Ученые из Политехнического университета Милана предложили новую схему опреснения морской воды, которая позволяет извлекать до 95% содержащейся в ней пресной воды и одновременно получать соли в качестве полезного побочного продукта. Для этого исследователи использовали тепло, которое обычно без пользы рассеивается на солнечных электростанциях нового поколения.
Проблема нехватки пресной воды становится все более острой. Сегодня более 3,5 млрд человек хотя бы один месяц в году сталкиваются с дефицитом водных ресурсов, а мировые мощности по опреснению продолжают быстро расти. Однако существующие технологии далеки от идеала. Наиболее распространенный сегодня обратный осмос требует значительных затрат электроэнергии и обычно позволяет извлечь лишь 40–50% пресной воды, тогда как оставшаяся часть превращается в концентрированный рассол, который приходится утилизировать.
Авторы работы предложили объединить несколько технологий опреснения в единую систему и интегрировать ее с солнечной тепловой электростанцией, работающей на сверхкритическом углекислом газе. Такие электростанции вырабатывают электроэнергию с высокой эффективностью, но при этом сбрасывают большое количество низкопотенциального тепла с температурой примерно от 50 до 100 °C. Обычно эта энергия теряется, но ученые нашли ей полезное применение.
На первой стадии применяется технология прямого осмоса. Морская вода отделена мембраной от специального раствора на основе термочувствительного полимера Polycerin 55GI-2601, который создает разницу осмотических давлений и заставляет воду переходить через мембрану без необходимости. Используя тепло с температурой от 50 до 75 градусов Цельсия, система извлекает около 60% содержащейся в морской воде пресной воды. После этого остается рассол с соленостью около 8,3%.
Далее этот концентрированный рассол поступает на установку вакуумной мембранной дистилляции. Здесь используется более горячая часть сбросного тепла – от 75 до 100 °C. При пониженном давлении вода испаряется и проходит через керамические мембраны, а концентрация солей продолжает расти. После этой стадии суммарная степень извлечения воды достигает примерно 85%, а соленость рассола увеличивается до 20%.
На заключительном этапе концентрированный рассол направляется в кристаллизатор. Используя оставшееся низкопотенциальное тепло, установка доводит раствор до состояния, близкого к насыщению. Часть солей выпадает в осадок и может быть собрана для дальнейшего использования, а объем оставшихся жидких отходов становится минимальным.
Для оценки эффективности технологии ученые смоделировали работу комплекса на базе солнечной электростанции мощностью 100 МВт в испанской Севилье. Согласно расчетам, такая установка способна ежегодно производить около 3,39 млн кубометров пресной воды и выделять более 32 тысяч тонн солей.
В результате общая степень извлечения воды достигла 95%. Это означает, что из каждых 100 литров морской воды лишь около 5 литров осталисть в виде сверхконцентрированного рассола. Таким образом новая схема позволила практически приблизиться к режиму Zero Liquid Discharge – нулевого сброса жидких отходов.
Не менее важно и то, что для работы системы использовалось главным образом тепло, которое в любом случае пришлось бы отводить в окружающую среду. Потребление электроэнергии на насосы и другое вспомогательное оборудование оказалось очень небольшим – менее 0,5% от годовой выработки самой электростанции.
По оценке ученых, даже при сравнительно невысоком коэффициенте использования солнечной энергии себестоимость получаемой воды может составить около 5,8 евро за кубометр, что делает такую схему перспективной для регионов, испытывающих дефицит пресной воды и располагающих значительными солнечными ресурсами.
