Современные недорогие способы получения питьевой воды высокого качества
Современные недорогие способы получения питьевой воды высокого качества
Несмотря на то, что более семидесяти процентов земной поверхности покрывают реки, озера, моря и океаны, только чуть больше 2% мировых водных ресурсов пригодны для питья. При этом большая часть запасов воды, пригодной для питья приходится на ледники и грунтовые воды и совсем небольшая доля на реки и озера. Вдобавок современная индустрия и сельское хозяйство непрерывно загрязняют природную среду (а значит и питьевую воду!) тяжелыми металлами, токсичными и ядовитыми химическими соединениями, нитратами и пестицидами. Учитывая бурный рост населения земли и развитие промышленности, нехватка качественной питьевой воды с каждым годом становится все более острой проблемой.
В прошлом получением пресной воды из морской в промышленных масштабах занимались только богатые государства, чьи территории расположены в самых засушливых уголках планеты (такие как Израиль и страны Персидского залива). Теперь опреснительные фабрики и заводы строятся повсеместно. Ежедневно путем опреснения вырабатывают десятки миллионов тонн питьевой воды. Поэтому актуальной задачей становится нахождение недорогих и эффективных способов ее получения, как из морской воды, так и минерализованной и загрязненной.
Существующие способы получения пресной воды из морской и минерализованной
Обычная морская вода содержит 3,4-3,5% солей (примерно 34 – 35 граммов на литр). Пресной условно принято считать воду, у которой уровень минерализации не превышает одного процента (менее 1 грамма солей на литр). Согласно рекомендации Всемирной организации здравоохранении концентрация растворенных солей в питьевой воде не должна превышать 600 миллиграммов на литр.
Казалось бы, совсем нетрудно снизить содержание солей в растворе с 35 до 1 процента, но на практике это оказывается совсем непростой инженерной задачей, требующей изготовления сложного оборудования и значительных расходов энергии. Существует множество способов опреснения, различающихся по сложности и эффективности.
- Дистилляция. Перегонка – самый старый и простой способ получения питьевой воды из морской. Однако превращение жидкости в пар и последующая конденсация требуют очень больших энергозатрат, поэтому обычная дистилляция в промышленных масштабах практически не применяется. Более эффективной оказывается перегонка при низком давлении, так как позволяет понизить температуру закипания воды, а также многоступенчатая дистилляция, при которой конденсирующийся пар из первого дистилляционного аппарата нагревает воду во втором, а пар из второго – в третьем и т.д.
- Вымораживание. Этот способ основан на разной температуре замерзания чистой воды и рассола: рассол превращается в лед при более низких температурах, чем вода без примесей. Сравнительно дешевый и эффективный способ опреснения, требующий наличия громоздкой и дорогостоящей холодильной аппаратуры. Более экзотичным способом опреснения является превращение морской воды в газогидратный лед (нестойкое химическое соединение воды с некоторыми газами), который затем разлагается на чистую воду и газ.
- Химическое опреснение. В этом способе в морскую воду добавляются химические реагенты (обычно соли бария или серебра), которые при взаимодействии с морской солью образуют нерастворимые, выпадающие в осадок соединения. Это самый дорогой способ и в промышленных масштабах не применяется. В то же время химические опреснители часто входят в спасательные наборы катеров и яхт.
- Ионообменный способ. Здесь минерализованная вода последовательно пропускается через фильтры, изготовленные из синтетических ионообменных смол двух видов – катионитовых и анионитовых. В катионитовых фильтрах задерживаются (или, вернее, замещаются) положительные ионы натрия, кальция и магния, а в анионитовых – отрицательные ионы хлора и сульфат-анионы. Ионообменный способ опреснения сравнительно дорог и применяется только для слабоминерализованной воды.
- Электродиализ. В основе этого способа лежит явление электролитической диссоциации. В простейшем случае электродиализ производят в сосуде, разделенном на три части двумя мембранами – катионитной и анионитной. В боковых частях устанавливаются электроды, причем катод ставится рядом с катионитной мембраной, а анод – с анионитной. После приложения постоянного напряжения к аноду и катоду ионы солей начнут накапливаться в боковых частях сосуда, а обессоленная вода – в центральной.
- Осмос – прямой и обратный. Эти два способа опреснения основаны на использовании мембран, пропускающих молекулы воды, но непроницаемых для ионов солей. При прямом осмосе одна часть емкости, разделенной полупроницаемой мембраной, заполняется морской водой, а другая – высококонцентрированным раствором какого-либо легкоразлагаемого вещества. Под действием осмотического давления молекулы воды начнут просачиваться в ту часть емкости, где концентрация раствора выше. После того, как большая часть молекул воды перейдет в концентрат, его нагревают, вследствие чего вещество разлагается, выпадая в осадок или переходя в газообразное состояние. В итоге получается пригодная для питья вода. Метод дорог и на практике применяется сравнительно редко.
При обратном осмосе молекулы воды проходят сквозь мембрану под действием внешнег