Пока ученые дискутируют о глобальном потеплении, есть отрасль, которая чувствует изменения среды буквально «на своей шкуре», – это производство питьевой воды из непитьевой. И речь давно уже не идет о простой подаче водопроводной воды – а именно о самом производстве пресной H2O. Потому что ее уже не хватает.

Для того чтобы столкнуться с дефицитом пресной воды, совсем не нужно жить в центре Сахары – там, кстати, ее, воды, полно, под барханами песка. Дефицит пресной воды ощущается в Европе, в США, в Китае, в Индии и даже кое-где в России. Ведь речь, повторюсь, идет о чистой, питьевой воде. 

Человеческий организм в этом отношении достаточно привередлив. Чуть более 1 грамма солей на литр – и эту воду уже можно употреблять только в ограниченном объеме. Ближе к 10 граммам на литр – и вот тут при постоянном употреблении начинаются проблемы. Ограничения есть по содержанию бактерий и органики. В общем, воду надо не просто добывать, а делать. И один из самых рациональных способов – это опреснение.

Планета на глазах высыхает, и производство питьевой воды уже стало «бизнесом будущего»

Как ни странно, но опреснять воду, то есть из соленой делать пресную, приходится не только на пустынных берегах Аравии. Даже в европейской части России, в Европе, США и во многих других странах лучший способ получить чистую питьевую воду – сделать ее из соленой. Дело в том, что рассолы залегают практически повсеместно, в них не размножаются бактерии, они чаще всего залегают на достаточно большой глубине и не подвержены внешнему химическому загрязнению.

Если же вы живете на берегу моря, особенно если оно относительно чистое, то можно, конечно, использовать в качестве исходного сырья и его. Вот основные способы, которые применяются в настоящее время.

Дистилляция с кипячением

Дистилляция – один из самых старых способов получения пресной воды из соленой. В настоящее время существует несколько методов, основанных на этом принципе: вскипятить воду, а затем сконденсировать водяной пар, и вот у вас чистейшая жидкость. Пить ее тоже долго нельзя, поэтому к ней немного добавляют природных солей.

В промышленном производстве воды сейчас превалируют два метода: один из них известен довольно давно, это метод многоколонной дистилляции (Multi-effect Distillation, или MED), когда производится кипячение соленой воды в первой колонне и используется тепло образованного пара для нагревания последующих колонн. Метод надежный, но по степени своей эффективности стоящий с самом конце рейтинга экономичности.

Более эффективным считается дистилляция мгновенным вскипанием (Multi-stage-flash, или MSF): в этом случае соленую воду испаряют в камерах, где постепенно снижается давление, а значит, и нужна меньшая температура, чтобы довести воду до кипения.

Есть еще два метода, которые являются своего рода развитием первых двух: это мембранная дистилляция (Membrane Distillation, или MD), при которой роль «змеевика-холодильника» выполняет гидрофобная мембрана, пропускающая водяной пар, но удерживающая воду; и компрессионная дистилляция (Mechanical Vapor Compression, или MVC ), когда для нагрева соленой воды в самой первой колонне применяют сжатый, а значит, перегретый пар.

У всех этих методов есть один принципиальный недостаток – чтобы превратить воду в пар, нужна огромная энергия. Для нагрева воды от 0 до 100 градусов необходимо затратить 420 килоджоулей энергии, но чтобы эту нагретую воду обратить в пар, потребуется уже 2260 килоджоулей. Для установок такого типа расход только электроэнергии составляет от 3,5 кВт-час на кубометр полученной пресной воды.

Дистилляция Солнцем

Вполне логично в южных странах использовать для дистилляции энергию Солнца. При этом можно либо использовать непосредственно тепловую энергию Солнца, либо фотоэлектрические устройства (солнечные батареи) для выработки электроэнергии, которая уже будет использоваться дальше. Самые простые – это солнечные испарители, которые выглядят как стеклянные или пластиковые призмы, на дне которых находится соленая вода.

Солнечная энергия нагревает воду, она испаряется, конденсируясь на наклонных стенках, и стекает в приемники. Все очень просто, но проблема в том, что у такой системы КПД менее 50%. Конечно, для бедных и пустынных районов это решение, если задача обеспечить водой небольшой поселок.

Это не солнечная батарея, а пленочные солнечные испарители, которые дают достаточно воды для одного дома

Специалисты ведут научно-исследовательские и конструкторские разработки с целью усилить отдачу от таких систем, например используя капиллярные пленки, что повышает эффективность работы солнечного дистиллятора. Однако нужно признать, что ни солнце, ни ветер, ни геотермальная энергия еще не стали сами по себе основными силами, производящими пресную воду, хотя и не требуют значительных затрат на эксплуатацию. Но воду можно не только дистиллировать – соль можно удалить из воды и другими способами.

Например, можно использовать электродиализ (Electrodialysis, или ED) – в этом процессе используются две мембраны, одна пропускает только катионы, а другая только анионы, которые разбегаются к мембранам под действием приложенного к ним постоянного тока. Такая система отлично работает в спарке с солнечными батареями и ветрогенераторами.

Его величество осмос

Еще один весьма эффективный вид разделения соли и воды – обратный осмос. Прямой осмос – это стремление воды проникнуть через полупроницаемую мембрану туда, где растворено больше веществ. Например, дерево обеспечивает свое питание водой за счет осмоса: в его «теле» в соках растворены сахара, и поэтому вода из грунта стремится попасть через поверхность корней внутрь, создавая избыточное давление, которое и гонит воду наверх.

Морковь наливается соком именно из-за явления осмоса. Наши клетки держат форму из-за того, что вода может войти через их мембраны, а вот сахар выйти наружу – нет. Но если создать давление, которое выше, чем давление осмоса, то начнется обратный процесс – вода будет уходить, а частицы соли или сахара оставаться. Так осуществляется опреснение воды методом обратного осмоса.

Метод обратного осмоса (Reverse Osmosis, или RO) можно иначе описать как использование полупроницаемой мембраны, через которую под давлением пропускают соленую воду, и соль остается с той стороны, с какой подается избыточное давление.

Этот метод сейчас из крупных промышленных методов считается весьма эффективным, и более того – малозатратным. Например, для получения 1 кубометра пресной воды методом MSF нужно затратить в сумме электрической и тепловой энергии от 10 до 13 кВт-час. Метод MVC может потребовать от 9,5 до 17 кВт-час. А вот метод обратного осмоса в случае опреснения морской воды берет от 4,5 до 8,5 кВт-час. Ну а если вода солоноватая, например из артезианских источников, то вообще хватает всего 1,0–2,5 кВт-час электроэнергии. Это позволяет опять же использовать для работы маломощные источники электрогенерации. Но в принципе можно вообще отказаться от электричества или кардинально сократить его потребление до мизерных величин.

Как запрячь море?

Если на суше установку обратного осмоса, которая снижает соленость воды из артезианской скважины, можно легко запитать, например, от ближайшей электростанции, то на пустынных морских берегах это сделать гораздо труднее. В пустынях вообще тяжело вести линии электропередачи, и не только из-за жаркого климата. 

А рядом океаны обрушивают на побережье мощные волны, чья энергия расходуется впустую. Маркус Ялайнен из Университета Аалто в Финляндии предложил совершенно новый подход к решению проблемы, а именно запрячь сами волны, чтобы они генерировали высокое давление, необходимое для запуска процесса обратного осмоса. Его система, названная AaltoRO, состоит из подводного волнового конвертера и береговой установки.

Система AaltoRO может превратить прибрежную пустыню в зеленый сад, не потребив ни киловатта из внешних источников энергии

Конвертер представляет собой поставленную на дне моря пластину размером примерно 25х10 метров. Она шарнирно закреплена в донной части и поэтому начинает при волнении колебаться взад-вперед. Колебания пластины запускают насос, который находится в ее основании, и морская вода под давлением устремляется к мембранным блокам обратного осмоса, где разделяется на сильносоленые отходы опреснения (они сливаются обратно в море) и собственно пресную воду.

Себестоимость получаемой воды на установке производительностью 3700 кубометров пресной воды в сутки составит, по расчетам, около 60 евроцентов за тонну (то есть менее 30 рублей). Одна такая установка сможет обеспечить водой 7500 австралийцев, 21 150 перуанцев, 750 тысяч мозамбикцев. Выбор этих народов неслучаен: именно Австралия, Южная Африка, Южная Америка, запад США, Канарские острова и Магриб – это те места, где есть океаны и пустыни, нуждающиеся в воде, как и люди, которые там живут.

К сожалению, красивые проекты по транспортировке айсбергов к засушливым берегам оказались слишком затратными при расчетах, да и экологически опасными – пресная вода в таких объемах убьет океанскую живность. А вот новые технологии, с применением новейших разработок в области тончайших мембран, могут здорово изменить ситуацию с чистой пресной водой в лучшую сторону. И потребность в этих разработках чувствуется не только в жарких странах. Ведь, открывая бутылку чистой воды у себя в средней полосе России, скорее всего, вы тоже пьете очищенную обратным осмосом воду.