W obliczu rosnącego zapotrzebowania na wodę słodką i zmniejszających się zasobów naturalnych, odsalanie wody morskiej nabiera kluczowego znaczenia w wielu regionach świata. Obecnie nawet 75 proc. wody morskiej odsala się przemysłowo metodą odwróconej osmozy.
Spis treści:
- Na czym polega odsalanie wody morskiej?
- Odsalanie wody morskiej na świecie
- Metody odsalania wody morskiej
- Odsalanie wody morskiej metodą odwróconej osmozy
- Odsalanie wody morskiej – podsumowanie
Na czym polega odsalanie wody morskiej?
Woda słodka stanowi zaledwie 3 proc. zasobów światowych, natomiast pozostałe 97 proc. tego drogocennego płynu znajduje się w morzach i oceanach. Jako ciekawostkę warto zapamiętać, że słona woda jest bogata w chlorki, natomiast w wodach słodkich przeważają zazwyczaj węglany.
Najbardziej zasolone jest Morze Czerwone, w którym na każdy litr wody przypada około 40 gram soli[1]. Dla porównania, w Morzu Bałtyckim ilość soli mieści się w przedziale od 4 do 8 gram.
Niezdatna do picia woda morska może zostać oczyszczona z soli na tyle, że będzie się nadawać do spożycia. Na skalę przemysłową odsalanie wody morskiej można przeprowadzić kilkoma metodami, ale proces ten zachodzi również naturalnie.
Woda oceaniczna pod wpływem temperatury wyparowuje już bez znajdujących się w niej soli. W wyniku zjawiska kondensacji z pary wodnej powstają chmury, które przynoszą deszcz wpadający potem do rzek i mórz. Chociaż ilość soli w wodach powierzchniowych oscyluje na stałym poziomie, deszczówka jest słodka i po odpowiedniej filtracji nadaje się również do celów gospodarczych. W tych rejonach świata, gdzie można liczyć na opady, warto zatem wiedzieć jak oczyścić wodę deszczową, aby móc z niej korzystać bez obaw o parametry fizykochemiczne.
Odsalanie, czyli desalinacja to szereg procesów polegających na usuwaniu soli i innych minerałów z wody morskiej, w celu uzyskania słodkiej wody nadającej się do spożycia lub nawadniania[2].
Odsalanie wody morskiej cieszy się dużym zainteresowaniem ze względu na olbrzymie potrzeby rosnącej populacji. W świecie, w którym coraz trudniej o czystą i świeżą wodę pitną, desalinacja zasobów morskich wydaje się rozwiązaniem nie tylko rozsądnym, ale też koniecznym.
Na tym tle szczególnie duże zapotrzebowanie generuje rolnictwo oraz przemysł. Obecność soli utrudnia lub wręcz uniemożliwia zachodzenie procesów technologicznych, a także powoduje korozję metalowych elementów maszyn. Desalinacja pozwala niektórym zakładom na korzystanie z wody morskiej zamiast słodkiej. Ponieważ jednak przemysłowe uzdatnianie wody obejmuje szereg różnorodnych metod, na etapie doboru optymalnego rozwiązania warto poprosić o pomoc specjalistę z branży.
Odsalanie wody morskiej na świecie
Choć odsalanie wody morskiej ma bardzo długą historię (wspominał o tym już Arystoteles), desalinacja na skalę przemysłową stała się popularna stosunkowo niedawno. Z drugiej strony, obecnie na całym świecie istnieje około 16 000 zakładów odsalania, których łączna globalna zdolność operacyjna wynosi około 95,37 mln m3/dzień, a produkcja solanki wynosi 141,5 mln m3/dzień[3].
Ten sposób pozyskiwania wody pitnej i użytkowej jest szczególnie popularny w jednostkach pływających. Na większą skalę, desalinację stosuje się przede wszystkim na obszarach ubogich w naturalne zasoby wody słodkiej, czyli m.in. na Półwyspie Arabskim, w Izraelu oraz w niektórych krajach na Karaibach. Coraz częściej spotyka się takie rozwiązanie również w wielkich konurbacjach, takich jak Singapur czy Hongkong.
Największe na świecie zakłady przeznaczone do odsalania wody znajdują się w Jebel Ali w Zjednoczonych Emiratach Arabskich, gdzie pozyskuje się nawet 300 milionów metrów sześciennych wody[4].
Metody odsalania wody morskiej
Odsalanie wody morskiej na skalę przemysłową może się odbywać na różne sposoby. Procesy, za pomocą których jest to możliwe różnią się od siebie pod względem dostępnych źródeł energii, obejmujących energię słoneczną, cieplną i elektryczną, a nawet energię jądrową[5]. Im tańsze źródło energii, tym oczywiście bardziej atrakcyjna i ekonomiczna jest desalinacja wody morskiej w celu rozszerzenia dostaw wody pitnej.
Na przestrzeni ostatnich dziesięcioleci opracowano wiele metod odsalania, głównie w celu konwersji światowych zasobów wody morskiej. Obecnie istnieją trzy główne kategorie desalinacji wykorzystujące takie procesy jak parowanie, zamrażanie i dyfuzja. Ich zastosowanie zależy głównie od warunków lokalnych zasobów wodnych, poziomu technologii oraz rozwoju gospodarczego na danym obszarze.
Metody na bazie parowania
Do tej kategorii zalicza się te procesy, w których słona woda jest odparowywana lub skraplana w drodze ekstrakcji cieplnej do destylatu w postaci czystej (odsolonej) wody i solanką jako produktem ubocznym.
- Odsalanie słoneczne (ogrzewanie i destylacja energią słoneczną)
- Wielostopniowa destylacja rzutowa (wrzenie i kondensacja)
- Odparowywanie
- Rekompresja pary
Źródła energii dla wszystkich tych procesów obejmują ogrzewanie, z pewnym stopniem wykorzystania ciepła odpadowego, jako źródło odzyskiwania energii. Wszystkie te technologie wymagają dużych ilości energii cieplnej i są preferowane tam, gdzie pojawiają się nadwyżki energii lub jest ona tania. Solankę jako produkt uboczny można albo usunąć, albo wykorzystać do odzysku soli.
Metody odsalania na bazie zamrażania wody
W procesach odsalania wody morskiej bazujących na zamrażaniu, ciepło jest pobierane z solanki, aż jej część skrystalizuje w granulki czystej wody i lodu. Powstającą w ten sposób frakcję oddziela się od pozostałej solanki i topi, tworząc świeżą wodę pitną. Część ciepła uzyskanego w cyklu zamrażania można dodatkowo odzyskać i wykorzystać na etapie topienia.
- Zamrażanie bezpośrednie
- Pośrednie lub wtórne zamrażanie czynnika chłodniczego
Metody odsalanie na bazie dyfuzji
W przypadku dyfuzji wyróżnia się procesy, w których świeża woda jest oddzielana od słonej wody za pomocą hydrofobowej lub półprzepuszczalnej membrany. Usunięcie z wody cząstek naładowanych elektrycznie (jonów) następuje pod wpływem pola elektrycznego, albo za pomocą ciśnienia w odwróconej osmozie.
- Elektrodializa
- Przemysłowa nanofiltracja
- Przemysłowa odwrócona osmoza
Odsalanie wody morskiej metodą odwróconej osmozy
Rozbudowane systemy odwróconej osmozy stanowią obecnie jedną z najczęściej stosowanych metod odsalania wody morskiej.
Odwrócona osmoza (ang. reverse osmosis, RO) to wymuszona dyfuzja rozpuszczalnika przez błonę półprzepuszczalną rozdzielającą dwa roztwory o innym stężeniu.
Odwrócona osmoza zachodzi w kierunku od roztworu o wyższym stężeniu do roztworu o stężeniu niższym (prowadzi do zwiększenia różnicy stężeń obu roztworów), czyli odwrotnie niż w przypadku osmozy spontanicznej. W celu przeprowadzenia tego procesu w zamkniętej przestrzeni należy przyłożyć ciśnienie większe niż naturalne, do czego niezbędne są wysokowydajne pompy ciśnieniowe. Systemy przemysłowej odwróconej osmozy do działania wymagają również dużych zasobów energii.
Zawsze podkreślam, że przemysłowa odwrócona osmoza to system, który należy dobierać indywidualnie. Ilość oraz wydajność zamontowanych membran osmotycznych uzależniona jest przede wszystkim od wymogów instalacji oraz konkretnego procesu.
Piotr Pisarski
Z reguły instalacje do odwróconej osmozy są montowane za jednostką flotacyjną lub przemysłową ultrafiltracją, która usuwa z wody morskiej substancje nierozpuszczalne. Woda jest pobierana z morza lub oceanu za pomocą urządzeń ssawnych instalowanych u wybrzeży danego akwenu. Tego typu przemysłowe systemy odwróconej osmozy muszą być jednak regularnie płukane. Woda do płukania wstecznego lub, otrzymywany w wyniku sedymentacji, osad z jednostki flotacyjnej zostają rozdzielone przez dekantery na frakcję stałą i wodę nadającą się do ponownego użycia.
Przemysłowa odwrócona osmoza – woda słona a woda słodka
Omawiając temat przemysłowej odwróconej osmozy, warto zwrócić uwagę na pewną kwestię, a mianowicie różnice pomiędzy desalinacją wody morskiej i wody słodkiej.
Woda słona jest bardzo korozyjna, co można łatwo sprawdzić wykonując profesjonalne badania wody, dlatego system odsalania wody morskiej powinien być wykonany z odpowiednio wytrzymałych materiałów (stal nierdzewna, wytrzymałe tworzywa sztuczne), które zazwyczaj są bardziej kosztowne.
Kolejna kwestia to rodzaj membrany osmotycznej, która w przypadku odsalania wody powinna się charakteryzować większą wydajnością. Wymagane jest również ciśnienie o wysokości około 60 bar, a co za tym idzie niezbędna jest również bardziej wytrzymała i wydajniejsza pompa. Do odsalania wody morskiej wykorzystuje się znacznie większą ilość membran osmotycznych niż przy wodzie słodkiej, co oczywiście przekłada się na wyższy koszt całej inwestycji (niekiedy nawet kilka lub kilkanaście razy). Należy również zwracać uwagę na zapychanie membran (fouling), co przy odsalaniu zdarza się stosunkowo często.
Ponieważ przemysłowa odwrócona osmoza jest uznawana za metodę stosunkowo kosztowną i wymagającą sporych nakładów energii, nieustannie trwają poszukiwania tańszych sposobów odsalania wody. Rośnie w efekcie zainteresowanie wykorzystaniem energii pochodzącej ze źródeł odnawialnych, a w nowoczesnych systemach desalinacji coraz częściej wykorzystuje się panele fotowoltaiczne.
Odsalanie wody morskiej – podsumowanie
Odsalanie wody morskiej to w dzisiejszych czasach kluczowa technologia dla zapewnienia dostępu do wody pitnej, szczególnie w obliczu globalnych wyzwań związanych z jej niedoborem. Chociaż desalinacja niesie ze sobą wiele wyzwań, pojawiające się w tym sektorze innowacje technologiczne i rosnące inwestycje bez wątpienia zagwarantują bardziej zrównoważone i efektywne procesy w przyszłości.
