и торосы, так и намораживать ледники в наиболее удобных местах для их разрезки и погрузки на суда (например, на островах, рядом с удобной бухтой).

В сущности, для добычи пресной воды в арктическом регионе не нужно никакой новой техники. Все можно сделать на основе давно существующего оборудования. Потребуются суда арктического класса, например, танкеры, дооборудованные поворотными деррик-кранами для погрузки ледовых блоков. Для разрезки и перетаскивания ледовых блоков потребуются мотопилы и тракторы. Можно при желании разработать и начать производить мощную установку по разрезке льда на базе вездехода. Лед можно резать не только пилами, но и сильной концентрированной струей горячей воды или пара.

Дооборудовать водопроводные системы в странах-потребителях припортовыми цистернами, куда постоянно сливается привезенная из арктических морей вода, или даже не растаявший лед, также не столь сложно, и не потребует каких-то астрономических расходов. Если оказалось возможным создать в глобальном масштабе системы перераспределения нефти, то создание системы перераспределения воды – это куда более простая задача, особенно в свете накопленного обширного опыта в области международной логистики. Тем более, что пресная воды, это полностью безопасный груз, в отличие от той же нефти.

В мире есть четыре страны, которые могут стать крупными поставщиками пресной воды: Россия, Канада, США и Дания. Эти страны обладают наибольшими территориями в Арктике, контролируют арктические акватории. У Дании в распоряжении огромный остров, занятый ледниками – Гренландия.

Снабжение водой крупных промышленных предприятий подобным образом пока еще требует расчетов и обоснований, но вот к поставкам воды питьевого качества можно приступать уже сейчас, поскольку по стоимости питьевая бутилированная вода уже мало отличается от бензина.

При подобных условиях, войны за воду – это подлинное безумие. Люди готовы убивать друг друга ради, буквально, капли воды, в то время, когда в Арктике лежат миллионы кубокилометров высококачественной пресной воды, которую вполне по силам добыть и вывезти в регионы потребления.

Дмитрий Верхотуров

Как восполнить водные ресурсы?

Все больше и больше раздается тревожных сигналов, свидетельствующих о том, что человеческая цивилизация, по-видимому, входит в критическую фазу своего существования. Мы все чаще ощущаем недостаток ресурсов, которые способна предоставить планета. Довольно скоро, еще при жизни нынешнего поколения тридцатилетних, люди столкнутся с серьезной нехваткой энергии из-за истощения запасов природного топлива, и, как утверждают экономисты и социологи, это может стать причиной колоссальных потрясений. Но уже не один десяток лет многим сотням

14

миллионов людей недостает плодородных земель, пищи, жизненного пространства. А сегодня им не хватает даже обыкновенной чистой воды.

Богатые нефтью страны Аравийского полуострова, где дефицит воды издавна был частью бытия местного населения, решают проблему с помощью опреснительных установок, пожирающих мегаватты энергии. По тому же пути идёт Китай, развернувший в приморских провинциях, испытывающих нехватку пресной воды, масштабное строительство опреснителей. В провинции Шаньдун в течение ближайших пяти лет предполагается построить 21 установку, которые будут выдавать около 140 млн м3 пресной воды в год. Строительство нового мощного оборудования для опреснения морской воды ведётся в Израиле, Северной Африке, на юге Европы, в американских штатах Флорида и Калифорния, в Сингапуре.

Если в 1990 г. в мире с помощью опреснителей производилось 4 млн. м3 воды в сутки, то в 2000 г. — 16 млн. м3, а в 2007-м — уже 50 млн. м3. Согласно прогнозу специалистов инвестиции в строительство новых опреснительных мощностей составят примерно 20 млрд. долларов США.

Однако когда сегодня говорят о нехватке воды, имеют в виду отнюдь не только пустынные, засушливые территории планеты. Чистая, пригодная для питья вода катастрофически убывает и там, где этого, казалось бы, попросту быть не может.

По данным экологов, из-за постоянного ухудшения качества водных объектов в Ленинградской области практически не осталось чистых поверхностных источников водоснабжения. Реки Свирь, Паша, Оять, Сясь, Волхов, Нева, Луга, Плюса перешли в категорию “загрязнённых” (4-й класс качества), а нижние и средние участки рек Тосна, Мга, Ижора, Чёрная — в категорию “грязных” и “очень грязных” (5—6-й класс качества). Не спасают положения и подземные воды. Наиболее мощные подземные водоносные горизонты — солёные. Из 1362 источников децентрализованного водоснабжения области (колодцы, артезианские скважины, родники и т.п.) 18,5% не соответствуют санитарно-химическим нормативам, а по микробиологическим показателям не отвечают норме 22,7% источников. И главной причиной такого положения стало интенсивное промышленное загрязнение окружающей среды.

Вот данные Государственного водного кадастра страны по другому российскому региону — Красноярскому краю. Предприятия Заполярного филиала ОАО “ГМК “Норильский никель” сбрасывают ежегодно 85,4 млн м3 загрязнённой воды. Красноярская ТЭЦ-2 “производит” 39,2 млн м3, ООО “Енисейский ЦБК” — 26,4 млн м3, ОАО “Ачинский глинозёмный комбинат” — 6,25 млн м3 и так далее...

Регионы в качестве примера выбраны почти наугад. Тревожные сообщения приходят отовсюду. Нижегородская, Челябинская, Пермская, Амурская области, Приморский край в последнее время не раз балансировали на грани острейших кризисов, вызванных нехваткой воды из-за климатических причин или промышленного загрязнения водоисточников. Столица государства — Москва — потребляет 5 млн м3 воды в сутки. И даже здесь в самом обозримом будущем вполне реальны проблемы с водоснабжением.

Таким образом, совершенно ясно, что человечеству в целом и отдельным странам в частности, в число которых входит и Россия, не остаётся ничего иного, как всерьёз заняться производством чистой пресной воды, опресняя морскую и очищая испорченную, заражённую отходами нашей жизнедеятельности.

Как опресняют воду?“Пресной питьевой” считается вода, если содержание солей в ней не превышает 1

грамма на 1 литр. Сегодня пресную воду из морской получают методами дистилляции, обратного осмоса, электродиализа, вымораживания и ионного обмена.

15

1. MSF (Multi-Stage Flash Distillation), дистилляция мгновенным вскипанием — метод опреснения, когда морскую воду испаряют по порядку через несколько камер (Flash Chambers), в которых постепенно снижается давление.

2. MD (Membrane Distillation), мембранная дистилляция — нагрев морской воды происходит с одной стороны гидрофобной мембраны, которая пропускает пар, но не пропускает воду; с другой стороны мембраны пар охлаждается и конденсируется.

3. MED (Multi-Effect Distillation), многоколонная дистилляция — нагрев морской воды до высокой температуры в первой колонне и использование образованного пара для нагрева в последующих колоннах.

4. MVC (Mechanical Vapor Compression), компрессионная дистилляция — для нагрева морской воды в первой колонне по методу MED используется частично сжатый пар. По сравнению с методами MSF и MD он требует меньшего расхода энергии и дает возможность снизить температуру первичного нагрева, хотя не годится для производства больших объемов пресной воды.

5. FP (Freezing Process), вымораживание — охлаждение морской воды до кристаллизации влаги и последующее выделение кристаллов для получения пресной воды.

6. RO (Reverse Osmosis), обратный осмос — использование полупроницаемой мембраны, которая под давлением больше осмотического пропускает воду, но задерживает ионы и молекулы примесей.

7. ED (Electrodialysis), электродиализ — использование двух мембран, одна из которых пропускает только катионы, другая — только анионы, образующиеся под действием приложенного напряжения постоянного тока.

При давлении ниже атмосферного вода в баке доводится до кипения. Пар всасывается компрессором и конденсируется в погруженном в рассол теплообменнике, одновременно увеличивая температуру подогрева.

В результате перемещения сквозь мембраны ионов растворенных солей в одной камере собирается обогащенный солью раствор, а в другой вода опресняется.

16

Вода под давлением проходит через полупроницаемую мембрану, которая задерживает растворенные соли.

Из всего объёма получаемой в мире опреснённой воды 71,5% приходится на долю дистилляционных опреснительных установок, 19% — обратноосмотических, 9,4% — электродиализных, 0,1 % — на долю замораживающих и ионообменных опреснительных установок.

Традиционные опреснители, использующие технологии выпаривания, представляют собой довольно сложные сооружения, так как должны быть агрегированы с ТЭЦ, обеспечивающей дешёвую тепловую энергию. Это условие отпадает в мембранных установках, состоящих из легко собираемых модулей, которым требуется лишь электроэнергия.

Французская компания “Ondeo Degremont” получила заказ на сооружение самого крупного в мире опреснительного комплекса годовой мощностью 62 млн м3 в эмирате Фуджейра (ОЭА) стоимостью 160 млн. евро. Другая французская компания — “Vivendi Environnement” будет строить опреснительную установку годовой мощностью 50 млн. м3 и стоимостью 110 млн. евро близ Тель-Авива (Израиль).

На этих двух комплексах традиционная технология будет комбинироваться с мембранной. Такое сочетание, а также совершенствование технологии предварительной обработки морской воды позволяют существенно снизить стоимость опреснения на новых установках — до одного доллара за 1 м3 и менее. На израильской установке себестоимость будет даже ниже — 0,55 доллара. Это обеспечивается возможностью альтернативного применения каждой из технологий в зависимости от цен на электроэнергию. Как полагают, будущее может принадлежать именно комбинированным комплексам.

Недостатки применяемых технологийПеречисленные технологии опреснения не избавлены от минусов, существенно

повышающих эксплуатационные расходы.Образование накипи на теплопередающих поверхностях дистилляторов резко

снижает их эффективность. Приходится часто останавливать и очищать испарители, использовать антинакипины, химреагенты, при менять дорогостоящие системы водоподготовки.

Такие же проблемы возникают и при использовании мембранных технологий. Например, подаваемая под давлением 50—150 атм на мембраны вода (при содержании солей 40 г/л) имеет жесткие ограничения по содержанию взвесей, коллоидных загрязнений, свободного хлора, солей железа, кальция, магния и стронция. В ней не должно быть микробиологических загрязнений, ее температура не может превышать 35—45оС и т.д.

То есть предварительная очистка (предподготовка воды) становится одним из главных этапов данных методов, а стоимость систем очистки иногда в 2—3 раза превышает стоимость самих опресняющих установок; она требует дополнительных энергозатрат, большого количества сменных материалов и реагентов, что, в свою очередь, весьма негативно сказывается на состоянии окружающей среды.

17

Кроме того, для крупных опреснительных комплексов необходимы мощные котельные (ТЭЦ) или атомные реакторы. При опреснении методами дистилляции затраты на используемое тепло достигают 40—50% от стоимости полученной воды.

Тем не менее способ избежать этих сложностей сегодня существует.

Гидроволновой метод

Уникальная технология, созданная в НТЦ “ТЭРОС-МИФИ” (Москва) под руководством заслуженного изобретателя России В. С. Афанасьева, основана на применении ранее не использовавшихся в этой области физических процессов.

В их основе — создание в морской воде под воздействием высокочастотных механических колебаний таких гидродинамических режимов, при которых в солевом растворе создаются химические и тепловые условия, способствующие очистке ииспарению воды во много раз эффективнее, чем в известных случаях. Происходит это так.

Насос подает воду на вращающийся с большой скоростью ротор с периодически открывающимися окнами (прорезями). Прорези закрыты — давление в воде повышено, прорези открываются — давление резко падает. Таким образом, вода нагревается до температур выше 100оС не тепловым, а механическим воздействием практически с ультразвуковой частотой. А поскольку тепловые нагревательные элементы отсутствуют, образующиеся отложения не влияют на процесс очистки. Нет необходимости заниматься водоподготовкой, оборудование работает без использования расходных материалов в процессе эксплуатации, не нужны фильтры, ионообменные смолы, сорбенты, химические реагенты и т.д. А значит, вторичные отходы, типичные для других технологий очистки, отсутствуют.

Второй отличительной особенностью гидроволновой технологии является то, что в ней применяется новый способ генерации пара в многочисленных высокоэнергетических зонах.

Перегретая вода подается на специальные препятствия, за которыми образуются кавитационные зоны пониженного давления — суперкаверны. Кипение там происходит уже при температуре 30—60оC. Отвод пара из многочисленных суперкаверн гидродинами-ческого парогенератора понижает температуру

водного потока, что используется для конденсации отводимого пара. Удельные энергозатраты, таким образом, снижаются до 3 кВт . ч/м3, что значительно меньше, чем у известных аналогов.

Помимо этого высокочастотное гидродинамическое воздействие разрушает органические молекулы, например токсичных веществ (цианидов, фенолов и пр.) на безвредные простые компоненты. Нет также необходимости в применении стерилизующего оборудования.

Еще одна особенность гидроволновой технологии — возможность осуществления звукохимических реакций, при которых происходит эффективное осаждение некоторых типов примесей, например дейтерия, трития и радиоактивного углерода-14. А это значит,

Заслуженный изобретатель России В.С. Афанасьев возле демонстрационной установки гидроволнового метода очистки воды.

18

что установка позволяет решить важнейшую проблему очистки жидких радиоактивных отходов. Создатели установки, например, предлагают в кратчайшие сроки (три года) полностью решить проблему Теченского каскада водоёмов, эксплуатируемого ФГУП ПО “Маяк”, в которых к настоящему времени скопилось около 400 млн. тонн радиоактивных отходов. Такое предложение направлено правительству.

И, возможно, самое главное достоинство установки. Поскольку для ее успешной работы не требуются фильтры и мембраны, сорбенты и ионообменные смолы, химические реагенты, она способна очищать в непрерывном режиме промышленные стоки практически любого предприятия вне зависимости от характера производства.

Делать это все равно придется. Способность природы сопротивляться человеческому воздействию не бесконечна. Люди уже сейчас ощущают на себе последствия необдуманного посягательства на экологию, и последствия эти, если не принимать необходимых мер, будут только множиться и утяжеляться.

Опреснительный комплекс по гидроволновой технологии предполагает модульный принцип построения. За модуль принята установка производительностью 1200 м3/сут (50 м3/ч). Модуль может быть также разработан с большей производительностью.

Конструктивная схема очистки и обессоливания воды гидроволновым методом, производительностью 1200 м3/сут.

Принципиальная схема комплекса для очистки и обессоливания морской воды суммарной производительностью 24 000 м3/сут. (модули производительностью 1200 м3/сут ); 21 — трансформаторная подстанция; 22 — помещения для обслуживания комплекса; 23 — автостоянка; 24 — транспортёр для перемещения соли в бункер; М — накопительные ёмкости для морской

воды; Ч — накопительные ёмкости с обессоленной водой и установками для кондиционирования; Б — бункеры для приёма соли, её растворения в морской воде и вывода рассола в море. Габаритные размеры одного модуля: 3х3х10м. Площадь комплекса ~3000 м

Установка (модуль) способна очищать и обессоливать воду с любой естественной минерализацией, комплектуется в климатическом блок-боксе габаритами 3x3x10м.

Отличительные показатели гидроволнового процесса опреснения в сравнении с существующими:

19

1. Работа опреснительной установки происходит без использования расходных материалов в процессе эксплуатации. Отсутствуют фильтры, ионообменные смолы, сорбенты, химические реагенты и т.п.2. Установка очищает и обессоливает морскую воду независимо от степени её загрязнения и минерализации.3. Нет необходимости в предварительной водоподготовке.4. Удельные энергетические затраты меньше, чем для всех известных установок (1,5—3,0 кВт . ч/м3).5. Обеспечена полная экологическая безопасность, возможно выделение примесей в виде твёрдого осадка.6. Нет необходимости в капитальном строительстве, поскольку опреснительный комплекс предполагает модульный принцип построения.7. Установка способна работать от любого источника энергии, однако предпочтительной является электроэнергия.8. Характер обслуживания: профилактический осмотр и снятие показаний приборов работником низкой квалификации.9. Расход исходной воды равен расходу очищенной воды плюс объём имеющихся примесей.10. Установка позволяет осуществлять как переработку отходов, так и различные способы их утилизации.11. Себестоимость 1 тонны производимой пресной воды — не более 0,3 доллара США. Установка по предложенной технологии пригодна для многоцелевого применения ввиду отсутствия характерной для известных технологий очистки водоподготовки.

Технико-экономические показатели модуля

Основные направления использования установок с гидроволновой технологией: очистка и опреснение морской воды;

20

очистка и обессоливание природных вод любой степени загрязнения, в том числе получение воды высокой степени чистоты для медицинских целей (например, “воды для инъекций”;

очистка и утилизация жидких радиоактивных отходов; получение устойчивых водотопливных эмульсий, топлив с новыми свойствами; производство теплогенераторов с высоким коэффициентом преобразования

энергии для систем горячего водоснабжения и теплового обеспечения производственных и жилых объектов;

очистка ёмкостей и трубопроводов от отложений, загрязнений; очистка и обезвреживание загрязнённых вод в условиях чрезвычайных ситуаций; улучшение качества нефти и нефтепродуктов (снижение температуры застывания и

уменьшение примесей, например серы); обезвреживание отравляющих веществ (ОВ).

Отсутствие традиционной водоподготовки (химреагентов, сорбентов, фильтров, ионообменных смол и т.п.) позволяет внедрить в эксплуатацию такую установку для очистки и кондиционирования жидких радиоактивных отходов, образующихся на АЭС, когда количество отходов, поступающих в хранилище, может быть уменьшено в сотни раз, что является определяющим при решении данной задачи.

Борис Руденко

Электромагнитный метод опреснения воды

Метод опреснения воды электромагнитным полем, предложенный В. М. Рофманом заключается в конструировании специальной генерируемой сильными электромагнитными полями ячейки, где вода двигалась бы в ламинарном режиме со скоростью до 2,5 м/с и на неё воздействуют точно подобранные соотношения величин трансформирующих магнитных и ориентирующих электрических сил. В таких условиях по мнению В. М. Рофмана будет происходить изменение формы молекулы воды из угловой в линейную.

По расчётам изобретателя, для превращения 1 моля воды из угловой формы молекулы в линейную необходим электромагнит с напряженностью магнитного поля 4,6 107 А/м и величиной магнитной индукции 58 Тл. Такие условия генерации магнитного поля являются очень жесткими. На сегодняшний день они находятся на самом пределе достигнутого технологией уровня управления электромагнитными взаимодействиями в сверхпроводящих магнитах. Однако, как считает изобретатель уже сегодня имеются надёжные перспективы усовершенствования этой технологии на базе достижении физики высокотемпературной сверхпроводимости.

Такая необычная вода должна кипеть не при +100ºС, а при минус 80ºС. Это позволило бы использовать в технологическом процессе дистилляции тепловую энергию самой морской воды и рассеянное тепло окружающей среды. С другой стороны конденсация пара в дистиллят пресной воды, при снятии магнитного воздействия с диполей её молекул, происходит за счёт обратного самопроизвольного образования водородных связей при температуре окружающей среды, что исключает какие-либо дополнительные энергетические затраты при проведении этих технологических операций.

Сегодня из-за высоких энергетических затрат стоимость получения пресной воды на лучших дистилляционных установках составляет $2,3 на 1 м3. Повышенная энергоёмкость процесса опреснения связана с тем, что вода обладает рядом аномальных физико-химических свойств – высокими значениями температуры кипения (+100 ºС), удельной теплоёмкости (1 кал/г.град при 15 ºС) и скрытой теплоты парообразования (586 кал/г при 20 ºС).

21

Эти физико-химические аномалии обусловлены строением её молекулы. Известно, что молекулы воды имеют очень простую химическую/физическую структуру - стороны угла двух атомов водорода находятся по отношению к атому кислорода под углом 104,7°. Молекула воды представляет собой маленький диполь, содержащий положительный и отрицательный заряды на полюсах. Именно такая структура и определяет полярность молекулы воды. Если соединить прямыми линиями эпицентры положительных и отрицательных зарядов получится объемная геометрическая фигура - правильный тетраэдр.

Из восьми электронов, составляющих внешний слой атома кислорода в молекуле воды, две электронные пары образуют ковалентные связи О – Н, а остальные четыре электрона представляют собой две неподелённые электронные пары. По этой причине в молекуле воды имеется четыре полюса электрических зарядов – два положительных и два отрицательных. Атом кислорода в молекуле воды находится в

состоянии sp2-гибридизации. Поэтому валентный угол НОН (104,3°) близок к тетраэдрическому (109,5°). Электроны, образующие связи О—Н, смещены к более электроотрицательному атому кислорода. В результате атомы водорода приобретают эффективные положительные заряды, поскольку на них создаются два положительных

полюса. Центры отрицательных зарядов неподеленных электронных пар атома кислорода, находящиеся на гибридных - орбиталях, смещены относительно ядра атома и в свою очередь создают два отрицательных полюса.

Молекула воды имеет угловое строение; входящие в ее состав ядра образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два протона, а в вершине — ядро атома кислорода, Межъядерные расстояния О—Н близки к 0,1 нм, расстояние между ядрами атомов водорода равно 0,15 нм. Из восьми электронов, составляющих внешний электронный слой атома кислорода в молекуле воды две электронные пары образуют ковалентные связи О—Н, а остальные четыре электрона представляют собой две неподеленных электронных пары.

Молекула воды является диполем (с дипольным моментом 1,84D), что придаёт

Рис. Структура молекулы воды: а) угловая; б) шаровая; в) тетраэдрическая

Рис. В кристалле льда (внизу) каждая молекула воды образует водородную связь с 4-мя соседними молекулами, образуя ажурный сетчатый каркас (вверху)

22

ей способность ассоциироваться в более сложные агрегаты за счёт образования дополнительных водородных связей типа О…..Н.

Благодаря наличию водородных связей каждая молекула воды образует водородную связь с 4-мя соседними молекулами, образуя ажурный сетчатый каркас в молекуле льда. Однако, в жидком состоянии вода – неупорядоченная жидкость; эти водородные связи - спонтанные, короткоживущие, быстро рвутся и образуются вновь. Всё это приводит к неоднородности в структуре воды.

То, что вода неоднородна по своему составу, было установлено давно. С давних пор известно, что лёд плавает на поверхности воды, то есть плотность кристаллического льда меньше, чем плотность жидкости. Почти у всех остальных веществ кристалл плотнее жидкой фазы. К тому же и после плавления при повышении температуры плотность воды продолжает увеличиваться и достигает максимума при 4°C. Менее известна аномалия сжимаемости воды: при нагреве от точки плавления вплоть до 40°C она уменьшается, а потом увеличивается. Теплоёмкость воды тоже зависит от температуры немонотонно. Кроме того, при температуре ниже 30°C с увеличением давления от атмосферного до 0,2 ГПа вязкость воды уменьшается, а коэффициент самодиффузии - параметр, который определяет скорость перемещения молекул воды относительно друг друга растёт. Для других жидкостей зависимость обратная, и почти нигде не бывает, чтобы какой-то важный параметр вёл себя не монотонно, т.е. сначала рос, а после прохождения критического значения температуры или давления уменьшался. Возникло предположение, что на самом деле вода — это не единая жидкость, а смесь компонентов-ассоциатов, которые различаются свойствами, например плотностью и вязкостью, а следовательно, и структурой. Такие идеи стали возникать в конце XIX века, когда накопилось много данных об аномалиях воды.

Сейчас существует большое количество различных теорий и моделей, объясняющих структуру и свойства воды. Общим у них является представление о водородных связях как основном факторе, определяющем образование структурированных ассоциатов. Вода – это кооперативная система, в ней существуют цепные образования водородных связей. При этом всякое воздействие на воду распространяется эстафетным путем на тысячи межатомных расстояний.

Рис. Современная клатратно-фрактальная модель воды. На рисунке представлены как отдельные кластерно-ассоциативные структуры молекул воды, так и отдельные молекулы воды, не связанные водородными связями.

Сейчас наукой доказано, что особенности физических свойств воды и многочисленные короткоживущие водородные связи между соседними атомами водорода и кислорода в молекуле воды создают благоприятные возможности для образования особых структур-ассоциатов (кластеров), воспринимающих, хранящих и передающих самую различную информацию.

Согласно расчётам, отдельный кластер воды состоит из 57 молекул воды и взаимодействует с другими кластерами за счет свободных водородных связей. Это приводит к появлению структур второго порядка в виде шестигранников, состоящих из

23

912 молекул воды. При этом свойства кластеров зависят от того, в каком соотношении выступают на поверхность кислород и водород. Конфигурация элементов воды реагирует на любое внешнее воздействие и примеси, что объясняет чрезвычайно лабильный характер их взаимодействия. В обычной воде совокупность отдельных молекул воды и случайных ассоциатов составляет 60% (деструктурированная вода), а 40% - это кластеры (структурированная вода).

Структурной единицей такой воды является кластер, состоящий из отдельных молекул воды, природа которых обусловлена дальними кулоновскими силами. В структуре кластеров закодирована информация о взаимодействиях, имевших место с данными молекулами воды. В водных кластерах за счёт взаимодействия между ковалентными и водородными связями между атомами кислорода и атомами водорода может происходить миграция протона (Н+) по эстафетному механизму, приводящие к делокализации протона в пределах кластера.

Вода, состоящая из множества кластеров различных типов, образует иерархическую пространственную жидкокристаллическую структуру, которая может воспринимать и хранить огромные объемы информации.

На рисунке в качестве примера приведены схемы нескольких простейших кластерных структур.

Рис. Более сложные ассоциаты кластеров

Для каждой температуры в водной системе имеет место равновесие:Н2О <=> (Н2О)2 <=> (Н2О)3 <=> (Н2О)n

С повышением температуры равновесие смещается в сторону образования одиночных молекул, а с понижением – ассоциированных. Ассоциация молекул воды через водородные связи является причиной её аномальных свойств по показателям температуры кипения, теплоёмкости, теплоты парообразования и др, считает изобретатель. Если бы вода не была ассоциированной жидкостью, то, как мономолекулярная окись водорода, она имела бы температуру кипения около минус 80ºС.

Рис. Отдельный кластер воды

Рис. Ассоциация пяти отдельных кластеров в клатрат.

24

Под воздействием физического фактора, препятствующего формированию водородных связей и ассоциации молекул воды в димеры, триммеры и полимеры, вода в этой ячейке начинает переходить в парообразное состояние при температуре минус 80 ºС с интенсивной дистилляцией воды за счёт тепла окружающей среды. Когда пар выйдет из зоны действия этого физического фактора и войдёт в конденсатор, вода вновь приобретёт способность к ассоциации и, соответственно, начнёт конденсироваться в жидкость при температуре окружающей среды.

Лед и пар - различные агрегатные состояния воды, и поэтому логично предположить, что в жидкой промежуточной фазе валентный угол отдельной молекулы воды лежит в диапазоне между значениями в твердой фазе и в паре. В кристалле льда валентный угол молекулы воды близок к 109,5 º. При таянии льда межмолекулярные водородные связи ослабевают, расстояние Н-Н несколько сокращается, валентный угол уменьшается. При нагревании жидкой воды происходит разупорядочение кластерной структуры, и этот угол продолжает уменьшаться. В парообразном состоянии валентный угол молекулы воды составляет уже 104,5 º.

Но если это угол меняется от температуры, то, возможно он изменится и при воздействии на воду сильного электромагнитного поля?

Изобретатель В. М. Рофман считает, что посредством управления процессами электромагнитного взаимодействия можно устранить зарядовую асимметрию и угловую форму молекулы воды трансформировать в симметричную, линейную структуру, не образующую ассоциаций. Такое изменение конфигурации молекулы воды можно осуществить считает В. М. Рофман, если к её положительному и отрицательному зарядовым центрам одновременно приложить деформирующие силы, направленные противоположные стороны, используя известный физический эффект генерации сил Лоренца в постоянном магнитном поле.

При этом сам изобретатель признаётся, что никаких существенных изменений в степени ассоциации молекул воды при её магнитной обработке не происходит. При тепловом движении дипольной молекулы воды перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, вдоль оси Y (см. вектор V), будет возникать момент сил F1, F2 (сила Лоренса), пытающихся развернуть молекулу в горизонтальной плоскости. При движении молекулы в горизонтальной плоскости, вдоль оси Z , будет возникать момент сил в вертикальной плоскости. Но полюса магнита будут всегда препятствовать повороту молекулы, а следовательно и тормозить любое движение молекулы перпендикулярно линиям магнитного поля. Таким образом, в молекуле воды, помещённой между двумя полюсами магнита остаётся только одна степень свободы – это колебание вдоль оси X - силовых линий приложенного магнитного поля. По всем остальным координатам движение молекул воды будет тормозиться. Таким образом, молекула воды становится как бы "зажатой" между полюсами магнита, совершая лишь колебательные движения относительно оси X.

Из этих рассуждений видно, что изменить структуру молекулы сила Лоренца никак не может, а действует она исключительно на движущуюся перпендикулярно силовым линиям магнитного поля молекулу. Когда мы говорим об ассоциации молекул воды, эти физические апелляции к силе Лоренца вообще лишены всякого смысла и абсурдны. Тем более абсурдны выводы о том, что сила Лоренца растягивает молекулу. Поскольку сила Лоренца всегда направлена перпендикулярно скорости движения молекулы, она не создаёт работы и не изменяет энергии заряженной частицы. Она только изменяет направление её движения – отклоняет её с её траектории, ни каким

Рис. Молекула воды в магнитном поле

25

образом не изменяя её энергии и тем более она не может вызвать молекулярные перестройки.

Однако, как считает изобретатель, если заряды диполей воды сориентировать внешним электрическим полем строго регулярно, под углом 90 относительно вектора магнитной индукции, то можно получить необходимый эффект резкого снижения степени ассоциации в водной среде. Хотя совершенно непонятно каким образом это можно достигнуть? Ведь сила Лоренца не способна изменить ни энергию ни структуру молекулы и тем более вызвать перераспределению внутренней энергии между различными видами химических связей - ковалентной и водородной.

Если даже допустить, что при наложении сильного электромагнитного поля на движущиеся диполи молекул воды в электромагнитной ячейке будет происходить генерация собственных электромагнитных полей и наложение - супериндукция поля в результате чего валентный угол в молекуле будет меняться так, что теоретически могут образовываться молекулы с различными валентными углами, то всё равно это изменение валентного угла будет чрезвычайно малым и непостоянным. А эффект изменения валентного угла будет таким незначительным, что это не будет оказывать влияние на свойства воды. И совершенно непонятно, как такое малое изменение валентного угла скажется на ассоциативность молекулы. Например, в самой ассоциативной структуре твёрдой воды – кристалле льда валентный угол молекулы воды близок к 109,5о. При таянии льда межмолекулярные водородные связи ослабевают, расстояние Н-Н несколько сокращается, валентный угол уменьшается. При нагревании жидкой воды происходит разупорядочение кластерной структуры, и этот угол продолжает уменьшаться. В парообразном состоянии воды, где вода присутствует в виде отдельных молекул валентный угол составляет 104,5о, т.е. происходит уменьшение на 5 градусов. Но это уменьшение во первых непостоянное, стоит воде вновь сконденсироваться в жидкость – валентный угол становится приблизительно равным 106о, т.е. увеличивается на несколько градусов и когда вода кристаллизуется в лёд он становится опять близок к правильному тетраэдр, т.е. 109,5о. Но представление о молекуле воды как о линейной структуре для химика – полнейший абсурд, поскольку как известно именно такое строение молекулы воды обусловлено электростатическими силами притяжения и отталкивания между двумя положительно заряжёнными атомами водорода и отрицательно заряженной неподелённой парой атома кислорода. Именно эта свободная пара электронов и разворачивает молекулу в пространстве.

Таким образом, эта антинаучная модель совершенно не объясняет каким образом под воздействием электромагнитного поля и воздействии силы Лоренца происходят такие существенные внутримолекулярные изменения, какие эти, и скажутся ли они или нет на структуре молекулы и её способности к ассоциации. Пока эта модель остается лишь красивой гипотезой, одной из не многих и не более этого.

О. В. Мосин

Судовые водоопреснительные установки

Виды пресной воды на судах. 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.

Основными показателями, определяющими качество пресной воды, являются соленость, характеризуемая содержанием растворенного хлористого натрия, и жесткость, обусловленная наличием в ней солей кальция и магния.

26

Соленость определяется как остаток количества растворенных в воде минеральных солей в хлор-ионах - мг/л Сl. На морских судах соленость чаще выражают в градусах Брандта (°Б). Один градус Брандта соответствует содержанию солей хлора, эквивалентных 10 мг хлористого натрия NaCl в 1 л воды, или в хлор-ионах, 6,06 мг/л Сl.

Средняя концентрация солей в забортной океанской (морской) воде составляет около 3000° Б, или 30 г/л. Общее солесодержание морской воды иногда выражают в промилле (‰). Один промилле 1‰ - тысячная часть или 0,1% солесодержания. Таким образом, содержанию солей 30 г/л соответствует 3‰. В зависимости от солесодержания (минерализации) природная вода может подразделяться на следующие категории:-ультрапресная - <200 мг/л Сl (<33°Б); -пресная - от 200 до 500 мг/л Сl (33 - 82,5)° Б; -с повышенной минерализацией - от 500 до 1000 мг/л Сl (82,5 - 165)° Б; -солоноватая - от 1000 до 3000 мг/л Сl (165 – 495)°Б; -соленая - от 3000 до 10000 мг/л Сl (495 – 1650)°Б; -с повышенной соленостью - от 10 000 до 350 000 мг/л Сl (1650—5780)° Б; -рассол - >50 000 мг/л Сl (>8750°Б).

Жесткость воды оценивалась до настоящего времени в так называемых немецких градусах жесткости (°Н). Один градус жесткости соответствовал содержанию 10 мг СаО и MgO в 1 л воды, при этом все соли кальция и магния пересчитывались на эквивалент по массе.

В СССР степень жесткости воды выражается числом миллиграмм-эквивалентов Ca2+Mg2, содержащихся в 1 л воды.

Для того чтобы перейти от градусов жесткости к миллиграмм-эквивалентам, нужно число градусов жесткости умножить на 0,357, а чтобы перейти от мг-экв/л к градусам жесткости, надо значение в мг-экв/л увеличить в 2,8 раза.По величине жесткости пресная вода подразделяется на -очень мягкую с жесткостью 1,5 мг-экв/л; -мягкую с жесткостью 1,5 - 4 мг-экв/л, -средней жесткости 4 - 8 мг-экв/л; -жесткую 8 - 12 мг-экв/л и -очень жесткую >12 мг-экв/л (например, морская вода в Черном море). В океане средняя жесткость воды составляет 22,5 мг-экв/л.

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.Перечисленные виды пресной воды должны удовлетворять определенным качественным и количественным требованиям и нормативам.

Способы опреснения морской водыСуществующие разнообразные способы опреснения забортной морской воды можно

разделить на две основные группы:-опреснение без изменения агрегатного состояния жидкости (воды); -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.

27

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 110 - 120В ионы солей, растворенных в воде, устремляются к электродам. Положительные катионы через катионопроницаемые 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 злектродиализ целесообразно применять для опреснения слабосоленых вод при допустимом высоком солесодержании опресненной воды (500 - 1000 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. Пресная вода 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 600 - 1000 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 500 - 1000

28

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 изо льда. Способ вымораживания достаточно прост и экономичен, но требует сложного и громоздкого оборудования.

Дистилляция, или термическое опреснение,— наиболее распространенный на морских судах способ получения пресной воды из забортной морской. Как известно, морская вода представляет собой раствор, состоящий из воды - летучего растворителя и солей - нелетучего 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 10 - 12 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 промыслового 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 расплавителе разлагаются на чистую воду и гидрат-агент. В качестве гидрат-агентов для повторного использования в процессе используются такие вещества, как метилбромидгидраты, метилхлоридгидраты, гидраты изобутана.

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.

Классификация опреснительных установок и их принципиальные схемы

29

Дистилляционная опреснительная установка состоит из следующих основных частей:-теплообменных аппаратов: испарителя, конденсатора, водоподогревателя. -насосов: питательного, циркуляционного, дистиллятного, рассольного. -трубопроводов: теплоносителя, забортной воды, пресной воды, рассола. -контрольно-измерительных, сигнальных и автоматических приборов.

Основным признаком, определяющим тип опреснительной установки, является способ испарения морской воды. Дистилляционные опреснители делятся на два класса:-кипящие, или поверхностного типа; -некипящие самоиспаряющиеся, или адиабатные бесповерхностного типа.

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 теплоноситель - пар или горячая вода. 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.

Рис. 1. Схемы дистилляционных опреснительных установок: а - поверхностной (кипящей); б - бесповерхностной (адиабатной).

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 прокачиваетсячерез подогреватель 3 и вновь поступает на испарение, при этом часть рассола выдувается за борт через клапан. Преимущество бесповерхностных испарителей заключается в том, что вследствие

30

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.

Конструкции опреснительных аппаратовНа промысловых судах преимущественно применяются испарители вертикальные

судовые (ИВС) поверхностного типа избыточного давления отечественного производства (Выпускаются также испарители марок ИВС-1, ИВС-2, ИВС-5, являющиеся модернизированными конструкциями выпускавшихся ранее опреснителей типа ВИ, производительностью 3—10 т/сут. Цифра в марке испарителя означает поверхность нагрева греющей батареи в метрах квадратных.). Конструкция и общий вид испарителя ИВС-3 изображены на рис1.

Корпус испарителя 5 выполнен в форме вертикального цилиндра из меди и покрыт тепловой изоляцией 6. Это обеспечивает значительный объем над зеркалом испарения при сравнительно небольших габаритах. В нижней части корпус снабжен фланцем для бронзовой крышки 12, к которой крепятся трубки батарей для отвода и подвода греющего пара. Змеевики 11 нагревательной батареи выполнены из красномедных трубок, изогнутых в виде плоской спирали. Они закреплены неподвижно с помощью опорных крестовин 9 и трубок 10 и прижаты к гнездам в крышке накладками с болтами. Поддержание постоянного уровня рассола в испарителе осуществляется поплавковым

регулятором уровня 7 и контролируется по мерной трубке 8. Сепарация пара от влаги осуществляется последовательно в двух сепараторах: горизонтальном жалюзийном 4 и концентрическом кольцевом 2.

Отвод влаги от сепаратора производится через дренажную трубку 3. При превышении давления в испарителе пар стравливается через предохранительный клапан 1.Недостатком испарителя ИВС, как и других опреснителей поверхностного типа, является

Рис. 1. Испаритель избыточного давления ИВС-3 на БМРТ типа "Маяковский". 31

быстрое образование накипи на поверхности змеевиков, в результате чего снижается производительность и требуется большой расход теплоты на продувание рассола.

Конструкция испарителя поверхностного типа 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 передаюттеплоту на испарение рассола и уходят через патрубок 6 в атмосферу.

В нижней крышке 13 расположены входной 12 и выходной 11патрубки 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.

На промысловых судах РТМ типа «Тропик» в опреснительных установках вакуумного бесповерхностного типа с использованием утилизационной теплоты охлаждающей водыприменяется испаритель-конденсатор адиабатного испарения, конструкция которого изображена на рис. 3. Он состоит из вертикального цилиндрического сварного корпуса 9, к которому крепятся на болтах цилиндрическая вставка 15, нижняя 18 и верхняя 5 крышки. В трубных досках 6 и14 запрессованы концы вертикальных трубок 8 конденсатора, расположенные внутри корпуса концентрично. Межтрубное пространство конденсатора отделено от

испарительной камеры цилиндром 11 с двойными стенками. Для сборки дистиллята к нижней трубной доске прикреплен кольцевой коллектор 17

Забортная морская вода, предварительно нагретая до 50° С в теплообменниках от воды систем охлаждения главных и вспомогательных дизелей, через патрубок 22 поступает в кольцевую трубку 20 и через небольшие (0,5 мм) отверстия подается в распыленном состоянии в камеру испарения. Вследствие глубокого вакуума

Рис. 2. Испаритель вакуумный поверхностный утилизационный установки СРТ.

Рис. 3. Испаритель-конденсатор вакуумный бесповерхностный адиабатный на РТМ типа "Тропик". 32

(~90%) капельки воды испаряются за счет внутренней теплоты. Образовавшийся пар поднимается вверх и, изменяя свое направление, проходит через две решетки 7 и отбойную внутреннюю крышку 3, где сепарируется. Отделившиеся капельки воды стекают в воронку 10 и по трубке 24 отводятся в нижнюю часть испарителя, где вместе с оставшимся рассолом отсасываются через патрубок 21. Пар, проходя по трубкам конденсатора вниз, охлаждается и конденсируется за счет забортной воды, подаваемой через патрубок 13 в межтрубное пространство. Дистиллят стекает в нижний сборный коллектор 17, а оттуда через патрубок 16 - в бак. Воздух, скапливающийся в пространстве между верхней и отбойной крышками, отсасывается через патрубок 2 вакуумным насосом водокольцевого типа. Патрубки 1 и 19 соединены с уравнительными трубопроводами бака дистиллята. Для контроля на испарителе-конденсаторе установлены водомерное стекло 23, термометр 12 иприсоединенный к патрубку 4 вакуумметр. Лапами 25, приваренными к корпусу, испаритель-конденсатор крепится к набору судна. Производительность опреснителя по паспорту 15 т/сут.

На промысловых судах РТМ типа «Атлантик», ППР типа «Грумант» и промысловой базе типа «Рыбацкая слава» установлены блочные вакуумные опреснители, использующие утилизационную теплоту охлаждающей системы дизелей (датской фирмы «Атлас» и отечественного производства типа Д), работающие по идентичному циклу.

Конструкция опреснителя типа «Атлас» (Д) изображена на рис. 4.Как видно из схематического разреза (рис. 4, б) блок состоит из трех основных

теплообменных аппаратов, объединенных в одном агрегате: испарителя 1 (А — на схеме), сепаратора 3 (В) и конденсатора 6 (С). Трубные доски и трубы испарителя и конденсатора изготовлены из бронзы. Крышки конденсатора - чугунные, корпус — из нержавеющей стали; остальные части - из высококачественной стали. Сепаратор 3 (рис. 4, а) покрыт изнутри слоем пластмассы. Днище испарителя 1 и торцевые крышки конденсатора 6 покрыты изнутри антикоррозионным материалом. На корпусе опреснителя установлены арматура и контрольно-измерительные приборы: расходомер 2 дистиллята, водомерное стекло 4, кран для спуска воздуха 5, тревожный сигнализатор-зуммер 7, соленомер 8, термометры 9, манометры 10, вакууметр 11, расходомер воды 12, клапаны: предохранительный 13, вакуум-прерывательный 14, спускной 15, невозвратные 19 и 20 для водяного и воздушного эжекторов, регулировочный 23 и невозвратный 24, запорный ниппель 21 для расходомера забортной воды, клапан 22, нагруженный пружиной, пробный кран 25, соленоидный клапан 26 и невозвратный клапан 27 для него.

Установка обслуживается следующими насосами: эжекторами 17 и 18 для воды и воздуха, эжекторным насосом 28, насосом 29 для пресной воды (дистиллята) и циркуляционным насосом 16 для конденсата (при работе установки на паре).

Римскими цифрами (I—VIII) обозначены присоединительные патрубки трубопроводов.

33

Рис. 4. И

спаритель-конденсат

ор-сепаратор т

ипа "Ат

лас" а - конструкция;

б - схемат

ический разрез.

На современных промысловых судах получили распространение многоступенчатые бесповерхностные адиабатные опреснители, обладающие высокими экономическими показателями. Они имеют наиболее высокий коэффициент полезного использования теплоты и значительную производительность.

На рис. 5 изображена конструкция пятиступенчатого опреснителя бесповерхностного адиабатного типа М-5.

Рис. 5. Конструкция пятиступенчатого опреснителя бесповерхностного адиабатного типа М-5.

Основой опреснительного агрегата является пятикамерный корпус, который с помощью опорных лап 3 крепится к фундаментной раме. Каждая камера разделена на две части: нижнюю - испарительную и верхнюю - конденсаторную с жалюзийным сепаратором 7, очищающим пар от капель рассола. Нижняя испарительная часть камер изготовлена из листовой углеродистой стали, а верхняя с встроенным конденсатором 1 - из нержавеющей стали, трубки - мельхиоровые, трубные доски - латунные; крышки - сварные из листов медно-никелевого сплава. Крышки 9 конденсаторов имеют внутри цинковые протекторы для предохранения от коррозионного разъедания. Для осмотра внутренних поверхностей камер и их чистки на переднем фронте корпуса предусмотрены лазы, закрываемые крышками 2, вкоторых имеются смотровые окна 11. К днищу камер приварены трубы 5, по которым забортная питательная вода подается в камеры испарения. Отбойные колпаки 6 выполняют роль отражателей, препятствуя уносу крупных капель воды с паром. Неиспарившийся рассол удаляется из камер через, спускные трубы 4, которые соединяются с питательными трубами последующих камер испарения.

Дистиллят, собирающийся в сборниках конденсатов, перетекает из одной камеры в другую через перепускные трубы 10,являющиеся гидрозатворами. Воздух из камеры в камеру перепускается через коленчатые патрубки 8.

Корпус опреснителя покрыт снаружи тепловой изоляцией, и имеет кронштейны и приварыши для крепления приборов и оборудования.

Тепловые схемы испарительных и опреснительных установокТепловые схемы водоопреснительной установки РТМ типа «Тропик» с

использованием теплоты охлаждающей системы главного двигателя и с адиабатным бесповерхностным испарителем изображены на рис. 1. В принципиальной схеме (рис. 1, а) вода из замкнутой системы охлаждения двигателя 1 прокачивается циркуляционным насосом 7 через водо-водяной теплообменник-подогреватель 2. За счет теплоты охлаждающей воды нагревается забортная вода, прокачиваемая по змеевику теплообменника после конденсатора-испарителя 4 питательным насосом 8. Из теплообменника морская вода поступает в испарительную камеру, где разбрызгивается и частично испаряется за счет внутренней теплоты. Образовавшиеся пары поступают в

конденсационную камеру, откуда образовавшийся дистиллят откачивается насосом 5, Неиспарившаяся часть морской воды откачивается рассольным насосом 6.

Рис. 1. Тепловая схема опреснительной установки РТМ типа "Тропик": а - принципиальная; б - модернизированная.

Для повышения экономичности и эффективности работы опреснительной установки в тепловой схеме предусмотрен паровой подогреватель 3 (Рис. 1, б) для предварительного подогрева питательной воды перед входом в испаритель 4. Кроме того, на РТМ «Кассиопея» и «Козерог» произведена модернизация, заключающаяся в рециркуляции рассола - подогрев забортной воды в результате ее смешивания с частью откачиваемой из испарителя рассола. Для этого дополнительно проведен перепускной трубопровод 11.

Рециркуляция рассола позволяет уменьшить количество забортной воды, подаваемой в систему, и добиться постоянной ее температуры перед теплообменником путем регулирования количества перепускаемого рассола независимо от температуры забортной воды. Утилизационные опреснительные установки типа Д все чаще применяют с использованием теплоты охлаждающей системы дизелей в испарителях поверхностного кипящего типа отечественного производства.

Тепловая схема опреснительной установки типа Д производительностью 5 т/сут, установленной на БМРТ «Север», показана на рис. 2.

Забортная вода прокачивается насосом 1 через конденсатор 6, откуда она поступает к рассольно-воздушному эжектору 2. Часть этой воды через невозвратно-запорный клапан 3 и ротаметр 4 направляется в испаритель 6. Греющая вода из системы охлаждения дизеля циркулирует в межтрубном пространстве батареи 5, и через стенки передает теплоту забортной воде, испаряющейся внутри трубок. Остающийся после испарения рассол из камеры испарения и паровоздушная смесь из конденсатора откачиваются эжектором за борт для поддержания необходимой концентрации испаряющейся воды и требуемого вакуума.

36

Вторичный пар, образовавшийся при испарении морской воды, сжижается в конденсаторе и поступает в сборник дистиллята 7, откуда насосом 8 через поплавковый регулятор уровня, ротаметр 11 и датчик соленомера 10 поступает к электромагнитному автоматическому клапану 9. В зависимости от солености дистиллята он направляется в цистерну пресной воды или обратно в испаритель.Рациональная утилизационная поверхностная опреснительная установка датской фирмы «Атлас» установлена на судах ППР типа «Грумант», РТМ типа «Атлантик» и плавбазах типа «Рыбацкая слава».Тепловая схема водоопреснительной установки типа «Атлас» показана на Рис. 3.

Опреснитель состоит из испарителя А, сепаратора В и конденсатора С. Работа опреснителя состоит в следующем. Часть охлаждающей воды, выходящей из системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания, при температуре обычно 60 - 65° С пропускается через испаритель А и, циркулируя с наружной поверхности его трубок, нагревает морскую воду, проходящую по трубкам. Забортная соленая вода испаряется при температуре около 38 °С, являющейся температурой ее насыщения благодаря вакууму ~93%, создаваемому в опреснителе эжектором. При изменении температуры забортной

Рис. 2. Тепловая схема опреснительной утилизационной установки типа Д.

Рис. 3. Тепловая схема вакуумной утилизационной установки типа "Атлас".

37

воды выше или ниже 30— 32 °С соответственно и температура насыщения в испарителе будет выше или ниже 38 °С.

Вследствие низкой температуры испарения и в связи с тем, что в испаритель подается в три-четыре раза больше греющей воды, чем питательной забортной, образование накипи на его трубках будет минимальным.

Водяной пар, образующийся в испарителе А, проходит через сепаратор В, где осушается благодаря механической сепарации отбойным щитом, и направляется в конденсатор С. Здесь от охлаждающего действия забортной воды, прокачиваемой внутри трубок конденсатора, пар конденсируется и пресная вода (дистиллят) отводится от опреснителя.

В случае необходимости опреснительные установки могут работать на свежем паре, подводимом от вспомогательных парогенераторов.

Установка обслуживается эжекторами, один из которых соединен с конденсатором С и обеспечивает отсос воздуха для создания вакуума. Другой эжектор отсасывает из сепаратора В соленую воду, не успевшую испариться и занесенную из испарителя в сепаратор. Кроме эжекторов в установке имеются два центробежных одноступенчатых насоса, один из которых обеспечивает эжекторы рабочей водой, а другой откачивает пресную воду из конденсатора в цистерны пресной воды.

На корпусе опреснителя установлены: клапан-прерыватель вакуума 1, термометры 2, вакуумметр 3, предохранительный клапан 4, воздухоспускные клапаны 5, соленоидный клапан 6, спускной клапан 9 и водомерное стекло 33.

Горячая вода подается в испаритель из системы охлаждения двигателей по трубопроводу II, а выпускается — по трубопроводу I. Морская охлаждающая вода по трубопроводам IV и III прокачивается насосом 12 через конденсационные трубки. Из конденсатора часть охлаждающей воды уходит за борт по трубопроводу VII, а остальное количество по трубопроводу V отсасывается эжекторным насосом 13 и нагнетается по двум направлениям: часть по трубопроводу с манометром 11 к эжекторам (воздушному 8 и водяному 7), которые обеспечивают вакуум в конденсаторе и сепараторе; другая часть поступает в испаритель через расходомер 10 или, минуя его, через клапан 14 и регулировочный и пружинный клапаны 15 и 16 в испаритель для опреснения.

В качестве теплоносителя вместо горячей воды в установке можно использовать свежий пар, идущий из вспомогательного парогенератора по магистрали VI через фильтр 32, редукционный клапан 31, сопло 30 и запорный клапан 28. Давление и температура контролируются манометром и термометром; в случае превышения нормального давления пар стравливается через предохранительный клапан 29 и трубопровод VIII в атмосферу. Конденсат из испарителя отсасывается насосом 18 и через фильтр 19 может направляться для повторной циркуляции в испаритель.

Давление конденсата контролируется манометром, установленным у клапана 27, который пропускает конденсат через клапан 25 и выпускной конденсатный трубопровод XII.

Отвод образующегося конденсата от опреснителя осуществляется через клапан 26 по трубопроводу XI. Дистиллят из опреснителя отсасывается насосом 21 и по трубопроводу X направляется в емкость для пресной воды. Качество получаемого дистиллята контролируется соленомером 24 от датчика 20. В случае засаливания дистиллята подается сигнал зуммером 23.

Пробу дистиллята можно отбирать через кран 22 по трубопроводу с соленоидным клапаном 17 от сепаратора В. В случае необходимости дистиллят через клапан и трубопровод IX можно спустить за борт.

Тепловая схема пятиступенчатого бесповерхностного адиабатного опреснителя типа М, установленного на РПБ «Восток», изображена на Рис. 4. Забортная вода циркуляционным питательным насосом 2 засасывается через фильтр 1 и подается через расходомер 3 в конденсаторы опреснителя 4. Проходя последовательно по змеевикам

38

ступеней опреснителя, вода повышает свою температуру за счет теплоты конденсирующегося водяного пара. Перегрев питательной воды осуществляется при прохождении конденсатора 5 эжектора и парового подогревателя 8.

Перегретая по отношению к температуре насыщения, соответствующей давлению в первой ступени испарителя, питательная вода, проходя последовательно камеры испарения, испаряется в каждой ступени с I по V последовательно, так как давление в ступенях все время снижается.

Поддержание в ступенях вакуума осуществляется двухступенчатым пароструйным эжектором 6, который отсасывает воздух через систему дроссельных шайб, обеспечивающих создание необходимого перепада давлений в камерах.Для уменьшения накипеобразования расчетная температура забортной питательной

воды за подогревателем равна 77 °С. В каждой ступени вода охлаждается на 7° и отсасывается из последней ступени V рассольным насосом 15 при температуре 42 °С. Поддержание температуры забортной воды за подогревателем на требуемом уровне осуществляется автоматически регулятором 7, получающим импульс от датчика 9.

Вторичный пар, образовавшийся в камерах испарения, сепарируется и конденсируется. Образовавшийся в конденсаторах дистиллят под действием разности давлений перетекает по ступеням в сборник дистиллята 21. Из сборника он отсасывается дистиллятным насосом 20 и через регулятор уровняв типа РУК и ротаметр 17 подается к автоматическому переключающему клапану 16, который в соответствии с импульсом от датчика соленомера 19 направляет дистиллят в цистерну пресной воды или на сброс. По аналогичной схеме происходит откачивание конденсата греющего пара из подогревателя насосом 11, регулятором уровня 12 и переключающим автоматическим клапаном 14, действующим от датчика 10.

Рециркуляция рассола забортной воды по замкнутому контуру используется для химической чистки теплообменных поверхностей 5%-ным раствором ингибированной соляной кислоты и осуществляется специальным насосом 13. Установка выводится на режим и работает автоматически, что обеспечивается наличием:-регулятора температуры подогрева забортной питательной воды для поддержания заданной производительности; -контрольных приборов, обеспечивающих номинальную соленость дистиллята и конденсата; -регулятора РУК, обеспечивающего устойчивую работу дистиллятного и конденсатного насосов; -системы автоматического регулирования и защиты, осуществляющей:- выключение установки при отклонениях температуры подогрева питательной воды или повышении температуры и уровня рассола в камерах испарения; - сигнализацию о ненормальной работе установки на режиме и срабатывание защиты по любому из перечисленных импульсов.

Рис. 4. Тепловая схема пятиступенчатого бесповерхностного адиабатного опреснителя типа М.

39

Как уже упоминалось, дистиллят, получаемый в вакуумных опреснителях, для использования в качестве питьевой воды должен подвергнуться соответствующей обработке, которая заключается в минерализации и озонировании.

Нанотехнологии на службе опреснения морской воды

Традиционные технологии опреснения морской воды очень энергоемки, поэтому немецкие ученые работают над совершенствованием более экономичного метода на основе обратного осмоса.

Как известно, многие регионы мира испытывают острый дефицит пресной воды. Один из путей его преодоления - опреснение воды морской. Беда лишь в том, что традиционно используемая для этого технология дистилляции, то есть, проще говоря, выпаривание и конденсация,

чрезвычайно энергоемка. Именно это обстоятельство и побуждает инженеров работать над совершенствованием альтернативных методов опреснения воды.

Наиболее перспективной считается технология на основе так называемого обратного осмоса. Речь идет о подаче раствора, в данном случае морской воды, под давлением на специальную полупроницаемую мембрану, которая пропускает растворитель, то есть воду, и задерживает растворенное вещество, то есть морскую соль. В последние годы наиболее активно разработка таких специальных мембран ведется в Научно-исследовательском центре GKSS в городке Гестхахт на севере Германии. Здесь, в Институте изучения полимеров, уже давно разрабатывают мембраны самого разного назначения - для очистки сточных вод, для фильтрации выбрасываемых в атмосферу промышленных газов, для опреснения морской воды. "Вот эти последние мы и пытаемся усовершенствовать", - говорит профессор Клаус-Виктор Пайнеман (Klaus-Viktor Peinemann).

Толщина самой фильтрующей мембраны составляет всего 0,1 микрометра - это в сто раз тоньше человеческого волоса. Однако она должна выдерживать давление в 70, а то и 80 бар. Это возможно только при наличии специальной опорной структуры. Поэтому стандартная пленка для установок опреснения морской воды представляет собой нечто вроде трехслойного сэндвича: нижний слой - ткань с крупными порами, следующий слой - микропористая ткань с порами в полмикрометра, и лишь затем - сверху - полимерная фильтрующая мембрана.

Мембрана, утыканная нанотрубками

Установки на основе технологии обратного осмоса успешно функционируют, обеспечивая десятикратную экономию энергии по сравнению с технологией дистилляции. Правда, у ученых до сих пор нет единого мнения относительно механизма проникновения воды сквозь фильтрующую

Обратный осмос в действии

40

мембрану, однако большинство склоняется сегодня к тому, что вода просто диффундирует сквозь полимерный материал мембраны. Это и навело профессора Пайнемана на идею интегрировать в мембрану мельчайшие поры, столь тонкие, что они пропускали бы молекулы воды, но задерживали более крупные молекулы соли.

По словам ученого, для этой цели оптимально подходят так называемые углеродные нанотрубки - миниатюрные пустотелые цилиндрические структуры из чистого углерода. Внутренний диаметр нанотрубок, предназначенных для интеграции в фильтрующую мембрану, не должен превышать 1 нанометра - это в 50 тысяч раз тоньше человеческого волоса, - иначе сквозь них проскользнут и молекулы соли.Расчеты показывают, что мембрана, густо усеянная такими миниатюрными капиллярами, теоретически способна обеспечить весьма значительное - от десяти- до стократного - увеличение скорости опреснения воды. Правда, эти расчеты пока не получили экспериментального подтверждения, - признается профессор Пайнеман: "До сих пор мы смогли в лаборатории получить лишь крохотные образцы такой наномембраны. Но те немногие измерения, которые нам все же удалось на них провести, говорят о реалистичности таких расчетных оценок".

Хаос дешевле порядка

Впрочем, на пути к серийному изделию разработчикам предстоит преодолеть еще немало трудностей. Во-первых, однослойные нанотрубки с указанными выше параметрами обходятся пока довольно дорого. Во-вторых, до сих пор никто не смог предложить эффективный метод интеграции миллионов нанотрубок в полимерную мембрану. Американские и австралийские исследователи, работающие в этом направлении, не жалеют сил на то, чтобы расположить нанотрубки в мембране строго упорядоченно, параллельно друг к другу и перпендикулярно к поверхности

мембраны. Профессор Пайнеман выбрал иной подход: "Поскольку толщина мембраны примерно 0,1 микрометра, а длина нанотрубок – 1-2 микрометра, мы просто добавляем как можно больше нанотрубок в полимер при производстве мембраны, ничуть не заботясь об их упорядочении. Ведь даже при самом хаотичном расположении нанотрубок окажется немало таких, которые протыкают мембрану насквозь, так что одно отверстие трубки находится по одну сторону мембраны, а второе - по другую. Этого должно быть достаточно".

Новый проект - новые партнерыПока профессору Пайнеману и его коллегам удалось таким методом повысить

пропускную способность стандартной мембраны лишь на 40-50 процентов. Это хоть и немало, однако очень далеко от расчетных показателей. К тому же при этом слегка снизилась и эффективность опреснения - с 98 до 95 процентов. Так что о подлинном прорыве говорить пока рано. Но зато исследования, начатые пять лет назад в рамках недавно завершившегося европейского проекта NanoMemPro, ведутся теперь в рамках нового проекта CarboMembran, к которому подключились химический концерн Bayer - один из крупнейших производителей углеродных нанотрубок, - многопрофильный

Научно-исследовательский центр GKSS в Гестхахте

41

технологический концерн Siemens, а также Рейнско-Вестфальская высшая техническая школа в Ахене. А это уже внушает надежды на скорый успех.

Автор: Владимир ФрадкинРедактор: Ефим Шуман

Список литературы

1. Все про Воду. http://provodu.kiev.ua/2. Вокруг света, №5 (2812) | Май 2008, Рубрика «Ярмарка идей»3. Агентство Политических Новостей. Проект Института Национальной

стратегии. 2009-01-26. http://www.apn.ru/publications/article21253.htm4. Наука и жизнь / Архив журнала «НАУКА И ЖИЗНЬ» / Наука на марше /

Технология, №12, 2007 год5. Всё о воде. http://www.o8ode.ru/article/planetwa/oprecnenie/elcomment.htm6. Морское агентство ТРАНС-СЕРВИС. Полезная информация. http://www.trans-

service.org/ru.php?section=info&page=s_s_u&subpage=sud_vspom_meh_027. Наука и техника | 18.05.20098. Розенфельд Л.М. Примеры и расчеты холодильных машин и аппаратов,1960

42