Desalinizare - Desalination

Instalatie de desalinizare cu osmoza inversa din Barcelona, ​​Spania

Desalinizarea este un proces care îndepărtează componentele minerale din apa salină . Mai general, desalinizarea se referă la îndepărtarea sărurilor și mineralelor dintr-o substanță țintă, ca și în desalinizarea solului , care este o problemă pentru agricultură. Apa sărată (în special apa de mare ) este desalinizată pentru a produce apă potrivită pentru consumul uman sau pentru irigații . Produsul secundar al procesului de desalinizare este saramura . Desalinizarea este utilizată pe multe nave maritime și submarine . Cea mai mare parte a interesului modern pentru desalinizare se concentrează pe furnizarea eficientă din punct de vedere al costurilor de apă proaspătă pentru uz uman. Alături de apele uzate reciclate , este una dintre puținele resurse de apă independente de precipitații .

Datorită consumului său de energie, desalinizarea apei de mare este, în general, mai costisitoare decât apa dulce din apele de suprafață sau din apele subterane , reciclarea apei și conservarea apei . Cu toate acestea, aceste alternative nu sunt întotdeauna disponibile, iar epuizarea rezervelor este o problemă critică la nivel mondial. Procesele de desalinizare sunt de obicei conduse fie de tipul de energie primară fie termică (în cazul distilării ), fie mecanică (în cazul osmozei inverse ).

Aplicații

Audio extern
pictogramă audio „Înflorirea deșerturilor: valorificarea naturii pentru a ne elibera de secetă” , Distilări Podcast și transcriere, Episodul 239, 19 martie 2019, Science History Institute
Schematică a unui multietajate bliț desalinizare
A - abur în B - apă de mare în C - apă potabilă din
D - saramură afară (deșeuri) E - condens din F - schimb de căldură G - colectare condens (apa desalinizată)
H - saramura încălzitorului
de vas de presiune acte ca schimbător de căldură contracurent . O pompă de vid scade presiunea din vas pentru a facilita evaporarea apei de mare încălzite ( saramură ) care pătrunde în vas din partea dreaptă (nuanțele mai închise indică o temperatură mai scăzută). Aburul se condensează pe conductele de deasupra vasului în care apa proaspătă de mare se deplasează de la stânga la dreapta.
Planul unei instalații tipice de desalinizare cu osmoză inversă

În prezent există aproximativ 21.000 de plante de desalinizare în funcțiune pe tot globul. Cele mai mari sunt în Emiratele Arabe Unite , Arabia Saudită și Israel . Cea mai mare instalație de desalinizare din lume este situată în Arabia Saudită ( Uzina Ras Al-Khair de putere și desalinizare ) cu o capacitate de 1.401.000 de metri cubi pe zi.

Desalinizarea este în prezent scumpă în comparație cu majoritatea surselor alternative de apă și numai o fracțiune foarte mică din utilizarea totală a omului este satisfăcută de desalinizare. De obicei, este practic numai din punct de vedere economic pentru utilizări de înaltă valoare (cum ar fi uz casnic și industrial) în zonele aride . Cu toate acestea, există o creștere a desalinizării pentru uz agricol și zone foarte populate, cum ar fi Singapore sau California. Cea mai extinsă utilizare este în Golful Persic .

Deși constată că costurile scad și, în general, sunt pozitive în ceea ce privește tehnologia pentru zonele bogate din apropierea oceanelor, un studiu din 2004 a susținut că „apa desalinizată poate fi o soluție pentru unele regiuni cu stres hidric, dar nu și pentru locurile sărace, adânci în interiorul unui continent sau la cote mari. Din păcate, acesta include unele dintre locurile cu cele mai mari probleme cu apa. " costuri de transport egale cu costurile de desalinizare.

Astfel, poate fi mai economic să transportăm apă proaspătă din altă parte decât să o desalinizăm. În locuri îndepărtate de mare, cum ar fi New Delhi , sau în locuri înalte, precum Mexico City , costurile de transport s-ar putea potrivi cu costurile de desalinizare. Apa desalinizată este, de asemenea, scumpă în locuri care sunt atât oarecum departe de mare și oarecum înalte, cum ar fi Riyadh și Harare . În schimb , în alte locații costurile de transport sunt mult mai puțin, cum ar fi Beijing , Bangkok , Zaragoza , Phoenix , și, desigur, orașe de coastă cum ar fi Tripoli .“După desalinizare la Jubail , Arabia Saudita, apa este pompată 320 km interioare la Riyadh . Pentru orașele de coastă, desalinizarea este privită din ce în ce mai mult ca o alegere competitivă.

Nu toată lumea este convinsă că desalinizarea este sau va fi viabilă din punct de vedere economic sau durabilă din punct de vedere ecologic pentru viitorul previzibil. Debbie Cook a scris în 2011 că instalațiile de desalinizare pot fi consumatoare de energie și costisitoare. Prin urmare, regiunile cu stres de apă ar putea face mai bine să se concentreze asupra conservării sau altor soluții de alimentare cu apă decât să investească în instalații de desalinizare.

Tehnologii

Desalinizarea este un proces artificial prin care apa salină (în general apă de mare ) este convertită în apă proaspătă. Cele mai frecvente procese de desalinizare sunt distilarea și osmoza inversă .

Există mai multe metode. Fiecare are avantaje și dezavantaje, dar toate sunt utile. Metodele pot fi împărțite în metode bazate pe membrană (de exemplu, osmoză inversă ) și termică (de exemplu, distilare rapidă cu mai multe etape ). Procesul tradițional de desalinizare este distilare , respectiv de fierbere și re- condensare a apei de mare la sare de concediu și impuritățile din spatele.

În prezent, există două tehnologii cu capacitate mai mare de desalinizare în lume, distilarea rapidă în mai multe etape și osmoza inversă .

Distilare

Distilarea solară

Distilarea solară imită ciclul natural al apei, în care soarele încălzește suficient apa de mare pentru a se produce evaporarea. După evaporare, vaporii de apă sunt condensați pe o suprafață rece. Există două tipuri de desalinizare solară. Primul utilizează celule fotovoltaice care transformă energia solară în energie electrică pentru a alimenta procesul de desalinizare. Acesta din urmă folosește energia solară sub forma căldurii în sine și este cunoscut sub numele de desalinizare cu energie termică solară.

Evaporarea naturală

Apa se poate evapora prin alte câteva efecte fizice în afară de iradierea solară. Aceste efecte au fost incluse într-o metodologie de desalinizare multidisciplinară în sera IBTS . IBTS este o centrală industrială de desalinizare (electrică) pe o parte și o seră care funcționează cu ciclul natural al apei (redus la 1:10) pe cealaltă parte. Diferitele procese de evaporare și condensare sunt găzduite în utilități de mică tehnologie, parțial subterane și în forma arhitecturală a clădirii în sine. Acest sistem biotectural integrat este cel mai potrivit pentru ecologizarea pe scară largă a deșertului , deoarece are o amprentă de km 2 pentru distilarea apei și același lucru pentru transformarea peisajului în ecologizarea deșertului, respectiv regenerarea ciclurilor naturale de apă dulce.

Desalinizarea apei
Metode

Distilarea sub vid

La distilarea sub vid presiunea atmosferică este redusă, scăzând astfel temperatura necesară pentru evaporarea apei. Lichidele fierb când presiunea vaporilor este egală cu presiunea ambientală și presiunea vaporilor crește odată cu temperatura. Efectiv, lichidele fierb la o temperatură mai scăzută, când presiunea atmosferică este mai mică decât presiunea atmosferică obișnuită. Astfel, din cauza presiunii reduse, poate fi utilizată căldura „uzată” la temperatură scăzută din generarea de energie electrică sau din procesele industriale.

Distilare rapidă în mai multe etape

Apa este evaporată și separată de apa mării prin distilare rapidă în mai multe etape , care este o serie de evaporări rapide . Fiecare proces ulterior de flash utilizează energia eliberată din condensarea vaporilor de apă din etapa anterioară.

Distilare cu efect multiplu

Distilarea cu efect multiplu (MED) funcționează printr-o serie de pași numiți „efecte”. Apa de intrare este pulverizată pe țevile care sunt apoi încălzite pentru a genera abur. Aburul este apoi folosit pentru a încălzi următorul lot de apă de mare primită. Pentru a crește eficiența, aburul folosit pentru încălzirea apei de mare poate fi preluat de la centralele din apropiere. Deși această metodă este cea mai eficientă termodinamic dintre metodele alimentate de căldură, există câteva limitări, cum ar fi temperatura maximă și numărul maxim de efecte.

Distilarea prin compresie de vapori

Evaporarea prin compresie de vapori implică utilizarea fie a unui compresor mecanic, fie a unui jet de jet pentru a comprima vaporii prezenți deasupra lichidului. Vaporii comprimați sunt apoi folosiți pentru a furniza căldura necesară pentru evaporarea restului apei de mare. Deoarece acest sistem necesită doar energie, este mai rentabil dacă este păstrat la scară mică.

Desalinizare cu undă

CETO este o tehnologie de alimentare cu unde care desalinizează apa de mare folosind geamanduri scufundate. Instalațiile de desalinizare cu undă au început să funcționeze pe Garden Island din Australia de Vest în 2013 și în Perth în 2015.

Distilarea membranei

Distilarea cu membrană utilizează o diferență de temperatură pe o membrană pentru a evapora vaporii dintr-o soluție de saramură și pentru a condensa apa pură pe partea mai rece. Proiectarea membranei poate avea un efect semnificativ asupra eficienței și durabilității. Un studiu a constatat că o membrană creată prin electro -filare coaxială a PVDF - HFP și a gelului de siliciu a reușit să filtreze 99,99% sare după utilizarea continuă de 30 de zile.

Osmoză

Osmoza inversa

Procesul principal pentru desalinizare în ceea ce privește capacitatea instalată și creșterea anuală este osmoza inversă (RO). Procesele cu membrană RO utilizează membrane semipermeabile și presiunea aplicată (pe partea de alimentare a membranei) pentru a induce preferențial permeabilitatea apei prin membrană, respingând în același timp sărurile. Sistemele de membrană a plantelor cu osmoză inversă utilizează de obicei mai puțină energie decât procesele de desalinizare termică. Costul energiei în procesele de desalinizare variază considerabil în funcție de salinitatea apei, mărimea plantei și tipul procesului. În prezent, costul desalinizării apei de mare, de exemplu, este mai mare decât sursele tradiționale de apă, dar se așteaptă ca costurile să continue să scadă odată cu îmbunătățirile tehnologice care includ, dar nu se limitează la, îmbunătățirea eficienței, reducerea amprentei plantelor, îmbunătățirea funcționarea și optimizarea instalației, pretratarea mai eficientă a furajelor și surse de energie cu costuri mai mici.

Osmoza inversă folosește o membrană compozită cu film subțire, care cuprinde un film subțire de poliamidă aromatică ultra-subțire. Această peliculă de poliamidă conferă membranei proprietățile sale de transport, în timp ce restul membranei compozite cu film subțire oferă suport mecanic. Pelicula de poliamidă este un polimer dens, fără goluri, cu o suprafață ridicată, permițând permeabilitatea sa ridicată la apă. Un studiu recent a constatat că permeabilitatea la apă este guvernată în primul rând de distribuția internă a masei la scară nanomatică a stratului activ de poliamidă.

Procesul de osmoză inversă nu necesită întreținere. Diverși factori interferează cu eficiența: contaminarea ionică (calciu, magneziu etc.); carbon organic dizolvat (DOC); bacterii; viruși; coloizi și particule insolubile; biofouling și scalare . În cazuri extreme, membranele RO sunt distruse. Pentru a atenua daunele, sunt introduse diferite etape de pretratare. Inhibitorii anti-scalare includ acizi și alți agenți precum polimerii organici poliacrilamidă și acid polimaleic , fosfați și polifosfați . Inhibitorii pentru murdărire sunt biocide (ca oxidanți împotriva bacteriilor și virusurilor), cum ar fi clor, ozon, sodiu sau calciu hipoclorit. La intervale regulate, în funcție de contaminarea membranei; condiții fluctuante ale apei de mare; sau atunci când este solicitat prin procese de monitorizare, membranele trebuie curățate, cunoscute sub numele de urgență sau spălare cu șocuri. Spălarea se face cu inhibitori într-o soluție de apă proaspătă și sistemul trebuie să deconecteze. Această procedură este riscantă pentru mediu, deoarece apa contaminată este deviată în ocean fără tratament. Habitatele marine sensibile pot fi afectate ireversibil.

Unitățile de desalinizare cu energie solară în afara rețelei utilizează energia solară pentru a umple cu apă de mare un rezervor tampon pe un deal. Procesul de osmoză inversă primește prin gravitație alimentarea cu apă de mare sub presiune, în afara orelor de soare, rezultând o producție durabilă de apă potabilă fără a fi nevoie de combustibili fosili, o rețea electrică sau baterii. Nano-tuburile sunt, de asemenea, utilizate pentru aceeași funcție (de exemplu, osmoza inversă).

Osmoza directă

Osmoza directă folosește o membrană semipermeabilă pentru a efectua separarea apei de substanțele dizolvate dizolvate. Forța motrice pentru această separare este un gradient de presiune osmotic, astfel încât o soluție „atrag” de concentrație ridicată.

Îngheț-dezgheț

Desalinizarea prin îngheț-dezgheț (sau desalinizarea prin îngheț) folosește înghețarea pentru a elimina apa proaspătă din apa sărată. Apa sărată este pulverizată în condiții de îngheț într-un tampon unde se acumulează o grămadă de gheață. Când condițiile sezoniere sunt calde, apa topită natural desalinizată este recuperată. Această tehnică se bazează pe perioade prelungite de condiții naturale de îngheț.

O altă metodă de îngheț-dezgheț, care nu depinde de vreme și inventată de Alexander Zarchin , îngheță apa de mare în vid. În condiții de vid, gheața, desalinizată, este topită și deviată pentru colectare, iar sarea este colectată.

Membrana de electrodializă

Electrodializa utilizează potențialul electric pentru a muta sărurile prin perechi de membrane încărcate, care prind sarea în canale alternative. Există mai multe variante ale electrodializei, cum ar fi electrodializa convențională , inversarea electrodializei .

Aspecte de proiectare

Consumul de energie

Consumul de energie al procesului de desalinizare depinde de salinitatea apei. Desalinizarea apei salmastre necesită mai puțină energie decât cea a apei de mare . Consumul de energie al desalinizării apei de mare a ajuns la 3 kWh / m³, inclusiv pre-filtrare și accesorii, similar consumului de energie al altor surse de apă dulce transportate pe distanțe mari, dar mult mai mare decât sursele locale de apă dulce care utilizează 0,2 kWh / m 3 sau mai puțin.

A fost determinat un consum minim de energie pentru desalinizarea apei de mare de aproximativ 1 kWh / m 3 , excluzând prefiltrarea și pomparea de admisie / ieșire. S-a realizat sub 2 kWh / m 3 cu ajutorul tehnologiei cu membrană de osmoză inversă , lăsând posibilități limitate pentru reduceri suplimentare de energie, deoarece consumul de energie de osmoză inversă din anii 1970 a fost de 16 kWh / m 3 .

Furnizarea întregii ape menajere din SUA prin desalinizare ar crește consumul de energie menajeră cu aproximativ 10%, aproximativ cantitatea de energie utilizată de frigiderele menajere. Consumul intern este o fracțiune relativ mică din consumul total de apă.

Consumul de energie al metodelor de desalinizare a apei de mare.
Metoda desalinizării >> Flash MSF cu mai multe etape Distilare multi-efect MED Compresie mecanică a vaporilor MVC RO cu osmoză inversă
Energie electrică (kWh / m 3 ) 4-6 1,5–2,5 7-12 3–5,5
Energie termică (kWh / m 3 ) 50-110 60–110 Nici unul Nici unul
Echivalentul electric al energiei termice (kWh / m 3 ) 9,5–19,5 5–8,5 Nici unul Nici unul
Energie electrică echivalentă totală (kWh / m 3 ) 13,5–25,5 6.5-11 7-12 3–5,5

Notă: „Echivalent electric” se referă la cantitatea de energie electrică care ar putea fi generată folosind o cantitate dată de energie termică și un generator de turbină adecvat. Aceste calcule nu includ energia necesară pentru construirea sau recondiționarea articolelor consumate în proces.

Având în vedere natura intensă a energiei desalinizării, cu costurile economice și de mediu asociate, desalinizarea este în general considerată o ultimă soluție după conservarea apei . Dar acest lucru se schimbă pe măsură ce prețurile continuă să scadă.

Cogenerare

Cogenerarea generează excesul de căldură și electricitate dintr-un singur proces. Cogenerarea poate furniza căldură utilizabilă pentru desalinizare într-o instalație integrată sau „cu dublu scop” în care o centrală electrică furnizează energia pentru desalinizare. Alternativ, producția de energie a instalației poate fi dedicată producției de apă potabilă (o instalație autonomă) sau se poate produce exces de energie și încorporat în rețeaua de energie. Cogenerarea ia diferite forme și teoretic ar putea fi utilizată orice formă de producere a energiei. Cu toate acestea, majoritatea centralelor de desalinizare actuale și planificate folosesc combustibili fosili sau energie nucleară ca sursă de energie. Majoritatea plantelor sunt situate în Orientul Mijlociu sau Africa de Nord , care își folosesc resursele petroliere pentru a compensa resursele de apă limitate. Avantajul instalațiilor cu dublu scop este că pot fi mai eficiente în consumul de energie, făcând astfel desalinizarea mai viabilă.

Shevchenko BN-350 , o fostă unitate de desalinizare încălzită nucleare în Kazahstan

Tendința actuală în instalațiile cu scop dublu este configurațiile hibride, în care permeata de la desalinizarea cu osmoză inversă este amestecată cu distilatul de la desalinizarea termică. Practic, două sau mai multe procese de desalinizare sunt combinate împreună cu producția de energie. Astfel de facilități au fost implementate în Arabia Saudită la Jeddah și Yanbu .

Un exemplu tipic SuperCarrier în armata SUA este capabil să utilizeze energia nucleară desalinizare 1500000 L de apă pe zi.

Alternative la desalinizare

Conservarea și eficiența sporită a apei rămân cele mai eficiente abordări din punct de vedere al costurilor în zonele cu un potențial mare de îmbunătățire a eficienței practicilor de utilizare a apei. Recuperarea apelor uzate oferă multiple beneficii față de desalinizarea apei saline, deși folosește de obicei membrane de desalinizare. Scurgerea urbană și captarea apei pluviale oferă, de asemenea, beneficii în tratarea, refacerea și reîncărcarea apei subterane.

O alternativă propusă la desalinizare în sud-vestul american este importul comercial de apă în vrac din zonele bogate în apă, fie de petrolierele transformate în transportatori de apă, fie de conducte. Ideea este nepopulară din punct de vedere politic în Canada, unde guvernele au impus bariere comerciale în calea exporturilor de apă în vrac ca urmare a unei revendicări a Acordului de liber schimb nord-american (NAFTA).

Cheltuieli

Factorii care determină costurile pentru desalinizare includ capacitatea și tipul instalației, locația, apa de alimentare, forța de muncă, energia, finanțarea și eliminarea concentratului. Costurile desalinizării apei de mare (infrastructură, energie și întreținere) sunt, în general, mai mari decât apa dulce din râuri sau ape subterane , reciclarea apei și conservarea apei , dar alternative nu sunt întotdeauna disponibile. Costurile de desalinizare în 2013 au variat de la 0,45 USD la 1,00 USD / m 3 . Mai mult de jumătate din cost provine direct din costul energiei și, din moment ce prețurile la energie sunt foarte volatile, costurile reale pot varia substanțial.

Costul apei proaspete netratate în lumea în curs de dezvoltare poate ajunge la 5 USD / metru cub.

Compararea costurilor metodelor de desalinizare
Metodă Cost (USD / litru)
Energie solară pasivă (30,42% eficientă din punct de vedere energetic) 0,034
Solar pasiv (cu o singură pantă îmbunătățit, India) 0,024
Solar pasiv (dublă pantă îmbunătățită, India) 0,007
Bliț în mai multe etape (MSF) <0,001
Osmoză inversă (energie solară concentrată) 0,0008
Osmoză inversă (energie fotovoltaică) 0,000825
Consumul mediu de apă și costul aprovizionării cu desalinizarea apei de mare la 1 USD pe metru cub (± 50%)
Zonă Consum
Litru / persoană / zi
Costul apei desalinizate
USD / persoană / zi
S.U.A. 0378 00,38
Europa 0189 00,19
Africa 0057 00,06
Minim recomandat de ONU 0049 00,05

Desalinizarea alambicuri Concentrațiile de presiune de control, temperatura si saramura eficienta optimizai. Desalinizarea cu energie nucleară ar putea fi economică la scară largă.

În 2014, instalațiile israeliene din Hadera, Palmahim, Ashkelon și Sorek desalinizau apa pentru mai puțin de 0,40 USD pe metru cub. Începând din 2006, Singapore desaliniza apa pentru 0,49 dolari SUA pe metru cub.

Aspecte de mediu

Admisie

În Statele Unite, structurile de admisie a apei de răcire sunt reglementate de Agenția pentru Protecția Mediului (EPA). Aceste structuri pot avea aceleași efecte asupra mediului ca și aporturile instalației de desalinizare. Potrivit EPA, structurile de admisie a apei provoacă un impact negativ asupra mediului prin aspirarea peștilor și a crustaceelor ​​sau a ouălor lor într-un sistem industrial. Acolo, organismele pot fi ucise sau rănite de căldură, stres fizic sau substanțe chimice. Organismele mai mari pot fi ucise sau rănite atunci când devin prinse împotriva ecranelor din partea din față a unei structuri de admisie. Tipurile alternative de admisie care atenuează aceste impacturi includ puțurile de plajă, dar necesită mai multă energie și costuri mai mari.

Desalinizarea Plant Kwinana deschis în Perth în 2007. Apa acolo si la Queensland Gold Coast Desalinizarea Plant și Sydney Kurnell Desalinizarea Plant este retras la 0,1 m / s (0,33 ft / s), care este suficient de lent pentru a permite scape de pește. Fabrica furnizează aproape 140.000 m 3 (4.900.000 m3 ) de apă curată pe zi.

Debit

Procesele de desalinizare produc cantități mari de saramură , posibil la o temperatură peste temperatura ambiantă și conțin reziduuri de pretratare și substanțe chimice de curățare, produse secundare ale reacției lor și metale grele datorate coroziunii (în special în instalațiile termice). Pre-tratarea chimică și curățarea sunt o necesitate în majoritatea instalațiilor de desalinizare, care includ de obicei prevenirea bioincrustării, descuamării, spumării și coroziunii în instalațiile termice și a bioincrustării, a solidelor suspendate și a depunerilor de solzi în plantele cu membrană.

Pentru a limita impactul asupra mediului al întoarcerii saramurii în ocean, acesta poate fi diluat cu un alt flux de apă care intră în ocean, cum ar fi ieșirea unei stații de tratare a apelor uzate sau a unei centrale electrice. Cu centrala electrică medie și mare și centrele de desalinizare, fluxul de apă de răcire al centralei este probabil de câteva ori mai mare decât cel al centralei de desalinizare, reducând salinitatea combinației. O altă metodă de diluare a saramurii este amestecarea acestuia printr-un difuzor într-o zonă de amestecare. De exemplu, odată ce o conductă care conține saramură ajunge la fundul mării, se poate împărți în multe ramuri, fiecare eliberând saramură treptat prin găuri mici de-a lungul lungimii sale. Amestecarea poate fi combinată cu diluarea centralei electrice sau a apei uzate. Mai mult, pot fi adoptate sisteme de descărcare de lichid zero pentru tratarea saramurii înainte de eliminare.

O altă posibilitate este de a face instalația de desalinizare mobilă, evitând astfel că saramura se acumulează într-o singură locație (deoarece continuă să fie produsă de instalația de desalinizare). Au fost construite unele astfel de instalații mobile de desalinizare (conectate la navă).

Saramura este mai densă decât apa de mare și, prin urmare, se scufundă pe fundul oceanului și poate deteriora ecosistemul. S-a observat că penele de saramură se diminuează în timp până la o concentrație diluată, până acolo unde nu a existat prea puțin sau niciun efect asupra mediului înconjurător. Cu toate acestea, studiile au arătat că diluarea poate fi înșelătoare din cauza adâncimii la care a avut loc. Dacă diluția a fost observată în timpul sezonului de vară, există posibilitatea că ar fi putut exista un eveniment sezonier de termoclină care ar fi putut împiedica scufundarea saramurii concentrate pe fundul mării. Acest lucru are potențialul de a nu perturba ecosistemul fundului mării și, în schimb, apele de deasupra acestuia. S-a văzut că dispersia saramurii de la plantele de desalinizare se deplasează la câțiva kilometri distanță, ceea ce înseamnă că are potențialul de a provoca daune ecosistemelor îndepărtate de plante. Reintroducerea atentă cu măsuri adecvate și studii de mediu poate reduce la minimum această problemă.

Alte probleme

Datorită naturii procesului, este necesară amplasarea plantelor pe aproximativ 25 de acri de teren pe sau lângă țărm. În cazul unei instalații construite în interior, țevile trebuie așezate în pământ pentru a permite admisia și ieșirea ușoară. Cu toate acestea, odată ce țevile sunt așezate în pământ, acestea au posibilitatea să se scurgă și să contamineze acviferele din apropiere. În afară de riscurile de mediu, zgomotul generat de anumite tipuri de instalații de desalinizare poate fi puternic.

Aspecte de sănătate

Deficitul de iod

Desalinizarea îndepărtează iodul din apă și ar putea crește riscul apariției tulburărilor de deficit de iod . Cercetătorii israelieni au susținut o posibilă legătură între desalinizarea apei de mare și deficiența de iod, găsind deficite de iod în rândul adulților expuși la apă săracă în iod concomitent cu o proporție tot mai mare a apei potabile din zona lor din osmoza inversă a apei de mare (SWRO). Ulterior au descoperit tulburări probabile de deficit de iod la o populație care depinde de apa de mare desalinizată. Cercetătorii israelieni au sugerat o posibilă legătură între utilizarea intensă a apei desalinizate și deficiența națională de iod. Ei au descoperit o povară ridicată a deficitului de iod în populația generală din Israel: 62% dintre copiii de vârstă școlară și 85% dintre femeile însărcinate se situează sub nivelul de adecvare al OMS. Aceștia au subliniat, de asemenea, dependența națională de apa desalinizată sărăcită cu iod, absența unui program universal de iodare a sării și rapoartele privind utilizarea crescută a medicamentelor tiroidiene în Israel ca posibile motive pentru care aportul de iod al populației este scăzut. În anul în care a fost realizat sondajul, cantitatea de apă produsă din instalațiile de desalinizare constituie aproximativ 50% din cantitatea de apă dulce furnizată pentru toate nevoile și aproximativ 80% din apa furnizată pentru nevoile casnice și industriale din Israel.

Tehnici experimentale

Alte tehnici de desalinizare includ:

Căldură uzată

Tehnologiile de desalinizare acționate termic sunt frecvent sugerate pentru utilizarea cu surse de căldură reziduale la temperatură scăzută, deoarece temperaturile scăzute nu sunt utile pentru multe procese industriale, dar sunt ideale pentru temperaturile mai scăzute care se găsesc în desalinizare. De fapt, o astfel de asociere cu căldura uzată poate chiar îmbunătăți procesul electric: generatoarele diesel furnizează în mod obișnuit energie electrică în zone îndepărtate. Aproximativ 40-50% din puterea de energie este căldură de calitate inferioară, care părăsește motorul prin evacuare. Conectarea unei tehnologii de desalinizare termică, cum ar fi sistemul de distilare cu membrană , la eșapamentul motorului diesel reface această căldură de calitate inferioară pentru desalinizare. Sistemul răcește în mod activ generatorul de motorină , îmbunătățindu-i eficiența și crescând puterea de energie electrică. Acest lucru are ca rezultat o soluție de desalinizare neutră din punct de vedere energetic. Un exemplu de fabrică a fost comandat de compania olandeză Aquaver în martie 2014 pentru Gulhi , Maldive .

Termică la temperatură scăzută

Originar rezultat din cercetarea de conversie a energiei termice oceanice , desalinizarea termică la temperatură scăzută (LTTD) profită de fierberea apei la presiune scăzută, chiar și la temperatura ambiantă . Sistemul folosește pompe pentru a crea un mediu cu presiune scăzută și temperatură scăzută în care apa fierbe la un gradient de temperatură de 8-10 ° C (46-50 ° F) între două volume de apă. Apa rece a oceanului este furnizată de la adâncimi de până la 600 m (2.000 ft). Această apă este pompată prin bobine pentru a condensa vaporii de apă. Condensatul rezultat este apă purificată. LTTD poate profita de gradientul de temperatură disponibil la centralele electrice, unde cantități mari de apă uzată caldă sunt evacuate din centrală, reducând aportul de energie necesar pentru a crea un gradient de temperatură.

Au fost efectuate experimente în SUA și Japonia pentru a testa abordarea. În Japonia, un sistem de evaporare cu bliț spray a fost testat de Universitatea Saga. În Hawaii, Laboratorul Național de Energie a testat o instalație OTEC cu ciclu deschis, cu apă proaspătă și producție de energie electrică, utilizând o diferență de temperatură de 20 ° C între apa de suprafață și apa la o adâncime de aproximativ 500 m (1.600 ft). LTTD a fost studiat de Institutul Național de Tehnologie Oceanică din India (NIOT) în 2004. Prima lor fabrică LTTD a fost deschisă în 2005 la Kavaratti din insulele Lakshadweep . Capacitatea centralei este de 100.000 L (22.000 gal gal; 26.000 gal gal SUA) / zi, la un cost de capital de 50 milioane INR (922.000 EUR). Planta folosește apă adâncă la o temperatură de 10 până la 12 ° C (50 până la 54 ° F). În 2007, NIOT a deschis o instalație LTTD experimentală, plutitoare, în largul coastei Chennai , cu o capacitate de 1.000.000 L (220.000 gal gal; 260.000 gal gal SUA) / zi. O centrală mai mică a fost înființată în 2009 la stația termică nordică Chennai pentru a dovedi aplicația LTTD unde este disponibilă apa de răcire a centralei electrice.

Proces termoionic

În octombrie 2009, Saltworks Technologies a anunțat un proces care utilizează căldura solară sau altă căldură termică pentru a conduce un curent ionic care îndepărtează toți ionii de sodiu și clor din apă folosind membrane de schimb ionic.

Evaporarea și condensarea culturilor

Seawater Sera foloseste procese de evaporare naturală și condensare în interiorul unui efect de seră alimentat de energie solară să crească culturi în terenuri aride de coastă.

Alte abordări

Desalinizarea pe bază de adsorbție (AD) se bazează pe proprietățile de absorbție a umidității anumitor materiale, cum ar fi silicagelul.

Osmoza directă

Un proces a fost comercializat de Modern Water PLC folosind osmoză directă , cu un număr de plante raportat că funcționează.

Desalinizare pe bază de hidrogel

Schema mașinii de desalinizare: cutia de desalinizare a volumului V _ box conține un gel de volum V _ gel care este separat printr-o sită de volumul soluției externe V _ out = V _ box - V _ gel . Cutia este conectată la două rezervoare mari cu salinitate ridicată și scăzută prin două robinete care pot fi deschise și închise după cum doriți. Lanțul de găleți exprimă consumul de apă dulce urmat de reumplerea rezervorului cu salinitate redusă cu apă sărată.

Ideea metodei constă în faptul că atunci când hidrogelul este pus în contact cu soluție apoasă de sare, se umflă absorbind o soluție cu o compoziție ionică diferită de cea originală. Această soluție poate fi extrasă cu ușurință din gel prin intermediul sitei sau a membranei de microfiltrare. Comprimarea gelului în sistem închis duce la modificarea concentrației de sare, în timp ce comprimarea în sistem deschis, în timp ce gelul schimbă ioni cu vrac, duce la modificarea numărului de ioni. Consecința comprimării și umflării în condițiile sistemului deschis și închis imită ciclul invers Carnot al mașinii frigorifice. Singura diferență este că, în loc de căldură, acest ciclu transferă ioni de sare din cea mai mare salinitate scăzută în cea mai mare din salinitatea mare. Similar ciclului Carnot, acest ciclu este complet reversibil, deci poate funcționa în principiu cu o eficiență termodinamică ideală. Deoarece metoda este lipsită de utilizarea membranelor osmotice, ea poate concura cu metoda osmozei inverse. În plus, spre deosebire de osmoza inversă, abordarea nu este sensibilă la calitatea apei de alimentare și la modificările sale sezoniere și permite producerea apei cu orice concentrație dorită.

Solar la scară mică

Statele Unite, Franța și Emiratele Arabe Unite lucrează la dezvoltarea desalinizării solare practice . WaterStillar-ul AquaDania a fost instalat la Dahab, Egipt și în Playa del Carmen, Mexic. În această abordare, un colector solar termic care măsoară doi metri pătrați poate distila de la 40 la 60 de litri pe zi din orice sursă locală de apă - de cinci ori mai mult decât fotografiile convenționale. Elimină necesitatea sticlelor PET din plastic sau a transportului de apă consumator de energie. În California centrală, o companie de start-up WaterFX dezvoltă o metodă de desalinizare alimentată cu energie solară, care poate permite utilizarea apei locale, inclusiv a apei de scurgere care pot fi tratate și utilizate din nou. Apele subterane sărate din regiune ar fi tratate pentru a deveni apă dulce, iar în zonele din apropierea oceanului, apa de mare ar putea fi tratată.

Passarell

Procesul Passarell folosește presiunea atmosferică redusă mai degrabă decât căldura pentru a conduce la desalinizarea evaporativă. Vaporii de apă puri generați prin distilare sunt apoi comprimați și condensați utilizând un compresor avansat. Procesul de compresie îmbunătățește eficiența distilării prin crearea unei presiuni reduse în camera de evaporare. Compresorul centrifugează vaporii de apă pură după ce este tras printr-un demister (eliminând impuritățile reziduale) determinându-l să se comprime împotriva tuburilor din camera de colectare. Compresia vaporilor îi mărește temperatura. Căldura este transferată în apa de intrare care cade în tuburi, vaporizând apa din tuburi. Vaporii de apă se condensează la exteriorul tuburilor ca apă produsă. Prin combinarea mai multor procese fizice, Passarell permite reciclarea majorității energiei sistemului prin evaporarea, dezaburirea, compresia vaporilor, condensarea și mișcarea apei.

Geotermală

Energia geotermală poate determina desalinizarea. În majoritatea locațiilor, desalinizarea geotermală bate folosind ape subterane sau ape de suprafață rare, din punct de vedere ecologic și economic.

Nanotehnologie

Membranele nanotubice cu permeabilitate mai mare decât generația actuală de membrane pot duce la o eventuală reducere a amprentei instalațiilor de desalinizare RO. De asemenea, s-a sugerat că utilizarea unor astfel de membrane va duce la reducerea energiei necesare pentru desalinizare.

Membranele nano- compozite ermetice, sulfonate , s-au dovedit a fi capabile să îndepărteze diferiți contaminanți la părți pe miliard de nivel și au o susceptibilitate redusă sau deloc la niveluri ridicate de concentrație de sare.

Biomimeză

Membranele biomimetice sunt o altă abordare.

Electrochimic

În 2008, Siemens Water Technologies a anunțat tehnologia care a aplicat câmpuri electrice pentru a desaliniza un metru cub de apă, utilizând în același timp doar o presupusă energie de 1,5 kWh. Dacă este precis, acest proces ar consuma jumătate din energia altor procese. Începând din 2012, o fabrică demonstrativă funcționa în Singapore. Cercetătorii de la Universitatea Texas din Austin și Universitatea din Marburg dezvoltă metode mai eficiente de desalinizare a apei de mare mediată electrochimic.

Șocuri electrocinetice

Un proces care utilizează unde electrocinetice de șocuri poate fi utilizat pentru a realiza desalinizarea fără membrană la temperatura și presiunea ambiantă. În acest proces, anioni și cationi din apa sărată sunt schimbați cu anioni carbonat și cationi de calciu, respectiv folosind unde electrocinetice. Ionii de calciu și carbonat reacționează pentru a forma carbonat de calciu , care precipită, lăsând apă proaspătă. Eficiența energetică teoretică a acestei metode este egală cu electrodializa și osmoza inversă .

Extracția solventului oscilant de temperatură

Extracția solventului cu schimbare de temperatură (TSSE) folosește un solvent în locul unei membrane sau la temperaturi ridicate.

Extracția solventului este o tehnică obișnuită în ingineria chimică . Poate fi activat prin căldură slabă (mai puțin de 70 ° C (158 ° F), care poate să nu necesite încălzire activă. Într-un studiu, TSSE a eliminat până la 98,4% din sarea din saramură. Un solvent a cărui solubilitate variază în funcție de temperatura este adăugată la apa sărată. La temperatura camerei solventul atrage moleculele de apă din sare. Solventul încărcat cu apă este apoi încălzit, determinând solventul să elibereze acum apa fără sare.

Poate desaliniza saramură extrem de sărată de până la șapte ori mai sărată decât oceanul. Pentru comparație, metodele actuale pot face față saramurii doar de două ori mai sărat.

Instalații de desalinizare

  • Perth a început să opereze o instalație de desalinizare a apei de mare cu osmoză inversă în 2006. Stația de desalinizare Perth este alimentată parțial cu energie regenerabilă de la Parcul Eolian Emu Downs .
  • O fabrică de desalinizare funcționează acum în Sydney , iar planta de desalinizare Wonthaggi era în construcție în Wonthaggi, Victoria . Un parc eolian de la Bungendore din New South Wales a fost construit special pentru a genera suficientă energie regenerabilă pentru a compensa consumul de energie al uzinei din Sydney, atenuând îngrijorările cu privire la emisiile nocive de gaze cu efect de seră .
  • Un articol din 17 ianuarie 2008 din The Wall Street Journal spunea: „În noiembrie, Poseidon Resources Corp. din Connecticut a câștigat o aprobare de reglementare cheie pentru construirea fabricii de desalinizare a apei de 300 milioane dolari în Carlsbad , la nord de San Diego . produc 190.000 de metri cubi de apă potabilă pe zi, suficient pentru a alimenta aproximativ 100.000 de case. În iunie 2012, costul apei desalinizate a crescut la 2.329 dolari pe acru-picior. Fiecare 1.000 de dolari pe acru-picior se ridică la 3.06 dolari pentru 1.000 de galoane sau 0,81 dolari pe metru cub.

Pe măsură ce noile inovații tehnologice continuă să reducă costul de capital al desalinizării, mai multe țări construiesc instalații de desalinizare ca un element mic în abordarea problemelor lor de deficit de apă .

  • Israelul desalinizează apa pentru un cost de 53 de cenți pe metru cub
  • Singapore desalinizează apa pentru 49 de cenți pe metru cub și tratează, de asemenea, canalizarea cu osmoză inversă pentru uz industrial și potabil ( NEWater ).
  • China și India, cele mai populate două țări ale lumii, se îndreaptă spre desalinizare pentru a furniza o mică parte din nevoile lor de apă
  • În 2007, Pakistanul a anunțat planurile de utilizare a desalinizării
  • Toate capitalele australiene (cu excepția Darwin, Teritoriul de Nord și Hobart ) sunt fie în procesul de construire a instalațiilor de desalinizare, fie le folosesc deja. La sfârșitul anului 2011, Melbourne va începe să folosească cea mai mare instalație de desalinizare din Australia, planta de desalinizare Wonthaggi pentru a crește nivelurile scăzute ale rezervoarelor.
  • În 2007, Bermuda a semnat un contract pentru achiziționarea unei fabrici de desalinizare
  • Cea mai mare instalație de desalinizare din Statele Unite este cea din Tampa Bay , Florida , care a început să desalinizeze 25 de milioane de galoane (95000 m³) de apă pe zi în decembrie 2007. În Statele Unite, costul desalinizării este de 3,06 dolari pentru 1.000 de galoane, sau 81 de cenți pe metru cub. În Statele Unite, California , Arizona , Texas și Florida folosesc desalinizarea pentru o parte foarte mică a alimentării cu apă.
  • După ce a fost desalinizată la Jubail , Arabia Saudită , apa este pompată la 200 de mile (320 km) în interior, printr-o conductă către capitala Riyadh .

Începând din 2008, „la nivel mondial, 13.080 de plante de desalinizare produc mai mult de 12 miliarde de litri de apă pe zi, potrivit Asociației Internaționale a Desalinizării”. O estimare din 2009 a constatat că aprovizionarea cu apă desalinizată la nivel mondial se va tripla între 2008 și 2020.

Cea mai mare instalație de desalinizare din lume este instalația de desalinizare Jebel Ali (faza 2) din Emiratele Arabe Unite . Este o instalație cu dublu scop care utilizează distilarea rapidă în mai multe etape și este capabilă să producă 300 de milioane de metri cubi de apă pe an.

Un portavion tipic din armata SUA folosește energia nucleară pentru a desaliniza 400.000 de galoane americane (1.500.000 L) de apă pe zi.

În natură

Frunza de mangrovă cu cristale de sare

Evaporarea apei peste oceane în ciclul apei este un proces natural de desalinizare.

Formarea de gheață de mare produce gheață cu puțină sare, mult mai mică decât în ​​apa de mare.

Păsările marine distilează apa de mare folosind schimbul de contracurent într-o glandă cu o rete mirabile . Glanda secretă saramură foarte concentrată stocată lângă nările de deasupra ciocului. Pasărea „strănută” apoi saramura. Deoarece apa dulce nu este disponibilă de obicei în mediile lor, unele păsări marine, cum ar fi pelicanii , petrelii , albatrosii , pescărușii și șternurile , posedă această glandă, care le permite să bea apă sărată din mediul lor în timp ce sunt departe de uscat.

Mangrovii cresc în apa de mare; secretă sare prin prinderea ei în părți ale rădăcinii, care sunt apoi mâncate de animale (de obicei crabi). Sarea suplimentară este îndepărtată prin depozitare în frunze care cad. Unele tipuri de mangrove au glande pe frunze, care funcționează în mod similar cu glanda de desalinizare a păsărilor marine. Sarea este extrasă în exteriorul frunzei sub formă de cristale mici , care apoi cad din frunză.

Salcii și stufii absorb sarea și alți contaminanți, desalinizând efectiv apa. Acesta este utilizat în zonele umede construite artificial , pentru tratarea apelor uzate .

Istorie

Desalinizarea a fost cunoscută de istorie de milenii atât ca concept, cât și ca practică ulterioară, deși într-o formă limitată. Filozoful antic grec Aristotel a observat în lucrarea sa Meteorologie că „apa sărată, când se transformă în vapori, devine dulce și vaporii nu formează din nou apă sărată când se condensează” și a observat, de asemenea, că un vas fin de ceară ar deține apă potabilă după fiind scufundat suficient de mult în apa de mare, acționând ca o membrană pentru a filtra sarea. Există numeroase alte exemple de experimentare în desalinizare de-a lungul Antichității și Evului Mediu, dar desalinizarea nu a fost niciodată fezabilă pe scară largă până în era modernă. Un exemplu bun al acestei experimentări sunt observațiile lui Leonardo da Vinci (Florența, 1452), care au realizat că apa distilată se poate face simplu avantajos în cantități mari , prin adaptarea unei încă la un cookstove. În timpul Evului Mediu din alte părți ale Europei Centrale, lucrările au continuat la rafinări în distilare, deși nu neapărat îndreptate spre desalinizare.

Cu toate acestea, este posibil ca prima mare uzină de desalinizare terestră să fi fost instalată în condiții de urgență pe o insulă de pe coasta Tunisiei în 1560. Se crede că o garnizoană de 700 de soldați spanioli a fost asediată de un număr mare de turci. și că, în timpul asediului, capitanul responsabil fabricat o încă capabil să producă 40 de barili de apă proaspătă pe zi, deși detalii ale dispozitivului care nu au fost raportate.

Înainte de Revoluția Industrială , desalinizarea a fost în primul rând o preocupare pentru navele oceanice, care altfel trebuiau să păstreze la bord aprovizionarea cu apă dulce. Sir Richard Hawkins (1562-1622), care a efectuat numeroase călătorii în Marea Sudului, a raportat la întoarcere că a reușit să-și aprovizioneze oamenii cu apă proaspătă prin distilare la bord. În plus, la începutul anilor 1600, câteva figuri importante ale epocii, cum ar fi Francis Bacon sau Walter Raleigh, au publicat rapoarte despre desalinizarea apei. Aceste rapoarte și altele au creat climatul pentru prima dispută privind brevetele privind aparatele de desalinizare. Primele două brevete referitoare la desalinizarea apei datează din 1675 și 1683 (brevetele nr.184 și nr. 226, publicate de domnii William Walcot și respectiv Robert Fitzgerald (și alții), respectiv). Cu toate acestea, niciuna dintre cele două invenții nu a fost într-adevăr pusă în funcțiune ca o consecință a problemelor tehnice derivate din dificultăți de amplificare. Nu s-au făcut îmbunătățiri semnificative ale procesului de distilare de bază a apei de mare de ceva timp în timpul celor 150 de ani de la mijlocul anilor 1600 până la 1800.

Când fregata Protector a fost vândută Danemarcei în anii 1780 (ca nava Hussaren), planta de desalinizare a fost studiată și înregistrată în detaliu. În Statele Unite nou formate, Thomas Jefferson a catalogat metodele bazate pe căldură care se întorceau până în anii 1500 și au formulat sfaturi practice care au fost făcute publice tuturor navelor americane pe baza permiselor de degajare a navigației.

Începând cu aproximativ 1800, lucrurile au început să se schimbe foarte rapid ca urmare a apariției mașinii cu aburi și a așa-numitei epoci a aburului . Dezvoltarea unei cunoașteri a termodinamicii proceselor de abur și a necesității unei surse de apă pură pentru utilizarea sa în cazane, a generat un efect pozitiv în ceea ce privește sistemele de distilare. În plus, răspândirea colonialismului european a indus o nevoie de apă dulce în părțile îndepărtate ale lumii, creând astfel climatul adecvat pentru desalinizarea apei.

În paralel cu sistemele de dezvoltare și îmbunătățire care utilizează abur ( evaporatoare cu efect multiplu ), acest tip de dispozitive și-a demonstrat rapid potențialul în domeniul desalinizării. În 1852, Alphonse René le Mire de Normandy a primit un brevet britanic pentru o unitate de distilare a apei de mare cu tub vertical, care datorită simplității sale de design și ușurinței de construcție, a câștigat foarte repede popularitate pentru utilizarea la bordul navei. Unitățile de desalinizare bazate pe uscat nu au apărut în mod semnificativ decât în ​​ultima jumătate a secolului al XIX-lea. În anii 1860, armata SUA a cumpărat trei evaporatoare din Normandia, fiecare cu o valoare de 7000 galoane pe zi și le-a instalat pe insulele Key West și Dry Tortugas . O altă fabrică importantă de desalinizare terestră a fost instalată la Suakin în anii 1980, care a reușit să furnizeze apă dulce trupelor britanice plasate acolo. A fost format din distilatoare cu șase efecte, cu o capacitate de 350 tone / zi.

Cercetări semnificative asupra metodelor îmbunătățite de desalinizare au avut loc în Statele Unite după al doilea război mondial. Biroul de apă salină a fost creat în Departamentul de Interne al Statelor Unite în 1955, în conformitate cu Legea privind conversia apei saline din 1952. A fost fuzionată în Biroul de cercetare a resurselor de apă în 1974.

Prima fabrică de desalinizare industrială din Statele Unite a fost deschisă în Freeport, Texas, în 1961, cu speranța de a aduce securitatea apei în regiune după un deceniu de secetă. Vicepreședintele Lyndon B. Johnson a participat la deschiderea uzinei la 21 iunie 1961. Președintele John F. Kennedy a înregistrat un discurs de la Casa Albă , descriind desalinizarea ca fiind „o lucrare care în multe privințe este mai importantă decât orice altă întreprindere științifică în care această țară este acum logodită ".

Cercetările au avut loc la universitățile de stat din California, la Dow Chemical Company și DuPont . Multe studii se concentrează pe modalități de optimizare a sistemelor de desalinizare.

Prima instalație comercială de desalinizare cu osmoză inversă , planta de desalinizare Coalinga, a fost inaugurată în California în 1965 pentru apa sălbatică . Câțiva ani mai târziu, în 1975, a intrat în funcțiune prima instalație de desalinizare cu osmoză inversă a apei de mare .

Societate și cultură

În ciuda problemelor asociate proceselor de desalinizare, sprijinul public pentru dezvoltarea acestuia poate fi foarte mare. Un sondaj realizat într-o comunitate din California de Sud a văzut 71,9% dintre toți respondenții susținând dezvoltarea plantelor de desalinizare în comunitatea lor. În multe cazuri, deficitul ridicat de apă dulce corespunde unui sprijin public mai mare pentru dezvoltarea desalinizării, în timp ce zonele cu deficit redus de apă tind să aibă un sprijin public mai mic pentru dezvoltarea sa.

Vezi si

Referințe

linkuri externe