Odsolování mořské vody

Odsolování mořské vody je výroba pitné vody a technologické vody pro průmyslové nebo elektrárny z mořské vody ( slané vody ) snížením obsahu soli . Odsolování může být založeno na různých procesech, které z vody odstraňují soli a minerály. V některých případech to vede k použitelným vedlejším produktům, jako je kuchyňská sůl .

Oblasti použití

Na Blízkém východě je rozšířená energeticky náročná těžba pitné a technologické vody pomocí fosilních paliv, jako je těžká ropa nebo zemní plyn . Ve státech Perského zálivu bohatých na ropu je odsolování mořské vody hlavním zdrojem výroby pitné vody, ale slouží také k získávání provozní nebo chladicí vody pro větší kalorické elektrárny umístěné na pobřeží . Jedním z příkladů je elektrárna Shoaiba , která je od roku 2014 největší elektrárnou v Saúdské Arábii . Vodu potřebnou pro chladicí systémy získávají plynové nebo olejové odsolovací systémy v bezprostřední blízkosti elektrárny; využívají se také kombinované plynové a parní elektrárny s připojeným odsolovacím systémem Lékařů bez hranic. Zkratka MSF znamená anglicky Multi Stage Flash Evaporation v důležitosti vícestupňového bleskového odpařování. Od roku 2014 je největší světovou odsolovací stanicí mořské vody elektrárna Jabal Ali a odsolovací zařízení mořské vody ve Spojených arabských emirátech .

V jednotlivých případech lze odpadní teplo z jaderných elektráren využít také k odsolování mořské vody. Jedním z příkladů je odstavená jaderná elektrárna Aqtau , která generovala 150 MW elektrické energie a 200 MW procesního tepla k odsolení mořské vody z Kaspického moře . Na letadlových lodích se odpadní teplo z jaderného reaktoru využívá k odsolování mořské vody.

Na Kanárských ostrovech a německém ostrově Helgoland se pitná voda získává procesem reverzní osmózy . Menšími oblastmi použití je také odsolování mořské vody na lodích a ponorkách .

Ve všech případech není odsolená voda vhodná k přímému použití jako pitná voda. Kromě toho jsou tyto vody s nízkým obsahem soli korozivní pro železné materiály, protože nelze vytvořit ochrannou vrstvu proti korozi. Následné přidání hydrogenuhličitanu vápenatého proto opět zvyšuje obsah uhličitanové tvrdosti ve vodě. Hydrogenuhličitan vápenatý vzniká reakcí hydroxidu vápenatého (vápenné mléko) s oxidem uhličitým (CO 2 ). K tomu potřebný CO 2 se často získává spalováním zemního plynu .

Zavedené techniky

Následující část uvádí obvyklé procesy v pořadí podle jejich ekonomické důležitosti. Proces vícestupňového bleskového odpařování (MSF) je nejrozšířenější a používá se ve velkém průmyslovém měřítku. Kromě těchto procesů se v menší míře používají také procesy odsolování solární mořské vody .

Vícestupňové odpařování blesku

Vývojový diagram třístupňového expanzního odpařovacího zařízení pro odsolování mořské vody

Jedná se o tepelný proces se zkratkou „MSF“ ( anglicky Multi Stage Flash Evaporation ). Jedná se o nejčastěji používanou metodu odsolování mořské vody. Prekurzorem byla víceúčelová destilace.

V tomto procesu, dodaný mořská voda se zahřeje na teplotu 115 ° C, s odpadním teplem z v tepelné elektrárně , ve vzácných případech i z jaderné elektrárny . Ohřátá slaná voda v takzvaném ohřívači solanky („ohřívač solanky“) se odpařuje v následujících expanzních krocích pod vakuem , vodní pára se v těchto fázích naplnění trubkami chladicí kapaliny odráží jako kondenzát a je odebírána jako voda bez soli . Voda, která je v důsledku procesu odpařování stále více obohacena solí, se také nazývá solanka a je v následném tepelném výměníku ochlazována na kondenzační teplotu (≈40 ° C) páry dodávané čerstvé vody. Poté slouží jako chladivo v potrubích. Samotné trubky jsou průběžně čištěny od krystalizující soli pomocí gumových kuliček . Nakonec se do solanky přivádí čerstvá slaná voda a směs se znovu zahřívá odpadním teplem z plynové turbíny. Celý proces tedy představuje uzavřený cyklus, přebytek soli koncentrující se v cyklu se vrací do moře.

Rozsáhlé závody, jako je elektrárna Jabal Ali a odsolovací zařízení mořské vody , největší světová odsolovací zařízení mořské vody, každý den odsolí 2,135 milionu metrů krychlových mořské vody. Obvykle se tímto způsobem denně z mořské vody extrahuje až 500 000 metrů krychlových pitné vody. Podobné množství produkují také ropné elektrárny v regionu .

Spotřeba energie je 23-27 kWh / m 3 (přibližně 90 MJ / m 3 ).

Reverzní osmóza

Průmyslová továrna na reverzní osmózu

Při reverzní osmóze se roztok (mořská voda) lisuje pod vysokým tlakem semipermeabilní membránou vyrobenou z polyamidu , PTFE nebo sulfonovaných kopolymerů s průměrem pórů 0,5 až 5 nm, aby se překonal osmotický tlak . Toto funguje jako filtr a propouští pouze určité ionty a molekuly . Tím se získá oddělení původního roztoku. Membránový filtr může zadržet soli , bakterie , viry , nadbytek vápna a toxiny, jako jsou těžké kovy.

Osmotický tlak se zvyšuje s rostoucí koncentrací soli, takže se proces v určitém okamžiku zastaví. Aby se tomu zabránilo, koncentrát se vypustí. Protože je třeba zabránit krystalizaci soli nebo minerálů ( srážení ) v membránách, má použití reverzní osmózy smysl pouze do určité maximální koncentrace zpětného toku. V závislosti na koncentraci soli je kvůli vysokému tlaku třeba i v optimálních systémech očekávat spotřebu energie mezi 2 a 4 kWh na metr krychlový pitné vody.

Membrány systému reverzní osmózy nevyžadují údržbu. Tvorba usazenin, způsobená minerálními usazeninami (tvorbou vodního kamene ), biologickými látkami ( biologické znečištění ) nebo koloidními částicemi, snižuje prostup molekul vody membránami. Aby se tomu zabránilo, musí být membrány opláchnuty chemickými čisticími prostředky. Běžná jsou činidla proti tvorbě vodního kamene, jako je kyselina polyfosforečná a polymaleinová, jakož i biocidy a chlor proti bakteriálním usazeninám. Tyto čisticí prostředky nebo oplachová voda nejsou šetrné k životnímu prostředí a je nutné je před návratem do koncentrátu ( moře ) separovat nebo upravit .

Systémy úpravy pitné vody mohou být vybaveny dalšími předfiltry v závislosti na typu znečištění vody. Hrubý materiál lze oddělit až do velikosti částic 20 mikrometrů. Další filtr s aktivním uhlím odděluje organické látky, jako jsou pesticidy. UV záření lze také připojit po proudu, což představuje další úroveň bezpečnosti před choroboplodnými zárodky.

Systém, který funguje podle tohoto principu, je závod na odsolování mořské vody Mossel Bay v Jižní Africe.

Membránová destilace

V procesu membránové destilace se používá mikroporézní membrána, která umožňuje průchod pouze vodní páře, ale zadržuje kapalnou vodu. Na jedné straně membrány je teplá slaná voda a na druhé straně chladnější povrch. Provozu protiproudu systém zajišťuje, že existuje rozdíl teploty po celé délce membrány. Výsledný rozdíl parciálního tlaku vodní páry způsobí, že se molekuly vody přesunou z teplé na studenou stranu membrány.

Experimentální techniky

V následující části jsou uvedeny různé testovací metody pro odsolování, z nichž některé se používají také v menších závodech.

Odpařovací hadice z plastu

V rámci evropského projektu CRAFT vyvinulo francouzské výzkumné centrum CEA / GRETh závod na odsolování mořské vody, ve kterém byly kovové součásti z velké části nahrazeny polymery . To má tu výhodu, že plasty mnohem méně korodují, a proto jsou odolnější než kovy. Použitím plastu může proces probíhat za normálních podmínek při 100 ° C a 1 baru. Zařízení dosahuje rychlosti výroby pitné vody 100 l / h. Protože je voda ohřátá na 100 ° C, je z velké části sterilní a obsahuje pouze malé množství soli.

Proces zmrazení

Když se mořská voda ochladí, vytvoří se krystaly ledu, které neobsahují soli. Technické potíže však v podstatě spočívají v oddělení ledových krystalů od matečného louhu . Krystaly ledu musí být omyty z matečného louhu. Na druhé straně existuje značná potřeba sladké vody, což způsobilo, že tento proces v praxi selhal.

Elektrodialýza

Elektrodialýza je ekonomický jen při velmi nízkých salinities. Náklady na energii jsou v lineárním vztahu k obsahu soli. Tento postup se proto často vyplatí pouze pro brakickou vodu . Skupina Siemens provozuje pilotní závod v Singapuru.

Iontová síla

Slaná voda se přivádí do čtyř bazénů. V povodí 1 se koncentrace soli zvyšuje (např. Odpařováním, solárním). Výsledná koncentrovaná solanka v pánvi 1 je spojena prostřednictvím selektivních polystyrenových membrán (které blokují ionty Na + k nádrži 2 a 3 ionty Cl - k pánvi ), což má za následek nedostatek Na + nebo Cl - iontů v těchto nádržích . Tyto dvě pánve jsou spojeny se čtvrtou pánví membránami. Ionty difundují z této čtvrté pánve, aby kompenzovaly ionty v nádržích 2 a 3. Voda v pánvi 4 je tedy bez NaCl. Pokud je třeba odstranit jiné soli, měly by být použity jiné iontové filtry. V Kanadě byl postaven pilotní závod s ekologickými dotacemi.

Výhodou je nízká spotřeba energie za předpokladu, že odpařování v bazénu 1 je způsobeno sluncem. Obsah minerálů, s výjimkou sodíku a chloridů, je zachován, takže k používání pitné vody nemusí být přidávány další minerály. Pro jiné účely jsou nutné další iontové filtry.

Biopalivový článek

Výzkum biopalivových článků pro odsolování slaně slaných vod se mimo jiné provádí na University of Queensland , Tsinghua University a Oak Ridge National Laboratory , USA. Praktické využití je zvažováno také pro brakickou vodu.

Viz také

literatura

  • Meike Janosch (Ed.): Voda na Blízkém východě a v severní Africe. Waxmann Verlag, Münster a další 2008, ISBN 978-3-8309-2002-1 .

webové odkazy

Individuální důkazy

  1. ^ Argyris Panagopoulos, Katherine -Joanne Haralambous, Maria Loizidou: Metody odstraňování solných solí a technologie zpracování - přehled . In: Science of the Total Environment . páska 693 , listopad 2019, ISSN  0048-9697 , s. 133545 , doi : 10.1016 / j.scitotenv.2019.07.351 (anglicky).
  2. ^ Připojení: Vodní a energetická bezpečnost . In: IAGS Energetická bezpečnost . Citováno 11. prosince 2008.
  3. ↑ Odsolování mořské vody. 1. března 2005, archivováno z originálu 24. ledna 2011 ; Citováno 18. dubna 2016 .
  4. ↑ Odsolování mořské vody v Kalifornii vyžaduje 2,8 kWh / m³ , Spiegel Online, 12. dubna 2015
  5. ↑ Melin, Rautenbach: Membránový proces - základy návrhu modulů a systémů , Springer Verlag Berlin, 2007
  6. ↑ „Ekonomické bez soli“ - nová technologie zlepšuje odsolování mořské vody , dradio.de
  7. ↑ https://www.heise.de/tr/artikel/Mit-Ionenkraft-gegen-den-grossen-Durst-889106.html
  8. ^ Sally Adee: Saline Solution , IEEE Spectrum, červen 2010