Учёные из Политехнического университета Милана разработали новую схему опреснения морской воды, которая позволяет извлекать до 95% пресной воды и получать соли в качестве полезного побочного продукта. Для этого исследователи использовали тепло, которое обычно рассеивается на солнечных электростанциях нового поколения.
Дефицит пресной воды становится всё более острой проблемой. Сегодня более 3,5 миллиарда человек сталкиваются с нехваткой воды как минимум на один месяц в году, а глобальные мощности по опреснению продолжают быстро расти. Однако существующие технологии далеки от совершенства. Наиболее распространённый метод — обратный осмос — требует значительных энергозатрат и обычно позволяет извлечь лишь 40–50% пресной воды, тогда как остальное превращается в концентрированный рассол, который необходимо утилизировать.
Комбинация технологий
Авторы исследования предложили объединить несколько технологий опреснения в единую систему и интегрировать её с солнечной тепловой электростанцией, работающей на сверхкритическом диоксиде углерода. Такие электростанции вырабатывают электроэнергию с высокой эффективностью, но при этом теряют большое количество низкопотенциального тепла при температурах от 50°C до 100°C. Обычно эта энергия не используется, однако учёные нашли ей полезное применение.
Первый этап процесса основан на технологии прямого осмоса. Мембрана разделяет морскую воду и специальный раствор из термочувствительного полимера Polycerin 55GI-2601, который создаёт разницу осмотического давления и заставляет воду проходить через мембрану. Используя тепло при температурах от 50°C до 75°C, система извлекает около 60% пресной воды, содержащейся в морской. В результате образуется рассол с солёностью около 8,3%.
Дистилляция и кристаллизация
Затем этот концентрированный рассол поступает в вакуумный мембранный дистиллятор. Установка использует более горячую часть сбросного тепла — от 75°C до 100°C. При пониженном давлении вода испаряется и проходит через керамические мембраны, а концентрация соли продолжает расти. После этого этапа общий уровень извлечения воды достигает примерно 85%, а солёность 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, при этом остаётся ничтожное количество жидких отходов.
Результаты моделирования
Чтобы оценить эффективность технологии, учёные смоделировали работу установки на базе солнечной электростанции мощностью 100 МВт в Севилье (Испания). Расчёты показали, что такое сооружение может производить около 3,39 миллиона кубометров пресной воды в год, извлекая при этом более 32 000 тонн солей.
Общий уровень извлечения воды достиг 95%. Это означает, что из каждых 100 литров морской воды лишь около 5 литров оставались в виде высококонцентрированного рассола. Таким образом, новая система позволила добиться практически нулевого сброса жидкости.
Важно, что система в значительной степени полагалась на тепло, которое в противном случае было бы рассеяно в окружающей среде. Энергопотребление насосов и другого вспомогательного оборудования оказалось очень низким и составило менее 0,5% от годовой выработки электростанции.
По оценкам учёных, даже при относительно низком коэффициенте использования солнечной энергии стоимость полученной воды может составить около €5,8 за кубометр, что делает эту систему перспективной для регионов, испытывающих нехватку пресной воды и обладающих значительными солнечными ресурсами.
