Odsalanie wody morskiej: Jak uzyskać wodę pitną z morza?
- Szczegóły
Przetwarzanie słonej wody na pitną to proces niezwykle istotny, jeśli weźmiemy pod uwagę fakt, że 97% wody na świecie to woda słona (morska). Wraz ze wzrostem liczby ludności na świecie, proces odsalania wody stał się jednym z nadrzędnych, zważywszy na fakt istnienia rejonów, w których o bezpieczną pitną wodę nie jest wcale łatwo. Jak podaje ONZ, w skali globalnej ponad 40 proc. światowej populacji cierpi na niedostatek wody. System odsalający wodę znamy jest co prawda od lat i oznacza redukcję soli i wszelkich innych minerałów z wody morskiej.
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. Odsalaniem nazywa się procesy usuwania soli i innych minerałów z wody morskiej, w celu uzyskania słodkiej wody zdatnej do nawadniania lub spożycia.
Jak wiemy, woda morska zawiera spore stężenie jonów sodu, magnezu, wapnia i potasu. Co ciekawe, obfituje też w chlorki, w odróżnieniu od wody słodkiej, w której dominują węglany. Warto wiedzieć, że wśród słonych zbiorników wodnych istnieją zbiorniki mniej lub bardziej zasolone. Dla porównania, Morze Bałtyckie zawiera jedynie około 5 gramów soli na litr wody. Morze Czerwone jest najbardziej zasolone, ponieważ na każdy litr wody przypada około 40 gramów soli.
Metody odsalania wody morskiej
Stosowanych sposobów na odsalanie wody jest sporo: od tych najbardziej prymitywnych po bardziej zaawansowane. 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". Wszyscy dobrze znamy zjawisko parowania lub zamrażania wody. To one pozwalają nam uzyskać produkt w postaci słodkich kropel wody.
Destylacja
Dziś najpopularniejszym zabiegiem do odsalania wody jest destylacja. Mamy tu na uwadze szczególnie destylację próżniową. Na czym zatem polega proces destylacji próżniowej? Najprościej ujmując, zabieg ten polega na oddzieleniu lotnych związków od cieczy będącej mieszaniną. Wykorzystujemy tutaj skłonność takich związków do odparowywania z mieszaniny przy niskim ciśnieniu atmosferycznym, bez konieczności zwiększania temperatury. W takich warunkach związki te osiągają większą prędkość.
Przeczytaj także: Gdzie kupić wodę destylowaną?
Jeśli tę mieszaninę zamkniemy w tzw. zbiorniku destylacyjnym i obniżymy ciśnienie, wówczas lotne związki będą aspirować do odparowania. Związki te następnie wychwytujemy i pod wpływem procesu skraplania wracają do pierwotnego stanu skupienia - cieczy. Omawiany zabieg możemy przeprowadzać na skale niewielką oraz przemysłową. Urządzenie do destylacji próżniowej wcale nie musi być tak skomplikowane jak te w wyspecjalizowanych rafineriach ropy naftowej. Co innego kwestia odsolenia wody. Tu sprawa jest łatwiejsza.
Naukowcy opracowali również proces destylacji z wykorzystaniem promieni słonecznych. Chodzi tu dokładnie o panele słoneczne. Sposób ten nie jest jeszcze na tyle spopularyzowany, jednak póki co zdaje się być najbardziej obiecujący pod względem kosztów. Neutralny wpływ tego procesu na środowisko jest również sporym walorem.
Procesy membranowe ciśnieniowe (Nanofiltracja i Odwrócona Osmoza)
Procesy, które omówimy w niniejszym akapicie są poniekąd tożsame, zważywszy na przynależność do procesów membranowych ciśnieniowych. W obu metodach wykorzystujemy zjawisko dyfuzji, a także efekt siłowy. Na oparciu o ten efekt działają membrany. Jest on zaczerpnięty z ultrafiltracji. W procesie nanofiltracji stosujemy membranę półprzepuszczalną. Ma ona co prawda spore pory, zatem mamy większą przepuszczalność wody w porównaniu do odwróconej osmozy, w której te pory są znikome.
Membrana pełni funkcję oddzielenia jonów jedno i wielowartościowych, z których te drugie są niszczone. Zaletą nanofiltracji jest to, że by przebiegła ona prawidłowo potrzebuje niskiego ciśnienia, co pozwala na oszczędność energii. Omawiany proces pozwala nam również zachować około 50% więcej wody słodkiej w porównaniu z zabiegiem odwróconej osmozy. Jako uchybienie można natomiast uznać pozostałości w wodzie niektórych pierwiastków, przez które uzyskujemy twardą wodę. Mamy tu na uwadze wapń i magnez, którego obecność w wodzie przejawia się na przykład w osadzie w czajniku.
Odwrócona osmoza dla porównania z nanofiltracją to system odsalający, w którym wykorzystujemy zjawisko dyfuzji rozpuszczalnika poprzez półprzepuszczalną błonę. Błona ta rozdziela roztwory, pod warunkiem, że mamy do czynienia z roztworami o różnym stężeniu. W porównaniu do osmozy spontanicznej, osmoza odwrócona może zajść z roztworu o wyższym stężeniu do roztworu o stężeniu niższym.
Przeczytaj także: Inwestycje w Jakość Wody w Proszówkach
Historia i rozwój technologii odsalania
Jest wiele przykładów eksperymentów z odsalaniem ze starożytności i średniowiecza, ale odsalanie nigdy nie było stosowane na dużą skalę aż do ery nowożytnej. 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.
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.
Odsalanie wody na świecie
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. 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. 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.
Przeczytaj także: Woda mineralna Józef: Zalety
Wyzwania i przyszłość odsalania
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.
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.
W ostatnich latach pojawiło się sporo nowych pomysłów na efektywne energetycznie odsalania wody morskiej. Sporo zdawał się obiecywać w tej dziedzinie także grafen. Brytyjscy naukowcy z Uniwersytetu w Manchesterze stworzyli w 2017 r. oparte na grafenie sito, które efektywnie miało usuwać sól z wody morskiej. 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.
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.
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.
Przykłady zastosowań odsalania
Instalacje do odsalania wody zapewniają też wodę pitną mieszkańcom Strefy Gazy. Od początków powstania państwa w 1948 roku Izraelczycy wiedzieli, że będą musieli radzić sobie z bardzo ograniczonymi zasobami wody. W bliskowschodnim klimacie niewiele wyrośnie bez nawadniania. Dziś z instalacji odsalających pochodzi 80 procent wody w Izraelu. Przede wszystkim jednak w kraju działa kilkaset (tak!) firm zajmujących się technologią odsalania wody. Ich wartość szacowana jest na 2 miliardy dolarów, a technologia odsalania stała się towarem eksportowym.
Odsalanie wody 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. Promienie słoneczne ogrzewają wodę, powodując jej parowanie. Para następnie kondensuje na chłodniejszej powierzchni pokrycia, skąd można ją zbierać.
Nowoczesną, mobilną technologią odsalania w podróży są filtry z membraną odwróconej osmozy (RO). Filtry RO są bardzo skuteczne, choć wymagają energii i stosunkowo wysokich kosztów eksploatacji. Istnieje możliwość wykorzystania środków chemicznych, takich jak specjalne tabletki do odsalania wody, dostępne w niektórych sklepach z ekwipunkiem survivalowym. Tabletki te zawierają substancje chemiczne wiążące jony soli, co pozwala na ich usunięcie z wody morskiej.
Tabela: Porównanie zawartości soli w różnych morzach
| Morze | Zawartość soli (gramów na litr) |
|---|---|
| Morze Bałtyckie | Około 5 |
| Morze Czerwone | Około 40 |
tags: #woda #pitna #z #morza #jak #odsolić
