Odsalanie Wody Morskiej: Metody i Technologie
- Szczegóły
Wody na Ziemi jest sporo, a jednocześnie w wielu miejscach coraz dramatyczniej jej brakuje. Niestety, choć nasza planeta jest pokryta morzami i oceanami, tylko niewielka część ziemskiej wody, około 2,5 proc., jest słodka, a mówiąc precyzyjnie - nie zasolona. Jest tak, gdyż niestety większość H2O na naszej planecie jest silnie zasolona i nie nadaje się, nie tylko do picia. Wiele jałowych obszarów Ziemi w ogóle jest pozbawione powierzchniowych zasobów słodkiej wody, takich jak rzeki i jeziora. Zwykle, nawet w takich okolicach, dostępne są pewne zasoby wody podziemnej.
Kwestia usuwania soli i innych domieszek zaprząta uwagę sporej części ludzkości od dość dawna. Odsalaniem nazywa się procesy usuwania soli i innych minerałów z wody morskiej, w celu uzyskania słodkiej wody zdatnej do nawadniania lub spożycia. Według International Desalination Association, na całym świecie już ponad 300 milionów ludzi otrzymuje wodę z zakładów odsalania. Już kilka lat temu globalna liczba zakładów odsalania wynosiła ok. 20 tys. (ciągle rośnie) a produkcja światowa odsolonej wody wynosi obecnie ok. 100 mld litrów dziennie.
Globalne Zastosowanie Odsalania
Najważniejsi użytkownicy wody odsalanej znajdują się na Bliskim Wschodzie, (głównie Arabia Saudyjska, Kuwejt, Zjednoczone Emiraty Arabskie, Katar i Bahrajn), gdzie zgromadzono około 70 proc. światowych zdolności produkcyjnych w dziedzinie odsalania, oraz w Afryce Północnej (głównie Libia i Algieria), która wykorzystuje około 6 proc. Poza Bliskim Wschodem i Afryką Północną, odsalanie jest stosunkowo częste w dotkniętych niedoborem wody częściach Stanów Zjednoczonych, zwłaszcza w Kalifornii, oraz w niektórych innych krajach, w tym w Hiszpanii, Australii i Chinach. Obecnie odsalanie jest wciąż przede wszystkim domeną krajów bardziej zamożnych, zwłaszcza tych, które dysponują dużymi zasobami paliw kopalnych i dostępem do wody morskiej.
Największe Zakłady Odsalania
Największe na świecie zakłady odsalające znajdują się w Jebel Ali w Zjednoczonych Emiratach Arabskich. Uzyskują one 300 milionów metrów sześciennych wody rocznie. Przodujący wcześniej na liście największych zakład Sorek Desalination Plant, znajduje się na południe od Tel Awiwu w Izraelu i produkuje ponad pięćset milionów litrów wody pitnej dziennie.
Historia Odsalania
Odsalanie jako pomysł na pozyskanie wody pitnej i użytkowej, jest znane w historii od tysiącleci. Arystoteles zauważył w swoim dziele "Meteorologia", że "słona woda, gdy zamienia się w parę, staje się słodka, a para nie tworzy ponownie słonej wody, gdy się skrapla". Jest wiele przykładów eksperymentów z odsalaniem ze starożytności i średniowiecza, ale odsalanie nigdy nie było stosowane na dużą skalę aż do ery nowożytnej. Możliwe, że pierwsza większa lądowa instalacja odsalania została zainstalowana w warunkach awaryjnych na wyspie u wybrzeży Tunezji w 1560 roku. Od ok. 1800 r. sytuacja zaczęła się bardzo szybko zmieniać w wyniku pojawienia się maszyny parowej, która wymagała wody niezasolonej. Proces osmozy przez półprzepuszczalne membrany po raz pierwszy zaobserwował w roku 1748 Jean Antoine Nollet.
Przeczytaj także: Technologie oczyszczania wody: Przegląd
Zakrojone na szerszą skalę badania nad ulepszeniem metod odsalania wody przeprowadzono w Stanach Zjednoczonych po II wojnie światowej. W 1949 uczeni z Uniwersytetu Kalifornijskiego UCLA jako pierwsi przeprowadzili badania techniki odsalania wody morskiej za pomocą półprzepuszczalnej membrany. W 1950 wraz z badaczami z Uniwersytetu Florydy z powodzeniem wyprodukowali wodę słodką z wody morskiej. Pierwszy przemysłowy zakład odsalania w Stanach Zjednoczonych został otwarty we Freeport w Teksasie w 1961 roku. Pierwszy komercyjny zakład odsalania metodą odwróconej osmozy, Coalinga, został otwarty w Kalifornii w 1965 roku dla wody słonawej.
Metody Odsalania Wody
Na największą skalę stosowana jest destylacja, w szczególności destylacja próżniowa. Destylacja wody to proces stosunkowo prosty i zrozumiały. Rzecz z w tym, aby był też mniej kosztowny energetycznie. Dlatego dąży się do wykorzystania w nim źródeł odnawialnych, głównie słońca. Stany Zjednoczone, Francja i Zjednoczone Emiraty Arabskie pracują nad rozwojem praktycznego odsalania wody za pomocą energii słonecznej, np. WaterStillar firmy AquaDania został zainstalowany w Dahab w Egipcie i w Playa del Carmen w Meksyku. W tym podejściu kolektor słoneczny o powierzchni dwóch metrów kwadratowych może destylować od 40 do 60 litrów dziennie z dowolnego lokalnego źródła wody, pięć razy więcej niż konwencjonalne destylatory.
W ostatnich latach następuje szybki rozwój metod opartych na odwróconej osmozie, głównie dzięki rozwojowi membran półprzepuszczalnych i oszczędniejszych pomp wysokociśnieniowych. Odwróconą osmozą nazywa się metodę polegającą na wymuszonej dyfuzji rozpuszczalnika przez błonę półprzepuszczalną umieszczoną pomiędzy dwoma roztworami o różnym stężeniu. W przeciwieństwie do osmozy spontanicznej, odwrócona osmoza zachodzi od roztworu o wyższym stężeniu substancji rozpuszczonej do roztworu o stężeniu niższym, czyli prowadzi do zwiększenia różnicy stężeń obu roztworów. Do czasu opracowania techniki tworzenia asymetrycznej membrany charakteryzującej się cienką warstwą, wysoce porowatą i z grubszym podłożem membrany, proces ten nie był zbyt wydajny. Udoskonalenie i kolejne wynalazki wpłynęły na rozwój i upowszechnienie tej techniki.
Najnowszym nurtem w dążeniach do obniżenia zużycia energii i kosztów produkcji słodkiej wody w procesie odsalania technika odwróconej osmozy jest rozwój nanostrukturalnych membran, które zapewniają bardziej efektywny transport wody w porównaniu do istniejących konwencjonalnych cienkowarstwowych elementów membranowych. Ponadto, nanostrukturalne membrany mogą mieć podwyższoną selektywność w odrzucaniu określonych jonów. Nanofiltracja odbywa się pod ciśnieniem ok. 1-3 MPa. Oczywiście destylacja i osmoza nie są dziś jedynymi znanymi i stosowanymi metodami odsalania.
Niskotemperaturowe odsalanie termiczne (LTTD)
Wywodzące się pierwotnie z badań nad konwersją energii cieplnej w oceanach, niskotemperaturowe odsalanie termiczne (LTTD) wykorzystuje gotowanie wody pod niskim ciśnieniem, nawet w temperaturze otoczenia. System wykorzystuje pompy do stworzenia środowiska o niskim ciśnieniu, w którym woda wrze przy temperaturach 8-10 °C. Powstała wskutek procesu skroplona para wodna jest oczyszczona z soli. Pierwszy zakład LTTD został otwarty w 2005 roku w Kavaratti na wyspach Lakshadweep u wybrzeży Indii. Wydajność zakładu wynosi 100 tys. Technologie odsalania napędzane termicznie są często kojarzone z niskotemperaturowymi źródłami ciepła odpadowego.
Przeczytaj także: Grupa Azoty Puławy - oczyszczanie wody
Podłączenie technologii odsalania termicznego np. do układu wydechowego silnika wysokoprężnego wykorzystuje ciepło do odsalania a zarazem aktywnie chłodzi silnik zasilający generator, poprawiając jego wydajność i zwiększając produkcję energii elektrycznej. Przykładowa instalacja tego typu została uruchomiona przez holenderską firmę Aquaver w marcu 2014 r. Opisany wyżej pomysł zalicza się do układów kogeneracyjnych. Większość obecnych i planowanych kogeneracyjnych zakładów odsalania wykorzystuje jako źródło energii paliwa kopalne lub energię jądrową. Zaletą zakładów o podwójnym przeznaczeniu jest to, że mogą one być bardziej efektywne pod względem zużycia energii, dzięki czemu odsalanie staje się bardziej opłacalne. Najnowszym dążeniem w obiektach dwufunkcyjnych jest tworzenie konfiguracji hybrydowych, w których odsalanie metodą odwróconej osmozy występuje w tandemie z odsalaniem termicznym, czyli łączy się dwa lub więcej procesów odsalających z produkcją energii elektrycznej.
Techniki odsalania wody morskiej mogą być też stosowane w połączeniu z uprawami zielonymi. Tak jest w zastosowanej m.in. w Egipcie technice odsalania w szklarni IBTS (ang. skrót od Integrated Biotectural System). IBTS to z jednej strony instalacja odsalająca, a z drugiej szklarnia działająca zgodnie z naturalnym obiegiem wody. Procesy parowania i kondensacji zachodzą częściowo pod ziemią i w budynku szklarni.
Inne Metody Odsalania
Odsalanie oparte na absorpcji opiera się na zdolności wchłaniania wilgoci przez niektóre materiały, np. żel krzemionkowy. Kolejna rodzina metod odsalania bazuje na zjawiskach elektrycznych, np. elektrodializa. W 2008 roku firma Siemens Water Technologies opracowała technikę, która wykorzystuje pole elektryczne, odsalając jeden metr sześcienny wody przy zużyciu zaledwie 1,5 kWh energii. Od 2012 r. działała demonstracyjna instalacja tego typu w Singapurze.
Innowacyjne Technologie Odsalania
W ostatnich latach pojawiło się sporo nowych pomysłów na efektywne energetycznie odsalania wody morskiej. Pisaliśmy m.in. o pomyśle Amerykanów z Uniwersytetu w Austin i Niemców z uczelni w Marburgu, polegającym na wykorzystaniu niewielkiego chipu z tworzywa, przez który przepływa prąd elektryczny o znikomym napięciu (0,3 wolta). W słonej wodzie przepływającej wewnątrz kanalika, z którego składa się urządzenie, następuje częściowa neutralizacja jonów chloru i wytworzenie pola elektrycznego, podobnie jak w ogniwach chemicznych. Efekt jest taki, że sól podąża w jednym kierunku, zaś słodka woda - w drugim.
Sporo zdawał się obiecywać w tej dziedzinie także grafen, o czym również niejednokrotnie wspominaliśmy. Brytyjscy naukowcy z Uniwersytetu w Manchesterze stworzyli w 2017 r. oparte na grafenie sito, które efektywnie miało usuwać sól z wody morskiej. W opublikowanej w "Nature Nanotechnology" pracy naukowcy twierdzili, że do budowy membran odsalających można wykorzystać tlenek grafenu, zamiast trudnego do uzyskania i drogiego grafenu w czystej postaci.
Przeczytaj także: Przewodnik po uzdatnianiu wody szkłem
Zespół badawczy z Arabii Saudyjskiej opracował urządzenie, które, według nich, miało efektywnie przekształcić elektrownię z "konsumenta" w "producenta wody słodkiej". Naukowcy opublikowali kilka lat temu w "Nature" artykuł opisujący tę nową technologię solarną, która może jednocześnie odsalać wodę i produkować energię elektryczną. W skonstruowanym prototypie naukowcy zainstalowali odsalacz wody w tylnej części ogniwa słonecznego. W świetle słonecznym ogniwo wytwarza energię elektryczną i uwalnia ciepło. Wynikiem tego procesu była czysta woda pitna, spełniająca standardy bezpieczeństwa Światowej Organizacji Zdrowia. Naukowcy twierdzili, że prototyp o szerokości około metra może produkować 1,7 litra czystej wody na godzinę.
Nowa nadzieja na opracowanie kosztowo atrakcyjnej metody pozyskiwania wody słodkiej za pomocą usuwania soli morskiej pojawiła się w ostatnich latach, gdy badacze poinformowali o wynikach badań z zastosowaniem materiału typu szkielet metaloorganiczny (MOF) do filtrowania wody morskiej. Opracowana przez zespół z australijskiego Uniwersytetu Monash nowa technika wymaga, jak zapewniają badacze, znacznie mniej energii niż inne metody. W ciągu 30 minut MOF potrafił zredukować całkowitą zawartość rozpuszczonych substancji stałych (TDS) w wodzie z 2,233 części na milion (ppm) do poziomu poniżej 500 ppm. Stosując tę technikę, badacze zdołali wyprodukować aż 139,5 litra niezasolonej wody na kilogram materiału MOF dziennie.
Badania opisane w "Science" w maju 2022 roku, to nowa metoda oczyszczania wody, która jest 2400 razy szybsza niż nawet eksperymentalne urządzenia odsalające oparte na nanorurkach węglowych. Naukowcy po raz pierwszy z powodzeniem odfiltrowali sól z wody przy użyciu nanostruktur opartych na fluorze, które działają szybciej, wykorzystują mniejsze ciśnienie, są bardziej skutecznym filtrem i zużywają mniej energii. Ponieważ fluor jest elektrycznie ujemny, odpycha jony ujemne, takie jak chlor znajdujący się w soli.
Okazuje się, że i polska nauka może się pochwalić innowacyjnym projektem w tej dziedzinie. Polski zespół deklaruje, że zaprojektował nanomebrany do oczyszczania i odsalania wody z Bałtyku. Firma deklaruje, że w ciągu 2 minut można uzyskać 200 ml wody, z której usuniętych jest 97 proc. soli. Rozwiązanie NanoseenX posiada również kontrolę mineralizacji i zasolenia wody, przez co może usunąć ponad 99,9 proc. soli. Urządzenie działa bez dostępu do prądu - woda przedostaje się przez filtry za sprawą grawitacji.
Ponieważ zanieczyszczenia i sól gromadzą się na membranach, trzeba je co jakiś czas regenerować: na razie - jak deklaruje pomysłodawca rozwiązania Bartosz Kruszka z firmy Nanoseen - co około 20 dni pracy urządzenia.
Wyzwania i Przyszłość Odsalania
Proces odsalania, mimo licznych korzyści, wiąże się z istotnymi wyzwaniami. Zużycie energii, emisja gazów cieplarnianych oraz gospodarka solanką stanowią główne aspekty wymagające dalszej optymalizacji. Rozwój technologii odsalania koncentruje się na zwiększeniu efektywności energetycznej oraz ograniczeniu kosztów operacyjnych. Wdrożenie zaawansowanych metod oczyszczania wody oraz automatyzacja procesów pozwalają na jeszcze dokładniejsze kontrolowanie parametrów jakościowych.
Odsalanie Wody Morskiej w Podróży
Odsolenie wody morskiej stanowi kluczową technikę przetrwania w sytuacjach, gdy dostęp do słodkiej wody jest ograniczony, zwłaszcza podczas podróży morskich lub wypraw w rejony przybrzeżne. W warunkach podróży można zbudować prosty system destylacyjny z wykorzystaniem ognia, metalowego garnka i zbiornika na skondensowaną parę. Proces ten polega na umieszczeniu wody morskiej w płytkim pojemniku, przykrytym przezroczystym plastikiem lub szkłem. Filtry RO są bardzo skuteczne, choć wymagają energii i stosunkowo wysokich kosztów eksploatacji.
Zastosowanie Odnawialnych Źródeł Energii
Zmotywowany tym problemem zespół inżynierów z Politechniki w Turynie opracował nowy prototyp do odsalania wody morskiej w sposób zrównoważony i tani, wykorzystując efektywniej energię słoneczną. Zebrana woda morska jest następnie ogrzewana energią słoneczną, co pozwala na oddzielenie soli od odparowującej wody. Ich pływające urządzenie jest w stanie zebrać wodę morską za pomocą taniego materiału porowatego, unikając w ten sposób stosowania drogich i uciążliwych pomp.
Podczas gdy konwencjonalne "aktywne" technologie odsalania wymagają kosztownych elementów mechanicznych bądź elektrycznych (pompy czy układy sterowania) oraz specjalistycznych techników do instalacji czy konserwacji, podejście do odsalania zaproponowane przez zespół opiera się na spontanicznych procesach zachodzących bez pomocy dodatkowej maszyny i właśnie dlatego można ją określić mianem technologii "pasywnej". Wszystko to sprawia, że urządzenie jest z natury niedrogie i proste w instalacji, a także w naprawie. Do tej pory znaną wadą "pasywnych" technologii odsalania była niska efektywność energetyczna w porównaniu z "aktywnymi". Naukowcy również napotkali tę przeszkodę.
Po opracowywaniu prototypu przez ponad dwa lata i testowaniu go bezpośrednio na Morzu Liguryjskim inżynierowie twierdzą, że technologia ta może mieć zastosowanie w odizolowanych obszarach przybrzeżnych z małą ilością wody pitnej, ale obfitą energią słoneczną. Co więcej, technologia ta jest szczególnie odpowiednia do zapewnienia bezpiecznej oraz taniej wody pitnej w sytuacjach awaryjnych, np. na obszarach dotkniętych powodziami lub tsunami, przez co jest odizolowana przez kilka dni lub tygodni od sieci elektroenergetycznej i akweduktu.
Tabela: Porównanie Efektywności Energetycznej Systemów Odsalania Wody
| System odsalania | Stopień efektywności energetycznej |
|---|---|
| Odwrócona osmoza | 70% |
| Destylacja | 50% |
| Wymiana jonowa | 60% |
tags: #uzdatnianie #wody #morskiej #do #spożycia #metody
