Опреснитель морской воды


     Papalashvili Dimitri Papalashvili Dimitri       Georgia, Tbilisi,  2459226      E-mail: d170347@gmail.com
Автор статьи - Александр Сярг из России, г.Москва. Покоритель сложной и опасной вершины "Пик Победы".

Статья опубликована с разрешения автора.

ПРЕЗЕНТАЦИЯ ОПРЕСНИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ.

1. Преамбула

Опреснение воды для промышленных и бытовых нужд осуществляется на опреснительных установках.
В зависимости от используемого метода, энерго-затраты на кубический метр составляют от 0,7 кВт до 20 кВт
(2,5–72 МДж). (Справочник необходимых знаний)

2. Рынок технологий опреснения морской воды.

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

Проблема

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


Кризис будет спровоцирован ростом населения планеты.
По оценкам ООН, к 2030 году оно увеличится с 6 до 8.5 млрд человек.
Сейчас на обеспечение пищей одного человека, имеющего традиционный для индустриальной развитых стран рацион, ежегодно расходуется 2.5-3 тыс. литров воды.
Если же численность населения увеличится на 2.5 млрд, то на их пропитание потребуется изыскать дополнительные 2 тыс. куб. км воды.
В подобных условиях острого дефицита пресной воды особую актуальность приобретают альтернативные технологии пополнения водных ресурсов, в том числе и за счет опреснения морской воды.

Запасы воды

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

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

Одним из наиболее перспективных путей обеспечения пресной водой является опреснение соленых вод Мирового океана.
Целесообразность данного пути подтверждается тем фактом, что 60% населения планеты живет в приморской полосе шириной 65 миль.
Кроме того большие площади засушливых и малообводненных территорий примыкают к океанским берегам или находятся поблизости от них.
Таким образом, океанские и морские воды могут стать ценным источником водных ресурсов для промышленного использования.
Их огромные запасы практически неисчерпаемы.
Однако на современном уровне технологического развития применение технологий опреснения не везде экономически оправдано.

Структура потребления пресной воды, полученной промышленным способом, распределяется следующим образом:
• муниципалитеты – 66.2%
• промышленные объекты – 23.5%
• энергообъекты – 5.5%
• сельское хозяйство – 1.7%
• другие – 3.1%.
Наиболее востребована на рынке технология обратного осмоса.

Рынок

По состоянию на конец 2009 года в мире представлено 14 451 опреснительных заводов совокупной мощностью
59.9 млн куб. м в день.
По сравнению с 2008 годом прирост мощности составил 12.3%. Кроме того, 244 опреснительных установок (дополнительно 9.1 млн куб. м в день) находятся в стадии строительства.
Всего технологии опреснения морской воды применяются в 150 странах мира.
Средний объем производства пресной воды составляет около 38 млн тонн в год.
Рынок технологий опреснения соленой воды стремительно развивается.
Около 62.4% общего объема промышленного производства пресной воды составляют воды Мирового океана.



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

Структура потребления пресной воды, полученной промышленным способом, распределяется следующим образом:
• муниципалитеты – 66.2%
• промышленные объекты – 23.5%
• энергообъекты – 5.5%
• сельское хозяйство – 1.7%
• другие – 3.1%.
Наиболее востребована на рынке технология обратного осмоса.



Рисунок 3. Структура производства пресной воды по типу используемых технологий (источник:IDA)

Самые мощные опреснительные установки расположены в странах Ближнего Востока.
В качестве примера крупнейшей системы опреснения можно привести Shoabia 3 (западное побережье Саудовской Аравии), выпускающей 880 000 куб. м пресной воды в день.
Также в регионе на стадии строительства находятся 7 установок мощностью более 400 000 куб.м в день для каждой.
Вместе с тем тенденцией последних лет стало расширение географических рамок рынка опреснения морской воды.
Ближний Восток по-прежнему является крупнейшим потребителем пресной воды из Мирового океана.
Однако масштабные программы государственной поддержки отрасли стимулировали спрос на технологии в таких регионах, как Австралия, Алжир и Испания.


Таблица 2. Топ-10 стран по объему установленных мощностей по опреснению
морской воды в 2009 году (источник:IDA)

По оценкам экспертов, в ближайшие 10 лет рынок технологий опреснения морской воды вырастет на 60%: с текущих 10 млрд долларов до 16 млрд долларов в 2020 году.
Основными драйверами роста станут Алжир, Испания и Австралия. Кроме того, рост спроса ожидается на развивающихся рынках Китая, Индии и США.
На развитие рынка данного оборудования большое влияние оказало внедрение технологии обратного осмоса, в соответствии с которой морская вода под давлением в 60 бар (~атм.) пропускается через органические мембраны.
Традиционные опреснительные установки с использованием технологии выпаривания представляют довольно сложные сооружения, так как должны быть агрегированы с ТЭЦ, обеспечивающей дешевую тепловую энергию.
Это условие отпадает в мембранных установках, так как они требуют лишь электроэнергии и состоят из легко собираемых модулей.
Свидетельством подъема на рассматриваемом рынке являются два крупных контракта,
заключенных осенью 2001 г.

Французская компания «Ondeo Degremont» получила заказ на сооружение самого крупного в мире опреснительного комплекса годовой мощностью 62 млн. м3 в эмирате Фуджейра (ОАЭ), стоимостью 160 млн.
Евро, Другая французская компания - «Vivendi Environnement» будет строить опреснительную установку годовой мощностью 50 млн. м3 и стоимостью ПО млн. Евро близ г. Тель-Авив (Израиль).
По мнению экспертов, в будущие годы наибольший спрос на оборудование для опреснения морской воды будут отмечаться на Аравийском полуострове и в Северной Африке (здесь установлено 53% всех мощностей), на юге Европы, в американских штатах Флорида и Калифорния (17% установленных мощностей).
Согласно прогнозу специалистов, в период с 1999г. по 2004-2005 гг. инвестиции в строительство новых опреснительных мощностей составят примерно 20 млрд. долл. США.
Так, Израиль намеривается выставить запрос на установку годовой мощностью 30 млн. м3.

Строительство новых крупных установок проектируется в ОАЭ и Сингапуре (годовой мощностью до 120 млн. м3).
Лидерами рынка рассматриваемого оборудования являются 5 фирм. Первое место в мире по обороту занимает французская компания «Vivendi Environnement».
В 2000г. ее оборот составил 1,135 млрд. Евро, чему способствовало приобретение в 1998г. французской компании «Sidem» и недавно - американской «US Filter».
На данную фирму приходится 15% установленных в мире опреснительных мощностей.
Второе место занимает «Ondeo Degremont» филиал «Suez-Lyonnaiseles Eaux», ее оборот в 2000г, составил 854 млн. Евро.
За ней следуют (в скобках - оборот в млн. Евро): американская фирма «Lonics» (398) и две испанские -«Pridesa» /в 2000г. приобретенная группой «Iberdrola» (84)/ и «Cadaqua» (80).


Фото типового опреснительного производства

3. Проблемы и недостатки применяемых технологий.

Дефицит пресной и чистой воды ощущается на территории более 40 стран, расположенных, главным образом, в аридных, а также засушенных областях и составляющих около 60% всей поверхности земной суши.
Этот дефицит может быть покрыт опреснением соленых (солесодержание более 10 г/ л) и солоноватых (2-10 г/л) океанических, морских и подземных вод, запасы которых составляют 98% всей воды на земном шаре.
При значительном удалении пресноводных источников опреснение соленой воды на месте стоит дешевле пресной воды, поступающей по водоводам.
При водопотреблении до 4000 м3/сутки опреснение соленой воды на месте выгоднее, чем подача пресной воды больше 65 км; при водопотреблении 11000 м3/сутки -выгоднее, чем подача пресной воды на расстояние, большее 160 км и 480 км при водопотреблении 200000 м3/ сутки.
К тому же состояние современных пресноводных источников таково, что дороже их очищать, чем опреснять морскую воду.

Перманентная нехватка пригодной к употреблению воды (в первую очередь, для питья, приготовления пищевых продуктов, выращивания пищевых растений) и постоянная опасность обезвоживания человеческой жизнедеятельности и водоёмких видов (отраслей) народного хозяйства вызывает повышенную обеспокоенность израильской общественности и превратилась в важнейшую национальную социальную проблему.
Для разрешения этой проблемы необходимо срочно найти и реализовать пути и способы создания и поддержания надёжной системы экономически и экологически приемлемого дополнительного водоснабжения страны.
Поиск оптимального решения проблемы не прекращается ни на минуту.
Уже обнародован ряд конкурирующих друг с другом предложений. Отдельные из них даже реализуются властями и некоторыми хозяйствующими субъектами..
Наибольшее продвижение достигнуто на пути создания системы дополнительного водоснабжения в Израиле на базе опреснения морской воды.

В Ашкелоне уже работает первая в стране опреснительная установка, которая должна производить 50 млн. кубометров пресной воды в год.
Начато проектирование второй установки, которую планируется построить под Хадерой.
Апологеты этого направления решения проблемы водоснабжения торжествующе сообщают, что Израиль скоро займёт первое место в мире по насыщенности опреснительными установками.
Начальник отдела планирования Управления водных ресурсов Израиля д-р Йосэф Дрейзин заявил, что планируется создать в стране опреснительные установки производительностью от 450 до 800 кубометров опреснённой воды в год.
Стоимость их сооружения ожидается в пределах от 400 до 900 млн. USD, а эксплуатационные расходы могут превысить 200 млн. USD в год.
Однако объективные данные свидетельствуют о том, что опреснение воды допустимо только как вспомогательный источник дополнительного водоснабжения, а ставка на него как на базовый источник пригодной к употреблению воды глубоко ошибочна, так как этот источник высокозатратен, весьма ограниченно пригоден и экологически очень опасен.

Вдохновители и исполнители идеи решения проблемы питьевого водоснабжения Израиля путём опреснения и последующего употребления воды Средиземного моря очень настойчиво добивались своей цели, обращаясь во многие ведомства, к авторитетным государственным и общественным деятелям, а также приучая нас через средства массовой информации к неизбежности питья опреснённой морской воды.
Однако мне не удалось найти их публикаций, содержащих медико-экологические характеристики опреснённой морской воды и экономическое сравнение процессов опреснения морской воды с другими способами и технологиями дополнительного водоснабжения Израиля.
Поэтому я попробую в какой-то мере восполнить упущенное ими.
На современном этапе научно-технического развития человечества имеется три группы не преодолённых вредных и даже смертельно опасных медико-экологических препятствий использованию вод морей и океанов для поддержания жизни людей, животных и пищевых растений – засоленность этих вод, повышенная концентрация в них "тяжёлой воды" и их загрязнённость продуктами деятельности человеческого сообщества.
При этом затратность попыток снабдить население и экономику Израиля "обезвреженной" морской водой намного превышает стоимость применения других источников водоснабжения.

В интервью популярному израильскому журналисту Марку Горину, опубликованном 12 июня 2006 года в газете "Спутник Севера", самый известный и настойчивый апологет "утоления жажды" населения и экономики Израиля путём опреснения средиземноморской воды профессор Юрий Колодный посчитал достаточным один единственный аргумент в пользу своей концепции, заключающийся в том, что в Мировом океане сосредоточено 97% запасов воды на планете Земля (правда, в другой части того же интервью профессор, видимо, сам того не заметив, ниспроверг приведенный им выше аргумент, заявив, что сейчас человечество использует только 0,7% разведанных земных запасов пресной воды, той самой, к потреблению которой "приспособлены" и человек, и почти все прочие организмы, живущие на Земле)
Современный Мировой океан занимает около 71% поверхности нашей планеты и при средней глубине в 4 км содержит 1370 миллионов кубических километров воды, что составляет примерно 99,4...99,6 % известных водных запасов Земли.
Содержимое этого огромного водного резервуара - это сложный раствор многочисленных химических элементов и соединений, практически неисчерпаемое хранилище химических, биологических, энергических и топливных ресурсов планеты Земля.

Из 160 известных химических элементов 70 обнаружено в морских и океанских водах.
А Артур Кларк, автор научно-популярной книги "Человек, который вспахал море", считает, что "любой известный элемент можно отыскать в морской воде"
В каждом кубическом километре морской воды растворено, в среднем,
35 млн. тонн твёрдых веществ, что и придаёт морской воде, в отличие от пресной, характерную солёность.
Солевую массу морей и океанов образуют поваренная соль, магний, сера, алюминий, медь, уран, серебро,
золото и др.
Значительная часть веществ, засаливающих морскую и океанскую воду, полезна для человечества, а в ряде случаев оказывается рентабельной даже их добыча из воды морей и океанов.
Есть среди них также вредные и опасные вещества.
Но в любом случае, как хорошо известно, живые организмы, приспособленные к потреблению пресной воды, не могут питаться солёной морской водой, отторгают такую воду.
Опреснение морской воды или, иными словами, удаление из неё солевых масс явилось попыткой преодолеть это отторжение.

Никаких других целей процесс опреснения воды в чистом виде не преследует и никаких других задач не решает.
В настоящее время известно более 30 способов опреснения морской воды, но даже новые современные промышленные технологии не обеспечивают полного обессоливания больших масс морской воды, из-за разнообразия солей и очень высокой энергетической стоимости (энергоёмкости).процессов опреснения.
Поэтому опреснённая в больших количествах морская вода имеет, низкие вкусовые и, часто, визуальные качества, а часто опасна для здоровья.
Этот результат не изменился с тех пор, как более ста лет тому назад русский писатель-маринист К.М.Станюкович в нашумевшей в своё время повести "Вокруг света на "Коршуне" (1895 г.) писал, что отправляясь в плавание, моряки старательно запасались пресной водой, "чтобы по возможности избежать питья океанской воды".
Другим отличительным свойством вод морей и океанов, препятствующим их участию (даже после опреснения) в жизнедеятельности любых организмов является существенно повышенная концентрация в них по сравнению с пресной водой стабильных тяжёлых изотопов водорода (дейтерий), кислорода (кислород-17 и кислород-18) и тяжёлой воды – воды, в которой легкие изотопы водорода (протий) или/и кислорода (кислород-16) замещены тяжёлыми изотопами.
Если в обычной пресной воде содержится около 0,015% тяжёлой воды, то в морской воде тяжёлая вода
составляет 0,020%.

Открытие и получение тяжёлой воды (1932 год) стало выдающимся научно-техническим достижением человечества, вызвавшим бурный всплеск исследований и важнейших новых открытий.
Вскоре было установлено, что тяжёлая вода – это идеальное топливо для термоядерных процессов, запасы которого в воде морей и океанов практически неисчерпаемы.
Её используют в качестве замедлителя нейтронов и теплоносителя в ядерных реакторах, для получения дейтронов в ускорителях частиц, в спектроскопии магнитного резонанса и т.д.
Но в то же время было установлено, что рыбы, черви и микробы не могут существовать в тяжёлой воде, а животные гибнут от жажды, если их поить тяжёлой водой.
Не прорастают в тяжёлой воде и семена растений.
Дело в том, что организм – это множество тонко сбалансированных химических реакций, а тяжёлая вода меняет скорость некоторых из них и.тем самым нарушает баланс между различными реакциями.
Ионы дейтерия и тяжёлой воды существенно менее подвижны, чем ионы протия и обычной воды.

Это приводит ко многим нарушениям нормальной жизнедеятельности организма: :ингибированию биохимических процессов и физиологических реакций, изменению характера действия фармакологических препаратов, ингибированию процессов сокращения мышц, изменению резистентности по отношению к некоторым внешним физическим факторам - к действию гидростатического давления, температуры и др.
А поскольку дейтерий легко замещает протий, в частности, в молекулах ДНК и РНК, это может вызвать генетические изменения при делении клеток, а так как дейтерий значительно менее подвижен, чем протий, то первым делом прекратятся окислительные и восстановительные реакции.
Конечно, одноразовое или редкое употребление тяжёлой воды не вызовет видимого изменения состояния организма, так как она химически аналогична обычной, протиевой воде, а через несколько часов или дней попавший в организм дейтерий будет полностью выведен из него.
Но если тяжёлая вода будет попадать в организм часто (а именно это будет происходить при водоснабжении опреснённой морской водой), протий в организме будет постепенно замещаться дейтерием и произойдёт описанное в предыдущем абзаце разрушение организма.

Эксперименты над млекопитающими показали, что замещение 25% водорода (протия) в их тканях дейтерием приводит к стерильности животных, а при более высоком содержании в организме дейтерия животные гибнут.
Из приведенных разъяснений совершенно очевидна недопустимость использования в процессах, связанных с жизнедеятельностью человека и других организмов даже опреснённых морских вод, если из них не удалена тяжёлая вода.
Таким образом, оба рассмотренных выше варианта утилизации практически неисчерпаемых запасов морской воды в качестве исходного материала как для термоядерного топлива, так и для безвредности водоснабжения требуют одинаковой обработки этой воды: отделения тяжёлой воды от лёгкой (протиевой).

В настоящее время разработано несколько способов выделения тяжёлой воды:.
Наиболее эффективны из них - электролиз, изотопный обмен, сжигание обогащённого дейтерием водорода.
Однако выделение (отделение) значительных (промышленных) количеств тяжёлой воды любым из этих способов является сложнейшей научно-технической задачей, требующей громадных затрат энергии и финансов.
Так, для отделения 1 тонны тяжёлой воды необходимо переработать по очень сложной и засекреченной технологии около 40 тысяч тонн морской воды, израсходовав при этом 60 миллионов кВт-ч. электроэнергии.
Неудивительно поэтому, что только 9 стран в мире умеют выделять из обычной воды минимально необходимое для промышленных целей количество тяжёлой воды, причём девятая такая страна определилась буквально в эти дни – в последней декаде августа 2006 года.
Эта страна, как мы знаем, - Иран, который расценил своё достижение как выдающуюся историческую научно-техническую, экономическую и военно-политическую победу.

Из изложенного ясно, что в обозримом будущем не приходится рассчитывать на очистку опресняемой морской воды от тяжёлых (и смертельно опасных) изотопов водорода и кислорода.
Такая очистка сможет осуществляться только после открытия новых, гораздо более экономичных способов её выполнения либо после распространения промышленных способов получения обогащённого дейтерия для энергетических целей, побочным продуктом которого станет морская вода, очищенная от тяжёлых изотопов.
Значит, предлагая и реализуя опреснение морской воды сегодня, нас хотят вынудить пить воду, содержащую тяжёлые изотопы водорода и кислорода.
Третьим гибельно опасным препятствием для использования в водоснабжении населения и экономики Израиля (как, впрочем, и других стран) опреснённой морской воды является загрязнение морей и океанов.
Вода морей и океанов содержит колоссальные запасы золота, железа, урана и других химических элементов.
На их дне скрыты бесчисленные залежи полезных ископаемых.
Океаны и моря – богатейший источник растительных и животных питательных веществ, нужных человеку и сейчас, и в будущем.

Но в настоящее время их акватория используется как свалка, как самый дешёвый и распространённый способ избавления от промышленных и бытовых отходов.
В моря и океаны сбрасывается масса органических отходов либо недостаточно очищенных, либо вообще не очищенных, превращающих эти акватории в рассадники болезнетворных вирусов (дизентерия, холера и др.).
В результате сброса неочищенных и неудовлетворительно очищенных производственных и хозяйственных сточных вод в моря и океаны ежегодно попадает примерно 100 тысяч тонн отходов.
Загрязняют моря и океаны также нефть и горючий газ: 30% их мировой добычи в настоящее время производится из морских скважин, а кроме того, в море вытекают нефтепродукты при авариях судов, промывке топливных танков и др.
Предприятия сбрасывают в моря и океаны ртуть, хром, цинк, свинец, и т.д.
Продолжается погребение в морях радиоактивных отходов атомных реакторов, химического оружия и других токсичных веществ. Установлено, что металлические контейнеры, в которые их заключают, разрушаются в морской воде, в среднем, уже через 10 лет, бетонные – через 30.

Содержимое разрушившихся контейнеров вымывается из них и попадает в морскую воду.
Поступление в морскую воду радиоактивных веществ, происходит непрерывно в течение длительного времени.
Так, начиная с 1991 года, непрерывно отмечается, поступление в морскую воду цезия-137 и других радионуклидов.
Начиная с 70-х годов 20-о века, постоянно усиливается и стала уже тревожной угроза морям и океанам, вызванная всё возрастающим проникновением в них из любых ядерных предприятий и АЭС долгоживущих радиоактивных изотопов плутония и урана.
Но особую угрозу всему живому представляет собой третий, сверхтяжёлый изотоп водорода – тритий.
Тритий не существует постоянно.
Он является промежуточным радиоактивным продуктом ядерных реакций и, хотя и не создаёт проблем с точки зрения долговременного захоронения радиоактивных отходов (период его полураспада – 12,3 года), очень опасен для человека.
Он может проникнуть в организм человека через кожу, в результате вдыхания или с водой.
Неприятной особенностью трития является его мобильность.
Он быстро распространяется с потоками воздуха или воды. Если дейтерий убивает постепенно, то тритий – сразу.
Его нельзя пить, им нельзя мыться, нельзя дышать его парами.

Все названные выше и многие другие загрязнители присутствуют в водах Мирового океана.
Средиземное море, признано одним из самых грязных участков Мирового океана, активно загрязняющим другие его части.
Да это и понятно: берега Средиземного моря плотно и интенсивно обжиты, его акватория и дно давно уже безжалостно и фактически бесконтрольно эксплуатируются и засоряются.
Легко можно представить себе, насколько губительна для человека вода этого моря, даже опреснённая.
К настоящему времени человечество уже успело пережить период веры в решение проблемы водоснабжения с помощью опреснения вод морей и океанов и последовавшее за этим разочарование.
Промышленные опреснительные установки были созданы и эксплуатируются во многих разбросанных по всему миру странах и регионах, испытывающих водный дефицит, - на Канарских островах, в Тунисе, в Англии, на острове Аруба в Карибском море, на Кубе, в Венесуэле, в Калифорнии, на островах Индийского океана, в северо-западной части Причерноморья и Приазовья на Украине, в г. Туркменбаши (бывший Красноводск) и др.
Но очень скоро проявились изложенные выше органические пороки водоснабжения опреснённой водой.
С одной стороны, это высокая стоимость опреснёния воды (и, следовательно, самого этого продукта), вызванная очень большой энергоёмкостью опреснения, для осуществления которого рекомендуется даже использовать атомную энергию.

С другой стороны, опреснённая вода, как и следовало ожидать, оказалась смертельно опасной для людей, животных и растений. В связи с этим здесь уместно напомнить о трагических событиях 70-х годов прошлого столетия. На полуострове Мангышлак (Каспийское море, Казахстан) в1973 году были построены атомная электростанция и мощная опреснительная установка для снабжения электроэнергией и, главное, водой жителей и экономики нового города Шевченко (сейчас называется Актау).
Люди употребляли эту воду для питья, еды, полива пищевых растений и поили ею домашних животных.
Вскоре санитарная инспекция забила тревогу: в городе круто возросло количество онкологических заболеваний и случаев появления мертворожденных детей.
Ниже будет показано, что после этих событий Республика Казахстан больше не рассматривает опреснение морской воды в числе источников своего водоснабжения.

Впрочем, согласно сведениям, опубликованным директором исследовательской группы "Проект глобальной политики в области водных ресурсов", старшим научным сотрудником Института Worldwatch ("Уорлдуотч") Сандрой Постел, опреснение вод морей и океанов как способ водоснабжения никогда не пользовался ощутимой популярностью, и в настоящее время опреснённая вода составляет всего 0,2% глобального водопотребления, а половина всех установок по опреснению морской воды находится в районе Персидского залива.
Все современные развитые и развивающиеся страны, понимая важность сохранения генофонда своих народов- разрешают использовать уже существующие на их территориях опреснительные установки только для технических и хозяйственных нужд, исключающих попадание опреснённой воды внутрь живых организмов.
Это утверждение относится ко всем без исключения странам средиземноморья и Персидского залива, в которых, как отмечено выше, сосредоточено более 50% опреснительных установок, имеющихся в мире.
На Мальте, в Катаре, Объединённых Эмиратах , где полностью отсутствуют свои источники пресной воды и в водопроводе течёт опреснённая морская вода, последняя используется только для хозяйственных и технических нужд, а питьевая и пищевая вода завозится из-за рубежа и продаётся в бутылках и/или на разлив; так же поступает с опреснённой водой и Саудовская Аравия, которая импортирует питьевую воду из Новой Зеландии, а овощи и фрукты – из Австралии.

Ситуация с пресной водой в Израиле существенно отличается от той, которая сложилась в рассмотренных в предыдущем абзаце безводных странах.
Израиль имеет достаточно крупные запасы пресной воды в озере Кинерет и небольших реках, в подземных источниках и аквиферах, и именно эта вода течёт сейчас в его водопроводе.
В таких условиях реальны только 3 варианта включения опреснительных установок в инфраструктуру системы водоснабжения Израиля:
1) впуск опреснённой морской воды в израильский водопровод и, следовательно, её смешение с пресной водой,
2) постройка второго водопровода специально для опреснённой морской воды и
3) освобождение имеющегося водопровода от пресной воды и его использование для опреснённой морской воды с продажей пресной питьевой воды в бутылках или на разлив, как в государствах, не имеющих своей пресной воды (см. выше).
Во всех трёх вариантах водопроводная вода значительно подорожает (из-за высокой стоимости опреснения, а во втором варианте, кроме того, из-за затрат на второй водопровод) и при этом станет непригодной для питья как по содержанию, так и по вкусу, а обычная пресная (питьевая) вода превратится в деликатес, труднодоступный для слабых слоёв населения.
Уместно здесь отметить, что по данным, представленным профессором Ю.Колодным, в газете "Вести" 7 июля 2005 году (статья "В поисках адреса"), стоимость 1 кубометра воды, опреснённой в Ашкелонской опреснительной установке составила 37 центов, что примерно в 3,5 раза превышает стоимость утилизации дождевой воды.

Экологические риски

Экологи продолжают высказываться против процесса опреснения воды, утверждая, что он наносит вред окружающей среде.
Удаление соли из морской воды, приводит к образованию концентрированного шлама, т.н. рассола, который в два раза тяжелее соленой морской воды и содержит примеси, которые могут повлиять на морских обитателей при сбросе обратно в море.
В случае удаления рассола на суше, он может просачиваться сквозь почву, проникая в подземные воды.
Управление по защите окружающей среды в Соединенных Штатах установило, что огромное количество сооруженных опреснительных установок для обработки морской воды за год нанесло вред около 3,4 миллиардам рыб и другим представителям морской фауны и принесло убытки для рыболовной промышленности страны в размере 212,5 млн. долларов.
Заводы по опреснению также могут уничтожить около 90% планктона.

Кроме того, опреснительные установки выделяют огромное количество выбросов углекислого газа, поскольку работают на ископаемых видах топлива.
Исследовательская организация по охране побережья в Сан-Диего подсчитала, что завод, ежедневно производящий около 53 млн. галлонов воды будет потреблять вдвое больше количество воды для ее переработки и повторного использования.
Ситуация кажется достаточно ироничной, поскольку создание подобных заводов по опреснению морской воды – это, казалось бы решение проблемы нехватки питьевой воды и выход из сложившейся кризисной ситуации, однако эксперты утверждают, что это может создать только более серьезную экологическую проблему, такую как изменение климата на планете.

Влияние на здоровье

Использование опресненной воды также вызывает некоторые противоречивые мнения, относительно влияния процесса опреснения на здоровье.
По словам председателя Института исследований в области развития и безопасности окружающей среды Тихоокеанского региона Петра Глейка, мембраны обратного осмоса способны удалить только 50% бора, который входит в химический состав морской воды.
Избыток бора способен вызывать проблемы в репродуктивной системе, как людей, так и животных, а также приводить к нарушению деятельности желудочно-кишечного тракта.

Основные недостатки существующих опреснительных систем:

1. борьба с отложениями (например, накипью) на поверхностях теплообмена, мембран и тому подобное;
2. большие удельные энергетические затраты;
3. наличие большого количества сменных материалов, комплектующих, дополнительного расхода химических реагентов;
4. экологическая опасность в процессе эксплуатации установок;
5. необходимость в высокой квалификации обслуживающего персонала.

Конкретно, при опреснении воды дистилляцией в испарителях, питаемой соленой водой морей или океанов, серьезные затруднения вызывает быстрое зарастание накипью поверхностей теплообмена.
Это обусловлено высокой жесткостью, обычно свойственной природным водам.
Образование накипи на теплопередающих поверхностях испарителей приводит к резкому снижению их эффективности, возникает необходимость частой остановки и очистки испарителей, применения антинакипинов, химреагентов, что сопряжено с большими эксплуатационными расходами.
Главное, к исходной воде предъявляются специальные требования, которые можно обеспечить, применяя дорогостоящие системы водоподготовки.
Проблемой является обеспечение достаточной энергией (теплом) крупных опреснительных комплексов. Необходимы мощные котельные (ТЭЦ) или атомные реакторы.
Стоимость тепла - 40-50% от стоимости опреснения дистилляций.

Большие средства отвлекаются на решение экологических задач и обслуживание таких комплексов.
Обращает на себя внимание высокая стоимость эксплуатационных расходов при использовании обратноосмотических и электродиализных (мембранных) методов.
Опыт эксплуатации подобных установок во всем мире свидетельствует, что тенденция к снижению стоимости эксплуатации не наблюдается, что объясняется желанием потребителей видеть стабильную работу непосредственно установок опреснения и их автоматизации.
В этой связи уровень предварительной очистки становится одним из доминирующих аспектов данных методов опреснения, а стоимость предподготовки иногда существенно выше самих установок.

Подаваемая на мембраны вода (при солесодержании 40 г/л) давлением 50-150 атм. должна содержать:
1. менее 0,56 мг/л взвешенных веществ;
2. менее 2-3 мг/л коллоидных загрязнений;
3. свободного хлора менее 0,1 мг/л для композиционных полиамидных мембран и менее 0,6-1,0 мг/л для ацетатцеллюлозных мембран;
4. малорастворимые соли (железа, кальция, магния, стронция) в концентрациях, не вызывающих их отложение на мембранах;
5. микробиологические загрязнения должны отсутствовать;
6. температура подаваемой воды не должна превышать 35-45 °С;
7. рН исходной воды должен находиться в пределах 3,5-7,2 для ацетатцеллюлозных мембран и 2,5-11,0 - для полиамидных.

Для обеспечения указанных требований необходимо обеспечить очистку воды перед ее подачей в мембранную установку.
Она включает:
1. очистку от взвесей (наличие на входе картриджного микрофилътра с патронами, имеющими поры 5 и менее мкм);
2. удаление металлов (например, обезжелезивание);
3. удаление активного хлора;
4. умягчение воды или использование ингибиторов;
5. обеззараживание, отмывка и санитарная обработка мембран.

Все эти факторы часто замалчиваются компаниями, продающими установки обратного осмоса.
Высокая чувствительность мембран к различного рода примесям органического и неорганического характера требует применения развитых схем в установках обратного осмоса.
И для обратного осмоса и для электродиализа наиболее опасными являются соли жесткости, в особенности кальциевая жесткость.
Борьба с органическими загрязнениями решается, например, путем использования гипохлорита, активированного угля, биологической обработки воды или электродеструкции.
Для снижения содержания солей кальция не существует эффективных методов.
Для слабосоленых вод используется обработка реагентами или умягчение.
Электрохимическая обработка увеличивает стоимость обессоливания, и вопрос об ее использовании решается в каждом конкретном случае.

Для морской (океанической) воды с общей жесткостью до 140 мг-экв/кг эффективных методов снижения жесткости не существует вообще.
Поэтому инженеры должны смириться с мыслью, что всю или большую часть нагрузки, связанную с отложением солей, мембраны принимают на себя.
Для установок обессоливания обратного осмоса необходима сложная система предварительной очистки, превышающая по стоимости иногда в 2-3 раза стоимость самой установки обратного осмоса, а энергопотребление удваивается, при этом максимальный срок службы мембран 0,5÷1 год и регенерация их невозможна, требуется специальные растворы для их хранения и контроля температуры хранения.
В таблице приведено оценочное сравнение методов обессоливания по трем уровням: минимальный (Мин.), максимальный (Макс.) и средний (Ср.).


Для справки, состав морской воды

Состав морской воды

(Краткий справочник по химии. Гороновский И.Т., Назаренко Ю.П., Некряч Е.Ф. 1965 г., стр.513)
(средний состав в вес.%)
O 86,82    Са 0,041    F 0,0001    Zn 5×10 -6
H 10,72    К 0,038    Si 0,00005    Ba 5×10-6
Cl 1,89    Br 0,0065    Rb 0,00002    Fe 5×10-6
Na 1,06    С 0,002    Li 0,000015    Cu 2×10-6
Mg 0,14    Sr 0,0013    N 1×10-5    As 1,5×10 -6
S 0,088    В 0,00045    I 5×10-6    P 5×10-6
Al<0.001    Рв 5×10-7    V 5×10-8    Ga 5×10-8
Mn 4×10-7    Se 4×10-7    Th 4×10 -8    V 3×10-8
Ni 3×10-7    Sn 3×10-7    La 3×10-8    Ce 3×10-8
Cs 2×10-7    U 2×10 -7    Bi<2×10-8    Sc 4×10-9
Co 1×10-7    Mo 1×10-7    Hg 3×10-9    Ag 4×10-9
Ti<1×10-7    Ge<1×10-7    Au 4×10-10    Ra 1×10-14

Природная вода содержащая до 0,1% растворенных веществ называется пресной, от 0,1 до 5% - минерализованной, свыше 5% - рассолом.
К числу главных компонентов состава природных вод относятся ионы Na+, K+, Ca2 + , Mg2+, H+ , Cl-, HCO3-, CO32-, SO42- и газы O 2, CO2, H2S.
В малых количествах содержатся ионы Fe2+ , Fe3+, Mn2+, Br -, I-, F-, BO2-, HPO42-, SO32-, HSO4 -, S2O3 2-, HS-, HSiO3-, H2SO3 и газы N2, CH4 , He.
Остальные вещества находятся в воде в крайне рассеянном состоянии.
Вода, предназначенная для питья и хозяйственно-бытовых нужд населения, а также для коммунальных предприятий и предприятий пищевой промышленности, должна удовлетворять требованиям, предъявляемым к воде, подаваемой потребителю (ГОСТ 2874-54).

4. Применяемые технологии в мировой практике.

Мировые технологии по опреснению морской воды разделяются на следующие:

1) MSF (Multi-Stage Flash Distillation), метод опреснения, по которому испаряют морскую воду по порядку через много камер, где постепенно понижается давление.

2) MD (Membrane Distillation), нагреть морскую воду с одной стороны гидрофобной мембраны, которая пропускает пар, но не пропускает воду, а с другой стороны охлаждать пропущенный пар и получать пресную воду.

3) MED (Multi-Effect Distillation), нагреть до высокой температуры (эффектно) морскую воду в первой колонне и использовать образованный в первой емкости пар для нагрева в последующих колоннах.

4) MVC (MechanicalVapor Compression), для нагрева морской воды в первой колонне по методу МЕО использовать частично сжатый пар.
По сравнению с методами МЗК и МО меньше расхода энергии и имеет преимущество: возможно снизить максимальную температуру морской воды.

5) FP (Freezing Process) кристаллизовать только влагосодержание, охладив морскую воду, выделять и растворять кристаллы для получения пресной воды.

6) RO (Reverse Osmosis), используется полупроницаемая мембрана, которая имеет способность: вода проникает, но ионы и молекулы примесей не проникают.
Получить пресную воду через полупроницаемую мембрану возможно давлением морской воды большим осмотического давления раствора.

7) ED (Electrodialysis), установить попеременно мембрану, которая пропускает только катион, и мембрану, которая пропускает только анион, и включить напряжение постоянного тока между ними и убирать, к примеру, натриевый и хлорный анион из морской воды.

Таким образом, промышленное опреснение морской воды осуществляется одним из следующих методов: дистилляция, обратный осмос, электродиализ, вымораживание и ионный обмен.
Из всего объема получаемой в мире опресненной воды 71,5% приходится на долю дистилляционных опреснительных установок, 19% - обратноосмотических, 9,4% электродиализных, 0,1% - на долю замораживающих ионообменных и так далее опреснительных (по данным на 1991 год).

По оценкам экспертов, каждая из обозначенных технологий имеет существенные недостатки, к числу которых относятся:
• значительные отложения на поверхностях теплообмена, мембран и т.п.
• большие удельные энергетические затраты
• наличие большого количества сменных материалов, комплектующих, дополнительного расхода химических реагентов
• экологическая опасность в процессе эксплуатации установок
• необходимость в высокой квалификации обслуживающего персонала.
В связи с этим актуальным остается вопрос разработки более эффективных и экологически безопасных методов опреснения морской воды.

5. Последние разработки в области опреснения

Гидроволновой метод. Новая технология очистки и обессоливания фирмы STC "TEROS-MIFI"(www.teros-mifi.ru) основана на применении ранее не использовавшихся в этом направлении физических процессов, в основе которых лежит создание в морской воде таких гидродинамических режимов в сочетании с воздействием электромагнитных полей, что создает в солевом растворе химические и тепловые условия, способствующие испарению воды во много раз больше, чем в известных случаях.
Установки фирмы STC "TEROS-MIFI" Россия, Москва
В установках отсутствуют фильтры, сорбенты, ионообменные смолы, химреагенты.
Себестоимость 1 тонны производимой пресной воды из морской не более $0,3.
Удельные энергетические затраты меньше, чем для известных установок с аналогичным назначением.
Обеспечена экологическая безопасность, возможность выделения солей в виде твердого осадка.
Для создания крупных опреснительных комплексов (~ 10000 м3/сутки и более) целесообразно использовать модули (~ 50 м3/ч, 1200 м3/сутки).
Возможно применение более крупных модулей.

6. Задачи, стоявшие перед разработчиками.

Перед разработчиками была поставлены одновременно несколько задач:
5.1. Создать технологию опреснения морской воды, включая рассолы, а также одновременно в одной установке предварительное очищение сточных вод промышленных предприятий и стоков жилищно коммунального происхождения.
Также улучшение качества питьевой воды.
5.2. Расходы на опреснение 1 м3 воды не должны превышать 0,1 $.
5.3. Производительность установки должна находиться в пределах от 1 до 4 м3 в минуту, или 60 – 240 м3 в час
5.4. В работе установки не должны присутствовать фильтры, сорбенты, ионообменные смолы, химреагенты.
5.5. Вес установки (рабочего блока) не должен превышать 700 кг.
5.6. Установка должна быть приспособлена к применению на мобильных объектах.
Первоначально, за основу установки были приняты разработки Николы Тесла в области гидродинамики и дисковых насосов


Рисунок дискового насоса из патента Н.Тесла

Стояла задача сконструировать такое устройство, чтобы оно сохранило все преимущества дискового насоса:
А) Высокий ресурс всей установки, определяемый только подшипниковыми узлами и уплотнениями
Б) Способность прокачивать все существующие жидкие фракции
В) Низкий износ дисков
В настоящее время такого рода насосы выпускает единственная фирма в мире Discflo Corp. ( www.diskflo.com )


Фото: Пример дискового насоса фирмы Discflo Corp.

Насосы этой фирмы применяются от перекачки абразивных смесей, разного рода химически активных жидкостей до перекачки живой рыбы.
Второй основой для проекта стала разработка Ричарда Клема, его двигатель.


Местный житель Далласа разработал двигатель закрытого типа, который якобы производит мощность 350 лошадиных сил и работает сам по себе.
Двигатель весит около 200 фунтов(справка: 1 фунт = 0,45359237кг)и содержит растительное масло при температуре 300 F (150 С).
Внутри двигателя находится конус, закрепленный на горизонтальной оси. Вал, на котором укреплен конус, пустой внутри и переходит в спиральные полые каналы внутри конуса.
Они обвивают конус и заканчиваются у его основания соплами (форсунками).
Две эти разработки были основополагающими при выборе принципа и схемы работы нашей будущей установки.
Далее надо было создать условия для процесса очищения воды.
Справка.
Молекула воды имеет следующее электронное строение:


Две электронные пары образуют полярные ковалентные связи между атомами водорода и кислорода, а оставшиеся две электронные пары остаются свободными и называются неподеленными. Молекула воды имеет угловое строение, угол Н–О–Н составляет 104,5 градусов.


Наличие в молекулах H2O неподеленных электронных пар у атомов кислорода и положительно заряженных атомов водорода приводит к совершенно особому взаимодействию между молекулами, называемому ВОДОРОДНОЙ СВЯЗЬЮ. В отличие от всех уже знакомых нам видов химической связи эта связь – межмолекулярная.
В связи с тем, что молекула воды имеет полярность, минусом в зоне кислорода и плюсом в области водорода, встала задача строгой ориентации структуры воды в рабочей зоне.
Параллельно стояла задача предварительного разрушения кластерной структуры воды, так как именно кластеры, объединяющие как правило от 55 молекул воды и способствуют включению в состав воды примесей.
Эта задача успешно решилась, как только мы применили конструктивные вакуумные зоны.
Параллельно было открыто, что молекула воды при этом процессе строго ориентируется кислородом к зоне высокого давления, и водородом к зоне разрежения (условно мы назвали эти зоны вакуумными).
Одновременно надо было создать сдвиговые условия для всей структуры молекулы воды, с тем, чтобы изменить ее энергетическое состояние, растворимость, другие параметры.

При этом мы воздействуем на угол взаимодействия кислорода и водородов в молекуле воды, а не на ковалентную связь, что в нашем случае принципиально.
Так как эти связи характеризуются высокой прочностью, и повлиять на них можно только сверхбольшими усилиями.
В нашем случае сдвиговые усилия ограничиваются силами, не превышающими 1000 кН.
Это было необходимо сделать, чтобы вода начала вытеснять из себя примеси, содержащиеся в ней.
(Процессы очень близки к процессам замораживания воды, когда из нее вытесняются все примеси, включая «тяжелую» и «легкую» воду).
Только этот процесс замораживания на практике осуществляется за несколько часов, а в нашем случае все происходит за доли микросекунд.
Работы проводились на слабосоленой воде в силу разных причин.
На выходе получалась чистая вода с нерастворимыми хлопьями примесей, которые легко фильтровались самыми простыми фильтрами.
В процессе работы было изготовлено несколько опытных образцов. Фотографии установок представлены ниже.


Фото ротора первого варианта установки.




Фото первого варианта установки, условно «ЭННИО - 1»




Фото второго варианта установки, условно «ЭННИО – 2»

Надо сказать, что в процессе работы разработчики внесли в конструкцию свыше 10 НОУ-ХАУ, и несмотря на внешнюю простоту установки, повторить ее недобросовестным производителям будет весьма затруднительно.
Работы проводились в направлении получения тепловой энергии.
Но в процессе работы выяснилось, что установки прекрасно работают как опреснительные.
Мало того, выяснилось, что в большинстве случаев не требуется цикла испарения, примеси начинали выходить из воды в виде хлопьев уже при температурах около 50 градусов Цельсия.
Но в нашем случае перевод воды в паровую фазу является более экономичным, но и в режиме до парообразования стоимость опреснения ниже лучших образцов в десятки раз.

В режиме пара стоимость опреснения зависит только от установленных сроков амортизации самой установки, заработной платы персонала и основных фондов.
Параллельно проводились работы на другом устройстве бытового назначения, которое показало аналогичные результаты в плане вывода из воды примесей.
При этих испытаниях в г. Харьков, Украина, все время испытаний, после включения установки ощущался сильный запах хлора, применяемый Харьковским Водоканалом для дезинфекции питьевой воды. В связи с тем, что хлор изначально содержался в воде в виде соединения, а выделялся в виде газа, можно было заключить, что происходит разделение хлорсодержащих реагентов на отдельные элементы. В воде, пропущенной через установку, наблюдались хлопья вытесненных включений, так же как и на установке «ЭННИО – 3».
К сожалению, по результатам работы, разработчики не имеют официального протокола испытаний по условиям контракта с Заказчиком.

Результатом 10 летней работы стала установка «ЭННИО – 3».

Фото опытной установки «ЭННИО – 3» (в центре фотографии две установки)

В результате мы получили установку, способную работать со всеми видами жидких сред, стоки промышленных предприятий и предприятий жилищно-коммунального хозяйства, морскую воду, рассолы и так далее.

7. Предлагаемая технология и установка

Поставленные задачи были успешно решены.
За период с 1998 года по настоящее время было изготовлено последовательно три опытных установки разных конструкций. Разработчики накопили большой опыт проектирования такого рода установок.
Но до настоящего времени не имели достаточного финансирования для проведения полномасштабных работ по доведению установки до предпромышленного состояния.
Конструктивно установка, представляет из себя ротор или в вариациях диск, который вращается с большой скоростью в статоре специальной конструкции.

Технология не имеет аналогов в мире по способу опреснения.
Используется принцип взаимодействия воды с разрежением, создаваемого в установке за счет траектории движения воды.
В результате деформации молекулы воды и ее энергетического состояния из ее структуры вытесняются все примеси, фактически можно сказать, что мы стряхиваем со структуры воды примеси, мало того при этом происходит восстановление нормальной структуры самой воды.
Можно с большой долей уверенности предположить, что в такого типа установках будет разрушаться и тяжелая вода.
Одновременно, за счет мощного электромагнитного воздействия на примеси они переводятся в нерастворимую фазу. В результате примеси легко отделяются от чистой воды.
При этом все процессы происходят за один проход, без участия каких либо реагентов и расходов энергии на электромагнитное воздействие.
Результатом работ стала установка «ЭННИО – 3» , которая работает в двух режимах,- опреснение через электролиз и гидродинамический режим и режим испарения .

В первом случае себестоимость опреснения 1 м3 = 0,02 $
Во втором не более 0,002 $.
Себестоимость опреснения снижена относительно лучших аналогов в 15 – 30 раз в первом режиме и на несколько порядков во втором.
Мощность привода 22 КВт
Производительность по воде 3 м3 в минуту. Или 180 м3 в час.
Вес установки без трубопроводов и щита управления 350 кг.
В некоторых режимах установка способна генерировать электрическую энергию, которую можно направить на переработку получаемых солей.
Из 1 тонны морской воды можно извлекать от 30 до 50 кг солей, которые включают ценнейшие элементы периодической таблицы Менделеева.

Себестоимость опреснительного комплекса максимальная 250 000 $
Объем рынка минимальный 10 000 000 000.00$
Объем рынка предполагаемый 18 000 000 000.00 $
В настоящее время разработчики имеют проект более совершенной установки под условным названием «Эннио – 4» с более совершенной и легкой конструкцией.
Более технологичной конструктивно и легкой в обслуживании.
Однако, до настоящего времени ресурс установки ограничивался ресурсом в основном подшипников.
В настоящее время появились разработки и практические модели нового вида подшипников с ресурсом до 30 лет.
Применение новых материалов и комплектующих позволит создать установку, способную работать без капитального ремонта длительное время.

8. Рабочая группа.

Основные разработчики и патентообладатели: 3 человека

9. Затраты

Общая сумма затрат на весь период разработки составил примерно 2,3 миллиона $USA.
Из них:
Прямые затраты на оборудование ---1 700 000.00 $
Конструкторские работы, включая заработную плату конструкторам, --- 120 000.00 $
компьютеры, программы, расходные материалы и т.д. Командировочные расходы, связь, транспорт --- 80 000.00 $
Заработная плата разработчиков, и других специалистов --- 400 000.00 $


Ведущий проекта Сярг Александр Васильевич
Progres1000@gmail.com


Яндекс.Метрика