Woda Pitna na Statku: Historia i Wyzwania
- Szczegóły
Woda - H2O - to najprostszy związek wodoru z tlenem. Ta ciecz bez smaku i zapachu to jednak najbardziej rozpowszechniony związek chemiczny na Ziemi. W postaci pary występuje w atmosferze, w stanie związanym jest składnikiem minerałów i skał. Stanowi nawet do 90 proc. masy organizmów żywych.
Woda umożliwiła rozwój rolnictwa, później żeglugi i przemysłu. Właśnie nad brzegami wielkich rzek powstały wielkie starożytne cywilizacje. Egipcjanie osiedlali się wzdłuż Nilu. Woda była jednak przede wszystkim niezbędna do codziennego funkcjonowania. Z tego powodu ludzie zazwyczaj zamieszkiwali miejsca właśnie w pobliżu łatwo dostępnych ujęć. Pili i używali wody, która po prostu wyglądała na czystą. O taką nie było wtedy trudno. Nie istniał rozwinięty przemysł, nie było kwaśnych deszczy i innych zanieczyszczeń. Czerpano ją, więc ze źródeł i rzek.
Starożytne Metody Pozyskiwania Wody
Gotować wodę zaczęto dopiero około 500 r. p.n.e i był to pierwszy sposób na wyeliminowanie znajdujących się w niej zarazków. Ten sposób jest zresztą skutecznie wykorzystywany do dziś. Od 500 r. p.n.e., aż do ok. 1000 r. n.e. poszukiwano raczej źródeł czystej wody i sposobów na dostarczenie jej do skupisk ludzkich niż na oczyszczanie wody zanieczyszczonej.
Starożytni inżynierowie wynaleźli akwedukty - skuteczny sposób na dostarczenie czystej wody wprost ze źródeł do miast. Ich nazwa pochodzi od słowa aqua (woda), używanego w łacinie oraz językach: hiszpańskim, portugalskim i włoskim (acqua). Były to wodociągi, kanały podziemne i naziemne, które dostarczały wodę do fontann, łaźni i bogatszych domów. Jak wyjaśnia Słownik Sztuki Starożytnej Grecji i Rzymu, konstrukcje te wymagały wielkich umiejętności inżynieryjnych, ponieważ dla zapewnienia przepływu wody korzystano jedynie z naturalnych różnic wysokości terenu.
Według Słownika, najstarszym akweduktem w Rzymie był Aqua Appia, zbudowany w 312 r. p.n.e. przez Appiusza Klaudiusza Cekusa. Sprowadzał on wodę z odległych o 16 km wzgórz Albańskich. To właśnie rzymianie upowszechnili budowę akweduktów. Jednym z najlepiej zachowanych do dzisiaj przykładów akweduktu jest tzw. Pont du Gard znajdujący się nieopodal Nimes w południowej Francji. Powstał w latach 26-16 p.n.e. W II wieku n.e. Rzym, który liczył około miliona mieszkańców był zaopatrywany przez 11 akweduktów o łącznej długości 420 km, z czego tylko 47 km przebiegało nad powierzchnią ziemi. Jak podaje Spiegel On-line, najdłuższy znany antyczny podziemny akwedukt jest w Jordanii. Ciągnie się przez 100 km pod ziemią, a w starożytności dostarczał wodę do kilku miast. Jego budowniczymi również byli Rzymianie.
Przeczytaj także: Gdzie kupić wodę destylowaną?
Nowożytne Metody Oczyszczania Wody
Prawdziwe postępy w metodach pozyskiwania i oczyszczania wody nastąpiły dopiero w XVII w. n.e. Zaczęto stosować metody takie jak m.in.: destylacja, filtracja, parowanie i sączenie. W wieku XVIII we Francji wynaleziono i opatentowano filtry do oczyszczania wód gruntowych, zbudowane z gąbek i piasków różnego typu. Wraz z rozwojem przemysłu w XIX wieku, również we Francji, na potrzeby uzyskania czystej wody przystosowywano ogromne filtrujące plantacje roślinne.
Z czasem potrzeba filtracji wody stawała się coraz ważniejsza. W wodzie występowały bakterie m.in. cholery i tyfusu. W XIX wieku w Ameryce zastosowano roślinne filtry wodne. Filtr tego typu jest oddzielony od podłoża folią i wypełniony ziemią z odpowiednimi materiałami organicznymi. Jego powierzchnię pokrywają specjalne gatunki roślin wodno-bagiennych. Wraz z nadejściem XX wieku wodę zaczęto uzdatniać za pomocą substancji chemicznych - takich jak chlor - które niszczą bakterie. Obecnie wykorzystuje się rozmaite metody biologiczne i mechaniczne takie jak m.in. cedzenie, flotacja - gdy substancje chemiczne o mniejszej gęstości niż woda wypływają na jej powierzchnię - lub sedymentacja, kiedy opadają na dno.
Woda na Statkach: Trudne Warunki i Rozwiązania
Miłośnicy żeglarstwa doskonale zdają sobie sprawę, jak ważne jest pomieszczenie na łodzi wszystkich niezbędnych do życia produktów, przede wszystkim żywności i wody pitnej. To ważne szczególnie w czasie rejsów dalekomorskich, gdzie przez wiele tygodni czy nawet miesięcy załoga nie zawija do portów. Woda pitna jest potrzebna na wszystkich jednostkach pływających - od niewielkich jachtów, aż po duże statki handlowe. Trzeba pamiętać, że ilość wody jest wprost proporcjonalna do potrzeb załogi oraz wszystkich osób znajdujących się na statku. W pewnym stopniu jest też uzależniona od pory roku - w upalne lata pijemy bowiem zdecydowanie więcej niż w okresie, gdy pogoda jest raczej umiarkowana niż gorąca.
Wodę pitną można uzyskać na wiele sposobów. Jedną z opcji, jaka sprawdza się na statkach pływających w długie trasy bez zawijania do portów, jest odsalanie wody morskiej. Jest to zaawansowany technologicznie proces, który za pomocą różnych metod powoduje usunięcie soli z wody. Dzięki temu staje się ona zdatna do picia, a także można ją wykorzystać w celach higienicznych czy sanitarnych. Warto jednak pamiętać, że odsalanie jest procesem drogim, dlatego też najczęściej stosowane jest w bardzo bogatych krajach i na jednostkach, które mogą sobie na to pozwolić. Proces odsalania pochłania bowiem sporo energii. W ostatnich latach wykorzystuje się jednak do niego energię słoneczną z elektrowni słonecznych, co znacznie obniża koszt odsolenia wody.
Zarówno na statkach, jak i na jachtach oraz mniejszych jednostkach pływających, doskonałym i sprawdzonym rozwiązaniem są zbiorniki na wodę pitną, które są montowane w różnych miejscach najczęściej pod pokładem. Wielkość takiego zbiornika jest oczywiście ściśle uzależniona od możliwości wyporowych danej jednostki pływającej. Nie można instalować zbiorników zbyt ciężkich, gdyż może to powodować problemy w czasie rejsu.
Przeczytaj także: Inwestycje w Jakość Wody w Proszówkach
Zbiorniki na wodę pitną powinny być nie tylko solidnie wykonane i dopasowane do potrzeb danej jednostki. Muszą być również bezpieczne w użytkowaniu. Nie mogą więc to być żadne zbiorniki na płyny inne niż woda ani zbiorniki procesowe chemoodporne, czy jakiekolwiek inne pojemniki bez odpowiednich certyfikatów i atestów. Zbiorniki na wodę pitną muszą być certyfikowane i posiadać atesty zezwalające na kontakt z żywnością.
Odsalanie Wody Morskiej: Nowoczesne Technologie
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. 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.
Odsalaniem nazywa się procesy usuwania soli i innych minerałów z wody morskiej, w celu uzyskania słodkiej wody zdatnej do nawadniania lub spożycia. Jak podaje ONZ, w skali globalnej ponad 40 proc. 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.
Największe na świecie zakłady odsalające znajdują się w Jebel Ali w Zjednoczonych Emiratach Arabskich (2). 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. 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. 2. Obecnie odsalanie jest wciąż przede wszystkim domeną krajów bardziej zamożnych, zwłaszcza tych, które dysponują dużymi zasobami paliw kopalnych i dostępem do wody morskiej.
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. Odsalanie pozostaje kosztownym sposobem pozyskania wody, ponieważ wymaga ogromnych ilości energii. Chodzi o to, by produkować więcej wody na jednostkę energii, oraz lepsze sposoby radzenia sobie z wysoko skoncentrowaną solanką, która jest kłopotliwą, zawierającą nierzadko toksyczne substancje chemiczne, pozostałością po procesach odsalania.
Przeczytaj także: Woda mineralna Józef: Zalety
Technologie 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.
Proces osmozy przez półprzepuszczalne membrany po raz pierwszy zaobserwował w roku 1748 Jean Antoine Nollet. 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.
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 (3), 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. 3. 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. 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. 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. 4. Odsalanie oparte na absorpcji opiera się na zdolności wchłaniania wilgoci przez niektóre materiały, np. żel krzemionkowy. Hydrożel odbiera roztwór innym składzie jonowym z wodnego roztworu soli. Ściskanie żelu w układzie zamkniętym prowadzi do zmiany stężenia soli, natomiast ściskanie w układzie otwartym, gdy żel wymienia jony z masą, prowadzi do zmiany liczby jonów.
Następstwo ściskania i pęcznienia w warunkach układu otwartego i zamkniętego naśladuje odwrotny cykl Carnota maszyny chłodniczej. Jedyna różnica polega na tym, że zamiast ciepła cykl ten przenosi jony soli z masy o niskim zasoleniu do masy o wysokim zasoleniu. Ekstrakcja rozpuszczalnikowa ze zmianą temperatury (TSSE) wykorzystuje rozpuszczalnik zamiast membrany lub wysokiej temperatury. Ekstrakcja rozpuszczalnikowa jest powszechnie stosowana w inżynierii chemicznej. Działa to w ten sposób, że do słonej wody dodaje się rozpuszczalnik, którego rozpuszczalność zmienia się w zależności od temperatury. W temperaturze pokojowej rozpuszczalnik odciąga cząsteczki wody od soli. Następnie rozpuszczalnik z wodą jest podgrzewany, co powoduje, że rozpuszczalnik uwalnia pozbawioną soli wodę. W ten sposób można odsalać niezwykle słone solanki, nawet siedmiokrotnie bardziej słone niż woda w oceanie. Można ją aktywować w niskiej temperaturze (poniżej 70 °C, co może nie wymagać aktywnego ogrzewania).
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.
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. Jednowarstwowy grafen potrzebuje wiercenia małych otworów, aby stał się przepuszczalny. Jeżeli wielkość otworu przekracza 1 nm, sole swobodnie przechodzą przez ten otwór, więc wiercone otwory muszą być mniejsze.
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. Badacze wprowadzali do destylatora wodę słoną i zawierającą domieszki metali ciężkich, takich jak ołów, miedź i magnez. Urządzenie zamieniło wodę w parę wodną, która następnie przechodziła przez plastikową membranę, która odfiltrowała sól i zanieczyszczenia. 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. Metaloorganiczne szkielety MOF to silnie porowate materiały o dużej powierzchni. Zwinięte w niewielkich objętościach wielkie powierzchnie robocze świetnie nadają się do filtrowania, czyli wychwytywania drobin i cząsteczek w cieczy. Po umieszczeniu materiału w wodzie selektywnie zatrzymuje jony i zanieczyszczenia na swojej powierzchni.
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. Jest to wyraźnie poniżej progu 600 ppm, który Światowa Organizacja Zdrowia zaleca dla bezpiecznej wody pitnej. 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. Naukowcy opracowali testowe membrany filtracyjne poprzez chemiczne wytworzenie nanoskopowych pierścieni fluorowych, które zostały ułożone w stos i wszczepione w nieprzenikalną skądinąd warstwę lipidową, podobną do cząsteczek organicznych znajdujących się w ścianach komórkowych. Opracowali oni wiele próbek testowych z nanopierścieniami o wielkości od 1 do 2 nanometrów. 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. Tytuł Polski...
Źródło: naukawpolsce.pl
tags: #woda #pitna #na #statku #historia
