Как сделать морскую воду пригодной для питья при помощи пластиковой бутылки

Проблемы с опреснением морских и соленых вод

По статистике, десятки стран на планете сегодня испытывают дефицит чистой питьевой воды. Львиная доля запасов дистиллированной воды сосредоточена в ледниках за полярным поясом, но их добыча оттуда затруднена. Загрязнение грунтовых и грунтовых вод сокращает количество источников водоснабжения. Каждый день ученые ищут новые способы очистки и опреснения воды из доступных ресурсов: сбор дождевой и талой воды, таяние доступного льда с айсбергов, замкнутые циклы подачи воды и очистки воды на заводах.

Еще острее ощущается необходимость получения питьевой воды путем опреснения морей и океанов в прибрежных районах, в засушливых и пустынных районах с минимальным количеством пресных водоносных горизонтов. Это объясняет потребность в методах опреснения морской воды за счет удаления более высоких концентраций солей и их совершенствовании.

Особенности устройства оборудования для опреснения воды

Промышленные и бытовые опреснители, работающие с использованием принципа обратного осмоса, имеют достаточно сложную конструкцию. В их состав входит следующие элементы:

1. Полупроницаемая мембрана. Основной элемент системы опреснения воды представляет собой пластину из специального материала, на одну из сторон которого нанесено водонепроницаемое покрытие. Она сворачивается в рулон и помещается в герметичный цилиндрический корпус, к торцам которого подсоединены входной и выходной трубопроводы.
2. Оборудование предфильтрации. Обычно это многоступенчатый комплекс из механических и сорбционных фильтров, задерживающих твердые нерастворимые частицы и поглощающих газы.
3. Нагнетающий насос. Преимущественно используются роторные или центробежные многоступенчатые агрегаты, способные развивать давление 10 МПа и выше.
4. Устройство дозирования ингибитора осадкообразования. Оно необходимо для замедления процессов, вызывающих появление отложений на рабочих поверхностях мембраны.
5. Система химической промывки. Она необходима для удаления нежелательных отложений в застойных зонах обратноосмотических модулей.
6. Оборудование контроля и управления. Большинство описываемых систем работают в автоматическом и полуавтоматическом режиме, а расход и основные показатели пермеата и концентрата отслеживаются при помощи расходомеров и TDS-метров. Специальный клапан перекрывает подачу воды в случае ее утечки.
7. Комплекс минерализации. Обеспечивает насыщение воды глубокой очистки необходимыми микроэлементами, что делает ее пригодной для питья и приготовления пищи.

Современные системы очистки морской воды изготавливаются в блочно-модульном исполнении, что существенно упрощает их размещение и монтаж. Такие установки опреснения имеют общую раму, что облегчает процессы обслуживания и ремонта. В случае выхода из строя может быть проведена оперативная замена их целиком или отдельных элементов.

Преимущества обратноосмотического оборудования опреснения воды

Такого рода системы по опреснению морской воды имеют оптимальные технико-экономические параметры. Первичные затраты на приобретение обратноосмотических установок опреснения морской воды, а также на монтажные и пусконаладочные работу сравнительно невысоки. И это далеко не единственное преимущество описываемых систем:

• Невысокие эксплуатационные расходы.
• Непрерывный режим работы.
• Большая производительность.
• Высокий уровень автоматизации технологических процессов.

Ко всему прочему промышленные установки опреснения воды на основе обратного осмоса обеспечивают снижение общего содержания солей в воде на 97-99%, что делает ее пригодной для человека. Пермеат может использоваться в пищевой промышленности, фармацевтике и медицине без дополнительной обработки.

История возникновения метода опреснение морской воды в мире

О качестве воды для питья человечество задумывалось еще на заре цивилизации. Опреснение воды от соли было необходимостью для многих народов. Во времена Аристотеля моряки кипятили морскую воду, а пар собирали губкой. Затем из губки высасывали уже пресную воду, пригодную для питья. В средние века процесс получения дистиллированной воды в перегонном кубе описывал Леонардо да Винчи. В России первая установка дистилляции появилась в Красноводске на берегу Каспийского моря в конце XIX века и могла переработать 67 куб. метров воды в сутки.

Какие страны на сегодняшний день широко используют опреснение морской воды? Сегодня дефицит пресной воды приобретает планетарные масштабы. Развитые страны разрабатывают новые стратегии опреснения морской воды, чтобы минимизировать проблему засушливости почвы и недостатка пресной воды в прибрежных районах соленых водоемов. Индустриальные США и Япония давно стали потреблять в разы больше пресной воды на бытовые и промышленные нужды, чем есть у них в запасе. В восточных странах Аравийского полуострова, где проблема стоит очень остро ввиду крайней засушливости региона, налажены опреснительные комплексы на основе обратного осмоса с большой производительностью — до 1000 млн м3 в год (Саудовская Аравия и ОАЭ). В Израиле мощности опреснительных станций путем мембранного фильтрования и перегонки воды из Средиземного моря обеспечивают страну на 15% питьевой водой и 50% технической от необходимого количества.

Россия по запасам пресной воды занимает первое место в мире. Только акватория Байкала способна обеспечить всех россиян пресной водой на сегодняшний день. Проблема в том, что 80% этих запасов приходится на незаселенные области Сибири и Дальнего Востока. Добыча и транспортировка пресной воды в юго-восточную часть страны, в северные приморские регионы обернется высокими затратами. Остро строит проблема опреснения воды в Крыму, Приморском крае, Поволжье и Черноморском побережье. Внедрение на прибрежных территориях комплексов по опреснению морской воды на основе ультрафильтрации, обратного осмоса и ионного обмена позволяют получить качественную воду для хозяйственно-бытовых нужд. Главным вопросом остается удешевление технологии для повышения рентабельности водоочистных мероприятий.

Существующие методы опреснения воды

В некоторых регионах планеты дефицит пресной воды наиболее ощутим — обычно это засушливые ландшафты. В такой местности применяют промышленное опреснение.

В домашних условиях производить из соленой воды опреснённую заставляют тяжёлые бытовые условия, временные или постоянные, когда население испытывает острейшую нехватку пригодной для питья влаги.

Навыки, как сделать питьевую воду, имея только морскую, не единожды спасали жизнь в условиях природных катаклизмов, потерявшимся в море рыбакам, а также экстремальным путешественникам.

• Методы промышленного опреснения — химический с помощью реагентов, промышленная перегонка в дистилляторе, ионный с помощью установки и ионита, обратный осмос через мембранные фильтры, электродиализ и промышленное вымораживание;
• Методы домашнего опреснения — дистилляция и частичная заморозка;
• Методы экстремального опреснения — сбор конденсата с помощью огня или солнца, а также растопка пресного льда.

Способы опреснения в промышленных масштабах не наша тема, а вот варианты, как дома или на природе получить вполне пригодную для питья влагу, опишем подробнее — они могут оказаться полезными.

Особенности опреснительных установок от

производит системы опреснения и умягчения воды из комплектующих от лучших европейских и отечественных разработчиков. Засыпные фильтры для предочистки воды оснащаются управляющими клапанами, рабочие элементы которых выполнены из высокопрочной керамики. Она не боится износа или повреждений от механических частиц в воде.

Для систем обратного осмоса применяются мембраны из высококачественного полиамида, стойкого к нагрузкам и воздействию агрессивных сред. Инженеры компании проектируют, а также устанавливают надёжные, эффективные и экономичные системы водоподготовки и водоочистки любого уровня сложности.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕСНЕНИЯ МОРСКОЙ ВОДЫ РАБОТАЕТ СЛЕДУЮЩИМ ОБРАЗОМ

Запускают вихревой теплогенератор 38 и прокачивают горячую воду из него с температурой 97oС на вход в опреснитель через трубопровод 41 и фланец 39, заполняют распределительный коллектор 3, прокачивают горячую воду через входные коллекторы 11, секции 10 и внутренние полости 9 горячих панелей 7, далее через выходные коллекторы 12, сборный коллектор 4, выходной фланец 40 и трубопровод 42 и возвращают теплую воду с температурой 60oС в ВТГ для подогрева обратно в автономной системе ВТГ. Включив насос 44 морской воды, заполняют входной коллектор 5 морской воды и распределяют по коллекторам 16 для подачи в панели конденсации 13 и внутренние полости 14 вертикальных секций 15, затем морская вода поступает в выходной коллектор 6 и уходит на сброс. В опреснителе в зависимости от условий работы морская вода с температурой 20oС из коллектора 6, например, поступает в дополнительную накопительную емкость 49 рассола и через трубопровод с соединительным фланцем 50 уходит на выход. Второй контур движения морской воды происходит при включении вакуумного насоса 45 и насоса морской воды 46. В этом случае морская вода заполняет общий коллектор 21 и через распределительный коллектор 20, трубки 18, отверстия 19 и закрытые сверху козырьками 22 и карманы 23 поступает на горячие панели 7. В карманы 23 входят концы сеток 24, по которым морская вода равномерно и с постоянной толщиной до 2 мм жидкой пленки стекает по вертикальным секциям 8 с температурой 35oС в желоба слива 25 и по ним в коллектор 26 сбора рассола и далее на слив. Испарение морской воды происходит, когда вакуумным насосом 45 создают вакуум 0,03 бара в корпусе 2 и нагревают за счет теплопередачи от горячей воды ВТГ морскую воду на внешних стенках горячих панелей 7 до температуры 35oС. Образовавшийся пар конденсируют на холодных стенках панелей конденсации 13 при условии, что температура пара 35oС выше температуры внешних стенок панелей 13. Полученный на внешних стенках панелей конденсации 13 дистиллят 29 с температурой 20oС по желобам 30 сливают в секционные емкости 28 поддона 27, откуда через отверстия 31 он попадает в общий коллектор 32 и далее к потребителю. Установочный зазор 37 является основополагающим в работе опреснительного устройства, т.к. в нем происходит объемная конденсация полученного пара, которая в несколько раз выше обычной плоскостной конденсации на стенках холодных панелей конденсации 13, что уменьшает размеры устройства и удешевляет его стоимость и стоимость дистиллята. Горячие и холодные панели, корпус и рубашка выполнены из высокотеплопроводного материала, например алюминия. Для запуска процесса объемной конденсации производят импульсные включения форсуночного насоса (на фиг. не показан) и заполняют дистиллятом полость 34 в крышке 33 рубашки 1, далее по форсуночным трубкам 35 через форсунки 36 распыляют часть дистиллята в зазоре 37 в сторону панелей конденсации 13. Форсунки 36 обеспечивают мелкодисперсное распыление дистиллята в объеме водяного пара с температурой ниже пара, в результате чего создают оптимальные условия для объемной конденсации. Оптимальные условия данного процесса осуществляют при величине установочного зазора в диапазоне 2-7 см. Условия работы устройства для опреснения определяются параметрами опреснителя и морской воды, которые имеют следующие величины. Мощность теплового источника W= 32 кВт. Потребление морской воды 0,2 кг/с. Производительность дистиллята 0,01 кг/с. Температура морской воды Т=35oС.

Устройство для опреснения морской воды позволяет уменьшить тепловые потери, потребление морской воды за счет наличия вихревого теплового генератора и конструктивного совмещения источника тепла, теплообменника и испарителя общим рабочим телом.

Изобретение позволяет уменьшить тепловые потери в 2 раза при низкотемпературном режиме (25-30oС), упростить конструкцию, увеличить производительность опреснителя морской воды и уменьшить стоимость получаемого дистиллята. Наличие ВТГ с общим теплоносителем (горячая вода) источника тепла и теплообменника в панели испарителя приводит к повышению КПД опреснителя морской воды.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к технологии опреснения морской воды (MB) в вакууме и может быть использовано в промышленности, жилищно-коммунальной отрасли, в медицинской и химической промышленностях, а также в сельском хозяйстве и в строительстве, где требуется использование дистиллята, питьевой и технической воды.

Известно многокамерное опреснительное устройство мгновенного вскипания в вакууме (Якубовский Ю.В. и др. Судовые опреснительные установки мгновенного вскипания. Учебное пособие, изд. ДВПИ. — Владивосток, 1988, стр. 8-23), представляющие последовательно соединенные между собой камеры испарения и конденсации морской воды.

Недостатками известного устройства являются сложность технического исполнения, необходимость использования больших площадей поверхности испарения и конденсации, а также высокая стоимость их изготовления.

Ближайшим техническим решением является опреснительное устройство мгновенного вскипания морской воды в вакууме (Патент RU 2142912, МКИ С 02 F 1/04, 1999 г.), которое содержит корпус с крышкой, рубашки, разделенную на паровые секции пароводяную рубашку, в которую вертикальными рядами установлены плоские теплопередающие устройства, образующие совмещенные вместе камеры испарения и конденсации морской воды, коллекторы подвода и отвода морской воды, желоба слива рассола и дистиллята, форсунки, подводящие и отводящие трубопроводы морской воды и дистиллята, а также вакуумный насос опреснителя, насос подачи и отвода морской воды и дистиллята.

Недостатками известного технического решения являются технологическая сложность изготовления автономных элементов теплопередающих устройств и использования дополнительного дорогостоящего оборудования и, как следствие, повышение стоимости получаемого дистиллята.

Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции теплопередающих устройств, изготовленных в виде плоских панелей с внутренними полостями, что приводит к удешевлению стоимости получаемого дистиллята и увеличению КПД опреснителя морской воды.

Технический результат достигается тем, что в устройство для опреснения морской воды, содержащее корпус, герметично соединенный с крышкой, пароводяную рубашку, разделенную на камеры испарения и конденсации, коллекторы подвода и отвода морской воды, желоба слива рассола и дистиллята, форсунки, вакуумный насос, гидронасос подачи и отвода морской воды и дистиллята, соединенные подводящими и отводящими трубопроводами с опреснителем, дополнительно введен источник тепла с постоянно циркулирующим рабочим телом, при этом система циркуляции рабочего тела включает распределительный коллектор рабочего тела источника тепла опреснителя, вход которого соединен с выходом коллектора источника тепла, а выходы камеры испарения герметично соединены через сборный коллектор рабочего тела источника тепла, опреснителя и трубопровод с входом коллектора источника тепла, камеры испарения и конденсации выполнены в виде полых панелей, жестко закрепленных в корпусе перпендикулярно своим осям и установленных с зазором между параллельными плоскостями панелей испарения и конденсации, распределительный и сборный коллекторы рабочего тела источника тепла выполнены между боковыми стенками корпуса и пароводяной рубашки, распределительные и сборные коллекторы морской воды опреснителя выполнены между верхним и нижним основанием корпуса пароводяной рубашки, а распределительный коллектор опреснителя для подачи дистиллята на форсунки выполнен внутри крышки устройства, внутренние полости панелей испарения и конденсации опреснителя разделены на горизонтальные и вертикальные секции, а на внешних сторонах панелей испарения опреснителя жестко закреплены металлические сетки и зазор между параллельными плоскостями панелей испарения и конденсации опреснителя выбран 2-7 см, по всей длине трубок подачи морской воды на панелях испарения опреснителя установлены козырьки, а сами трубки подачи морской воды по всей длине закреплены на панелях испарения опреснителя в карманах, выходной коллектор морской воды опреснителя образован козырьками и поверхностями панелей испарения по всей длине.

Изобретение поясняется чертежами, где

 

на фиг.1 представлена конструктивная схема устройства для опреснения морской воды.

На фиг.2 показан поперечный разрез опреснителя морской воды, на фиг.3 показан продольный разрез опреснителя, на фиг.4 показан фрагмент конструктивного выполнения крепления трубок подачи морской воды и сбора дистиллята.

Пресная вода: как капля в море

По подсчетам ученых, на Земле примерно 1,5 зетталитров воды. При этом запасы пресной воды составляют лишь 2,5% от этого объема. Более наглядно это можно изобразить так: если вся вода на нашей планете поместится в литровую банку, то только две столовые ложки воды из этой банки будут пресными. Из этого мизерного количества большая часть превратится в грунтовые воды, примерно четверть – в лед, а около двух капель станут пресной водой в реках и озерах. И вот это малое количество пресной воды нужно разделить на 8 млрд человек

Вместе с осознанием данного факта приходит понимание того, насколько важно подойти со всей ответственностью к использованию такого драгоценного ресурса

Во многих развитых странах уже давно воспитывается культура экономии воды. Тем не менее сегодня в среднем каждый человек расходует около 100 литров ежедневно, а в некоторых странах, как, например, США, этот показатель достигает 500 литров. Конечно, речь идет не только о двух литрах воды в день для питья и воды для личной гигиены, большая часть потребления пресной воды приходится на производство продуктов питания. Кроме того, здесь учитываются и расходы на орошение. Сейчас все чаще растения не просто беспечно поливаются водой из шланга, постепенно внедряется система капельного орошения, когда точное количество воды подается для полива каждого саженца по отдельности.

Пока человечество переосмысливает подходы к использованию водных ресурсов, ситуацию с нехваткой чистой пресной воды осложняют и факторы, не зависящие от нас. В их числе и климатические изменения, повышение общей температуры Земли, а также различные природные катаклизмы. Осознавая все риски для источников пресной воды, человечество продолжает активную работу по поиску новых и более совершенных способов производства пресной воды.

Установка и подключение

Перед началом установки опреснителя, убедитесь, что у вас имеются все необходимые материалы и инструменты. Это включает в себя сам опреснитель, трубы и фитинги, насос, фильтры, а также инструменты для монтажа, такие как гаечные ключи и отвертки.

1. Определите место установки опреснителя. Выберите хорошо освещенное и вентилируемое место, где вы сможете легко обслуживать и подключать опреснитель.

2. Установите насос и фильтры в соответствии с инструкцией производителя. Обычно это требует крепления насоса на стену и подключения труб к опреснителю.

3. Соедините трубы и фитинги в нужном порядке. Убедитесь, что все соединения плотные и надежные, чтобы избежать утечек.

4. Подключите опреснитель к водопроводной системе. Обычно это происходит через подключение опреснителя к главному водопроводу с помощью специального клапана.

5. Проверьте все соединения на утечки. Откройте главный вентиль воды и убедитесь, что вода без проблем проходит через опреснитель.

6. Проверьте работу опреснителя. Убедитесь, что освежающая и чистая вода поступает из крана опреснителя.

Теперь вы можете наслаждаться качественной пресной водой, полученной с помощью своего самодельного опреснителя!

Методы опреснения морской воды

Ключевые технологии подразделяются на две основные группы. Первая — та, что не подразумевает изменения агрегатного состояния вода (она остается жидкостью на всех этапах обработки). Вторая предполагает переход жидкости в твердую или газообразную форму на определенном этапе.

Химический способ

В воду вводят реагенты, которые связывают ионы солей и способствуют их выпадению в осадок. В качестве реагентов используются соли серебра и бария, причем их нужно до 5% от общего количества опресняемой воды. Реакция проходит с выделением ядовитых веществ, поэтому этот метод практически не используется.

Электродиализ

В ванну с рассолом устанавливают 2 электрода в виде электрохимических активных диафрагм (с пластмассовым или резиновым корпусом и наполнителем из смол), после чего пропускают постоянный ток.

Проходит химическая реакция с выделением в атмосферу хлора и кислорода. Вода скапливается в промежуточных камерах и отводится, а соляной раствор остается в емкости.

Такой метод еще называют ионообменное опреснение: он применяется там, где соленость морской воды изначально невысока. Также он часто используется для мобильных установок на рыболовецких судах, траулерах.

Ультрафильтрация (обратный осмос)

В этом случае солевой раствор подают под давлением через мембрану, которая проницаема для воды, но непроницаема для соли. Такие мембраны создают из ацетилцеллюлозного волокна и пропитывают перхлоратом магния, что позволяет увеличить водопроницаемость.

Поскольку давление значительное, до 150 кгс/см2, мембраны дополняются пористыми бронзовыми плитами. Управление процессом возможно в автоматическом и полуавтоматическом режиме, при этом главное здесь — контроль стабильного давления подачи воды. Выход пресной воды из соленой — до 70%.

Вымораживание

В природных условиях лед, покрывающий океаны и моря, — пресный. Искусственно проводят медленное замораживание. что позволяет получать лед с игольчатой кристаллической структурой. Рассол при этом оседает и не попадает в толщу льда.

Полученный лед растаивают, что позволяет получить воду с соленостью не выше 500-1000 мг/л. Для замораживания используют кристаллизаторы (контактные, вакуумные, с теплообменом через стенку), где обеспечивается контакт воды с газообразным или жидким хладагентом.

Термическое опреснение (дистилляция)

Такой метод часто используют на морских судах для получения пресной воды из забортной соленой. В этом случае морскую воду нагревают до кипения, а выходящий пар конденсируют. Так собирается дистиллят, представляющий собой пресную воду.

Дистилляционные установки включают в себя испарители, нагревательные элементы, конденсаторы и сборники дистиллята. Сам процесс испарения может быть, как одно-, так и многоступенчатым.

При этом из первичного пара получается до 90% пресной воды за одну ступень. В установках с многоступенчатым опреснением, когда не вскипевшая вода перетекает из одной камеры в другую, и так до 50-60 раз, выход воды увеличивается в 15-20 раз. Однако такие системы гораздо сложнее в работе из-за существенной концентрации солевого раствора на последних этапах и порчи оборудования из-за отложения солей на трубопроводах.

Можно ли соленую воду с помощью фильтра сделать пресной. Создан графеновый фильтр, способный очистить даже морскую воду

Австралийская команда ученых из Государственного объединения научных и прикладных исследований (CSIRO) представила дешевый метод фильтрации воды (даже морской) на основе одной из разновидностей графена — материала, получившего название GraphAir.Технология производства данного материала была представлена австралийскими исследователями около года назад. В отличие от обычного графена, который получают в результате энергоемкого химического процесса, GraphAir изготавливается из соевого масла, недорогого и возобновляемого материала, из которого ученые могут получать тонкие графеновые пленки.Эта «соевая графеновая пленка» имеет микроскопические наноканалы. В ходе очистки жидкость проходит через них и очищается от загрязнений. Ученые сообщают, что их материал способен на 100 процентов отфильтровывать содержащиеся в жидкости соли, а также другие загрязнения бытового происхождения.Проверить эффективность своего GraphAir-фильтра специалисты CSIRO решили в Сиднейской бухте, очистив взятый из нее образец воды. Для этого они установили пленку GraphAir на обычный мембранный фильтр воды, который можно найти в любом магазине соответствующих товаров. Всего одной процедуры фильтрации оказалось достаточно для того, чтобы сделать воду доступной для питья.«Технология позволяет в один шаг получать чистую питьевую воду независимо от того, насколько загрязненной она была изначально», — комментирует руководитель исследования Донь Хан Сео.Кроме того, было обнаружено, что графеновая пленка загрязняется медленнее. Как правило, мембрана, установленная в обычные фильтры, утрачивает 50 процентов своей эффективности уже через 72 часа. С материалом GraphAir эта проблема была устранена, о чем ученые сообщают в журнале Nature Communications.Австралийские исследователи говорят, что технология не требует больших затрат.«Все, что вам понадобится, — это нагрев, разработанный нами графен, мембранный фильтр и небольшой водяной насос», — объясняет Сео.Проведение первых полевых испытаний технологии в развивающихся странах планируется на 2019 год. Кроме того, ученые хотят разработать систему очистки для домашнего использования, а также для промышленных городских систем фильтрации. Исследователи добавляют, что разработанную технологию можно адаптировать для фильтрации и опреснения воды от промышленных отходов.Исследователи отмечают, что в мире около 2,1 миллиарда человек не имеют доступа к чистой питьевой воде. Их разработка может помочь всем этим людям.«Почти треть населения Земли, около 2,1 миллиарда человек, не имеют доступа к чистой питьевой воде. В результате миллионы людей по всему миру, и чаще всего именно дети, ежегодно умирают от болезней, связанных с отсутствием адекватного водоснабжения, санитарии и гигиены», — комментирует Сео.«GraphAir представляет собой идеальный фильтр для очистки воды. Вместо сложных, времязатратных и многофазных процессов, которые в настоящий момент применяются для очистки, он способен справиться с задачей всего за один шаг».