Енергия и околна среда

Превръщането на морската вода в питейната вода ще помогне ли на недостига на вода?

Превръщането на морската вода в питейната вода ще помогне ли на недостига на вода?

Вярвате или не, но има нарастващ проблем с получаването на чиста, питейна сладка вода в много части на света. Чрез комбинация от човешки дейности и климатични промени мнозина прогнозират, че скоро ще ни настъпи сериозна глобална водна криза.

По тази причина изследователите търсят решения за изкуствено създаване на сладководни води. Наричано обезсоляване, може ли превръщането на солена вода, подобно на морската, в прясна, да бъде решението, което търсим?

Какво представлява кризата с прясната вода?

Нашата „Синя планета“ е подходящо кръстена. С грубо 70% от повърхността му, покрита с вода, изглежда необяснимо, че водата може да се счита за оскъден ресурс в много части на света, които дори не са пустинни райони.

Проблемът е, че по-голямата част от тази вода е морска, която не е точно за пиене, тъй като буквално е наситена със сол. От водите на Земята, само наоколо 3% от него е прясно и безопасно за пиене.

Но само наоколо 1% от наличната сладка вода всъщност е лесно достъпна за човешка употреба. По-голямата част от останалата част е затворена в ледници, ледени шапки, вечна замръзналост или заровена дълбоко в земята.

Това означава, че само наоколо 0.007% от водата на Земята всъщност е достъпна за използване от постоянно нарастващото ни глобално население. Друг проблем е, че тази лесно достъпна сладка вода не е равномерно разпределена по целия свят.

СВЪРЗАНИ: РАСТЕНИЯ ЗА КРИЗА И ОПЕРАВЯВАНЕ НА ПРОДУХА

Тъй като питейната вода е от съществено значение за живота на Земята, това не е идеално за места, съществуващи в „недостиг на вода“. Но ние също използваме вода, за да произвеждаме храна, дрехи, да изграждаме неща като компютри и автомобили и за санитарни условия, да назовем само няколко неща.

Той е жизненоважен за всички аспекти на човешкия живот.

National Geographic обяснява защо, "поради географията, климата, инженерството, регулирането и конкуренцията за ресурси, някои региони изглеждат относително равни с прясна вода, докато други са изправени пред суша и изтощително замърсяване. В голяма част от развиващия се свят чистата вода е или трудно достъпен или стока, която изисква трудоемка работа или значителна валута, за да се получи. "

Друг проблем е, че количеството прясна вода на планетата остава относително постоянно в продължение на милиарди години.

Всъщност е възможно в даден момент от живота ви да сте погълнали водни молекули, които също са били пияни от динозаврите, Юлий Цезар или друга историческа фигура. Доста забележителна мисъл.

Повишаването на глобалните температури през последните няколко десетилетия също изглежда увеличава вероятността от екстремни метеорологични явления, включително суши в податливи райони на света. За засегнатите райони недостигът на вода е много сериозен проблем.

С нарастването на населението всяка година и прекалената употреба на вече намаляващи запаси от вода за неща като селското стопанство или потребителските стоки за еднократна употреба, някои части на света са изправени пред съвсем реална „сладководна криза“.

Но човечеството не е нищо друго освен гениално. Можем ли да използваме нашата технология, за да ограничим въздействието на тази криза? Може би дори да "създадете" сладка вода?

Нека разберем.

Безопасно ли е да пиете солена вода от морето?

Краткият отговор е, разбира се, не. Пиенето на солена вода, подобно на морската вода, може да бъде смъртоносно за хората (и много други организми).

Морската вода, както сме сигурни, че сте повече от наясно, съдържа много соли. Когато го пиете, приемате както вода (което е добре), но и тези соли.

Въпреки че можете с радост да консумирате малко количество сол, съдържанието в морската вода е значително по-високо, отколкото тялото ви може ефективно да обработи.

Клетките на тялото ви зависят от натриевия хлорид (готварска сол), предимно съдържанието на натрий в него, за да поддържат химическия баланс и реакциите на организма. Но твърде много от него може да бъде смъртоносно.

Това е така, защото бъбреците ви, по-специално нефроните, могат да произвеждат урина само с по-малко физиологичен разтвор от морската вода. Това означава, че ако трябва да пиете изключително морска вода, ще е необходимо повече вода, за да разредете солта и да я изпишете, отколкото водата, която сте получили от пиенето.

С други думи, ще имате нетна загуба на вода. По тази причина в крайна сметка ще умрете от дехидратация (и ще станете все по-жадни с времето), ако единственият ви източник на вода е морската вода.

Поради тази причина никога не трябва да пиете значителни количества морска вода.

Какви методи има за обезсоляване на водата?

С такъв малък процент от общата налична вода на Земята като сладка, може да се чудите дали има начин да докоснем огромния резервоар от други водни източници на Земята, като морето. Както се оказва, можем, макар и с големи усилия и разходи.

Понастоящем има поне три основни метода за обезсоляване:

  • Термично обезсоляване (дестилация).
  • Електрическо обезсоляване.
  • Обезсоляване под налягане (обратна осмоза).

Термично обезсоляване, известен още като дестилация, е най-старият от трите и всъщност се използва от хиляди години. Солената вода се кипва, след това парата се охлажда и кондензира като прясна вода, оставяйки солените кристали в нагретия съд.

Този метод обаче изисква значителни инвестиции в енергия за постигане. По-съвременните методи, според Станфордския университет, "използват различни техники като съдове с ниско налягане, за да намалят температурата на кипене на водата и по този начин да намалят количеството енергия, необходимо за обезсоляване".

Тази форма на обезсоляване се използва широко на места като Близкия изток, където лесно изобилните въглеводородни ресурси помагат да се намалят разходите за гориво. Термичното обезсоляване има тенденция да се състои от три основни, мащабни топлинни процеса.

Това са:

  • Многостепенна флаш дестилация (MSF).
  • Многоефективна дестилация (MED).
  • Дестилация с компресиране на пара (VCD).

Съществува и друг термичен метод; слънчева дестилация, Това обикновено се използва за много малки производствени нива. Също така често се използва за производство на сол за ядене, като се поставя морска вода в плитки басейни и се изчаква сладката вода да се изпари естествено - оставяйки след себе си морска сол.

Друг начин за отстраняване на солта от морската вода е използването на мембрана за отделяне на солите. Това може да се постигне с помощта на електрически ток или налягане.

Отново тези методи се използват главно на места с изобилни източници на енергия, като САЩ.

Електрическо обезсоляване, един пример за обезсоляване на базата на мембрана, използва електрически ток за разделяне на молекулите сол и вода. При този метод електрическият ток задвижва йони през селективно пропусклива мембрана, носеща солта със себе си.

Селективно пропусклива мембрана е тази, която позволява на определени молекули да преминават през нея, с изключение на други. Синтетичните или полимерните мембрани са създадени за различни изследователски и индустриални процеси.

Има два основни метода за обезсоляване с електрическа мембрана:

  • Електродиализа (ED).
  • Обръщане на електродиализа (EDR).

И двата метода за обезсоляване изискват различни количества енергия за постигане в зависимост от съдържанието на сол във водния източник. Въпреки че е подходящ за употреба с по-ниски концентрации на сол, той е твърде енергоемък за използване на морска вода.

Обратна осмоза е друга форма на обезсоляване, която използва налягане за прокарване на вода през селективно пропусклива мембрана. Този процес, както и другите, отделя солта от разтвора.

Привидно подобно на обезсоляването с електрическо задвижване, количеството енергия, необходимо за обратна осмоза в голям мащаб, зависи от първоначалното съдържание на сол във водата. За морската вода необходимата енергия означава, че тя не е икономически жизнеспособна в повечето ситуации.

Като най-често срещаната форма на обезсоляване, може би си струва да проучим този процес по-подробно.

Какво е обратна осмоза и работи ли обратната осмоза?

Както бе споменато по-горе, обратната осмоза е процес на обезсоляване, който използва натиск, за да изтласка буквално водните молекули през мембраната. За разлика от редовното филтриране (където някои примеси се изключват по размер), обратната осмоза включва дифузия на разтворител през мембрана, която позволява само преминаване на вода.

Редовната осмоза включва естественото движение на разтворител от зона с ниска концентрация на разтворено вещество (висок воден потенциал) към висока концентрация на разтворено вещество (нисък воден потенциал), докато се постигне равновесие. При обратна осмоза, както подсказва името, водата се извлича от висока концентрация на разтворено вещество в захранващата вода (като морската вода) чрез прилагане на налягане за обръщане на естествения поток на разтворителя по време на осмозата.

Освен налягането, един от основните компоненти на процеса на обратна осмоза е използването на селективно пропусклива мембрана.

Тази мембрана позволява на определени частици да преминават през нея, предимно вода, оставяйки след себе си разтворени вещества (като сол) и други замърсители. При обратна осмоза, тънкослойна композитна мембрана (TFC или TFM) се използва точно за тази цел.

Тези мембрани са произведени предимно за системи за пречистване и обезсоляване на вода. Те също имат определени свойства, които ги правят полезни за използване в определени батерии и горивни клетки.

Тези мембрани обикновено са изградени от два или повече слоя материали. Разработени от професор Сидни Льоб и Сриниваса Сурираджан, полупропускливите анизотропни мембрани обикновено са направени от полиамиди.

Този материал има някои много полезни свойства, включително неговия афинитет към водата и относителната му непропускливост за определени разтворени примеси като солни йони и други малки молекули.

В типичните системи за обратна осмоза подхранващата вода под високо налягане тече през концентричен спирален модел от мембрани, които последователно разделят водата и замърсителите, преди да съберат водата в продуктовата тръба в центъра. За максимална ефективност, няколко мембранни блока са свързани последователно.

Може ли превръщането на морската вода в питейна вода да помогне при недостиг на вода?

Накратко, да. Но това идва със значителни разходи.

С намаляването на наличността на висококачествена сладка вода, все повече и повече общности се обръщат към обезсоляване, за да произвеждат питейна вода от солена и солена вода. Съществуващите разтвори са предназначени да извличат водата и да оставят колкото се може повече от съдържанието на сол.

Съвременните технологии имат както предимства, така и недостатъци в зависимост от специфичните за сайта ограничения и изисквания. Въпреки че някои методи са обещаващи, е необходимо повече технологично развитие, за да стане жизнеспособно за мащабно производство на сладка вода.

Университетът A&M в Тексас обяснява, че „обезсоляването на сладка вода с помощта на слънчеви тихоокеански обекти е обещаващ метод в отдалечени места, където няма достъп до качествена вода за пиене и готвене. За по-широко прилагане процесите на обезсоляване се нуждаят от технологични подобрения и повишена енергия ефективност."

Основната пречка е цената на процесите - по-специално енергийните нужди, необходими за производството на прясна вода при големи обеми. Поради тази причина съществуващите решения се използват главно в региони, в които липсват други средства за внос на сладка вода, на граждански и военни кораби и в някои космически кораби.

Има обаче някои интересни разработки за намаляване на цената на процеса. Например преди няколко години изследователи от Тексаския университет в Остин разработиха новаторска алтернатива на конвенционалните методи.

Друго обещаващо решение се нарича капацитивна дейонизация и дейонизация на акумулаторните електроди. Тези решения обаче далеч не са търговски жизнеспособни в момента.

Но това не е просто външен финансов разход. Съществуващите обезсоляващи инсталации също са вредни за околната среда.

Повечето директно докосват морската вода като източник на вода, която може да убие или да навреди на рибите и други малки океански същества, тъй като нивата на водата около растението се променят. Процесът също така води до образуване на силно физиологични отпадъци, които трябва да се изхвърлят.

Поради тази причина повечето обезсоляващи инсталации използват солена, а не морска вода. Големите обезсоляващи инсталации също са скъпи за изграждане, обикновено струват някъде в района на стотици милиони парче.

Като се има предвид това, много компании инвестират сериозно в технологията, като някои места, като Израел, вече произвеждат достатъчно вода, за да снабдят половината държава.

За регионите с недостиг на вода обаче тези видове растения предлагат вид застрахователна полица за водна сигурност. Например Калифорния вече изгражда поредица от заводи.

Много експерти смятат, че единственият начин да се направи широко разпространеното опресняване е да се включат възобновяеми енергийни източници, които да ги захранват. Само чрез намаляване на относителните текущи разходи те ще станат икономически жизнеспособни.

С повишаването на глобалните температури и нарастващата вероятност от засушаване в много части на света, обезсоляването вероятно ще стане по-разпространено. Ако успеем да преодолеем енергийните разходи и разходите за околната среда на процеса, тогава обезсоляването може да се превърне във важна част от решението за решаване на недостига на вода.


Гледай видеото: Нулевая Мировая. 2 серия. StarMedia. Babich-Design. Документальный Фильм (Юни 2021).