Экологические риски

Экологи продолжают высказываться против процесса опреснения воды, утверждая, что он наносит вред окружающей среде.
Удаление соли из морской воды, приводит к образованию концентрированного шлама, т.н. рассола, который в два раза тяжелее соленой морской воды и содержит примеси, которые могут повлиять на морских обитателей при сбросе обратно в море.
В случае удаления рассола на суше, он может просачиваться сквозь почву, проникая в подземные воды.
Управление по защите окружающей среды в Соединенных Штатах установило, что огромное количество сооруженных опреснительных установок для обработки морской воды за год нанесло вред около 3,4 миллиардам рыб и другим представителям морской фауны и принесло убытки для рыболовной промышленности страны в размере 212,5 млн. долларов.
Заводы по опреснению также могут уничтожить около 90% планктона.

Кроме того, опреснительные установки выделяют огромное количество выбросов углекислого газа, поскольку работают на ископаемых видах топлива.
Исследовательская организация по охране побережья в Сан-Диего подсчитала, что завод, ежедневно производящий около 53 млн. галлонов воды будет потреблять вдвое больше количество воды для ее переработки и повторного использования.
Ситуация кажется достаточно ироничной, поскольку создание подобных заводов по опреснению морской воды – это, казалось бы решение проблемы нехватки питьевой воды и выход из сложившейся кризисной ситуации, однако эксперты утверждают, что это может создать только более серьезную экологическую проблему, такую как изменение климата на планете.

Влияние на здоровье

Использование опресненной воды также вызывает некоторые противоречивые мнения, относительно влияния процесса опреснения на здоровье.
По словам председателя Института исследований в области развития и безопасности окружающей среды Тихоокеанского региона Петра Глейка, мембраны обратного осмоса способны удалить только 50% бора, который входит в химический состав морской воды.
Избыток бора способен вызывать проблемы в репродуктивной системе, как людей, так и животных, а также приводить к нарушению деятельности желудочно-кишечного тракта.

Основные недостатки существующих опреснительных систем:

1. борьба с отложениями (например, накипью) на поверхностях теплообмена, мембран и тому подобное;
2. большие удельные энергетические затраты;
3. наличие большого количества сменных материалов, комплектующих, дополнительного расхода химических реагентов;
4. экологическая опасность в процессе эксплуатации установок;
5. необходимость в высокой квалификации обслуживающего персонала.

Конкретно, при опреснении воды дистилляцией в испарителях, питаемой соленой водой морей или океанов, серьезные затруднения вызывает быстрое зарастание накипью поверхностей теплообмена.
Это обусловлено высокой жесткостью, обычно свойственной природным водам.
Образование накипи на теплопередающих поверхностях испарителей приводит к резкому снижению их эффективности, возникает необходимость частой остановки и очистки испарителей, применения антинакипинов, химреагентов, что сопряжено с большими эксплуатационными расходами.
Главное, к исходной воде предъявляются специальные требования, которые можно обеспечить, применяя дорогостоящие системы водоподготовки.
Проблемой является обеспечение достаточной энергией (теплом) крупных опреснительных комплексов. Необходимы мощные котельные (ТЭЦ) или атомные реакторы.
Стоимость тепла - 40-50% от стоимости опреснения дистилляций.

Большие средства отвлекаются на решение экологических задач и обслуживание таких комплексов.
Обращает на себя внимание высокая стоимость эксплуатационных расходов при использовании обратноосмотических и электродиализных (мембранных) методов.
Опыт эксплуатации подобных установок во всем мире свидетельствует, что тенденция к снижению стоимости эксплуатации не наблюдается, что объясняется желанием потребителей видеть стабильную работу непосредственно установок опреснения и их автоматизации.
В этой связи уровень предварительной очистки становится одним из доминирующих аспектов данных методов опреснения, а стоимость предподготовки иногда существенно выше самих установок.

Подаваемая на мембраны вода (при солесодержании 40 г/л) давлением 50-150 атм. должна содержать:
1. менее 0,56 мг/л взвешенных веществ;
2. менее 2-3 мг/л коллоидных загрязнений;
3. свободного хлора менее 0,1 мг/л для композиционных полиамидных мембран и менее 0,6-1,0 мг/л для ацетатцеллюлозных мембран;
4. малорастворимые соли (железа, кальция, магния, стронция) в концентрациях, не вызывающих их отложение на мембранах;
5. микробиологические загрязнения должны отсутствовать;
6. температура подаваемой воды не должна превышать 35-45 °С;
7. рН исходной воды должен находиться в пределах 3,5-7,2 для ацетатцеллюлозных мембран и 2,5-11,0 - для полиамидных.

Для обеспечения указанных требований необходимо обеспечить очистку воды перед ее подачей в мембранную установку.
Она включает:
1. очистку от взвесей (наличие на входе картриджного микрофилътра с патронами, имеющими поры 5 и менее мкм);
2. удаление металлов (например, обезжелезивание);
3. удаление активного хлора;
4. умягчение воды или использование ингибиторов;
5. обеззараживание, отмывка и санитарная обработка мембран.

Все эти факторы часто замалчиваются компаниями, продающими установки обратного осмоса.
Высокая чувствительность мембран к различного рода примесям органического и неорганического характера требует применения развитых схем в установках обратного осмоса.
И для обратного осмоса и для электродиализа наиболее опасными являются соли жесткости, в особенности кальциевая жесткость.
Борьба с органическими загрязнениями решается, например, путем использования гипохлорита, активированного угля, биологической обработки воды или электродеструкции.
Для снижения содержания солей кальция не существует эффективных методов.
Для слабосоленых вод используется обработка реагентами или умягчение.
Электрохимическая обработка увеличивает стоимость обессоливания, и вопрос об ее использовании решается в каждом конкретном случае.

Для морской (океанической) воды с общей жесткостью до 140 мг-экв/кг эффективных методов снижения жесткости не существует вообще.
Поэтому инженеры должны смириться с мыслью, что всю или большую часть нагрузки, связанную с отложением солей, мембраны принимают на себя.
Для установок обессоливания обратного осмоса необходима сложная система предварительной очистки, превышающая по стоимости иногда в 2-3 раза стоимость самой установки обратного осмоса, а энергопотребление удваивается, при этом максимальный срок службы мембран 0,5÷1 год и регенерация их невозможна, требуется специальные растворы для их хранения и контроля температуры хранения.
В таблице приведено оценочное сравнение методов обессоливания по трем уровням: минимальный (Мин.), максимальный (Макс.) и средний (Ср.).

Для справки, состав морской воды

Состав морской воды

(Краткий справочник по химии. Гороновский И.Т., Назаренко Ю.П., Некряч Е.Ф. 1965 г., стр.513)
(средний состав в вес.%)
O 86,82 Са 0,041 F 0,0001 Zn 5×10 ^-6
H 10,72 К 0,038 Si 0,00005 Ba 5×10^-6
Cl 1,89 Br 0,0065 Rb 0,00002 Fe 5×10^-6
Na 1,06 С 0,002 Li 0,000015 Cu 2×10^-6
Mg 0,14 Sr 0,0013 N 1×10^-5 As 1,5×10 ^-6
S 0,088 В 0,00045 I 5×10^-6 P 5×10^-6
Al<0.001 Рв 5×10^-7 V 5×10^-8 Ga 5×10^-8
Mn 4×10-7 Se 4×10^-7 Th 4×10 ^-8 V 3×10^-8
Ni 3×10-7 Sn 3×10^-7 La 3×10^-8 Ce 3×10^-8
Cs 2×10-7 U 2×10 ^-7 Bi<2×10^-8 Sc 4×10^-9
Co 1×10-7 Mo 1×10^-7 Hg 3×10^-9 Ag 4×10^-9
Ti<1×10-7 Ge<1×10^-7 Au 4×10^-10 Ra 1×10^-14

Природная вода содержащая до 0,1% растворенных веществ называется пресной, от 0,1 до 5% - минерализованной, свыше 5% - рассолом.
К числу главных компонентов состава природных вод относятся ионы Na⁺, K⁺, Ca^{2 +} , Mg²⁺, H⁺ , Cl^-, HCO₃^-, CO₃^2-, SO₄^2- и газы O ₂, CO₂, H ₂S.
В малых количествах содержатся ионы Fe²⁺ , Fe³⁺, Mn²⁺, Br ^-, I^-, F^-, BO₂-, HPO₄^2-, SO₃^2-, HSO₄ ^-, S₂O₃ ^2-, HS^-, HSiO ₃^-, H₂SO₃ и газы N₂, CH₄ , He.
Остальные вещества находятся в воде в крайне рассеянном состоянии.
Вода, предназначенная для питья и хозяйственно-бытовых нужд населения, а также для коммунальных предприятий и предприятий пищевой промышленности, должна удовлетворять требованиям, предъявляемым к воде, подаваемой потребителю (ГОСТ 2874-54).

4. Применяемые технологии в мировой практике.

Мировые технологии по опреснению морской воды разделяются на следующие:

1) MSF (Multi-Stage Flash Distillation), метод опреснения, по которому испаряют морскую воду по порядку через много камер, где постепенно понижается давление.

2) MD (Membrane Distillation), нагреть морскую воду с одной стороны гидрофобной мембраны, которая пропускает пар, но не пропускает воду, а с другой стороны охлаждать пропущенный пар и получать пресную воду.

3) MED (Multi-Effect Distillation), нагреть до высокой температуры (эффектно) морскую воду в первой колонне и использовать образованный в первой емкости пар для нагрева в последующих колоннах.

4) MVC (MechanicalVapor Compression), для нагрева морской воды в первой колонне по методу МЕО использовать частично сжатый пар.
По сравнению с методами МЗК и МО меньше расхода энергии и имеет преимущество: возможно снизить максимальную температуру морской воды.

5) FP (Freezing Process) кристаллизовать только влагосодержание, охладив морскую воду, выделять и растворять кристаллы для получения пресной воды.

6) RO (Reverse Osmosis), используется полупроницаемая мембрана, которая имеет способность: вода проникает, но ионы и молекулы примесей не проникают.
Получить пресную воду через полупроницаемую мембрану возможно давлением морской воды большим осмотического давления раствора.

7) ED (Electrodialysis), установить попеременно мембрану, которая пропускает только катион, и мембрану, которая пропускает только анион, и включить напряжение постоянного тока между ними и убирать, к примеру, натриевый и хлорный анион из морской воды.

Таким образом, промышленное опреснение морской воды осуществляется одним из следующих методов: дистилляция, обратный осмос, электродиализ, вымораживание и ионный обмен.
Из всего объема получаемой в мире опресненной воды 71,5% приходится на долю дистилляционных опреснительных установок, 19% - обратноосмотических, 9,4% электродиализных, 0,1% - на долю замораживающих ионообменных и так далее опреснительных (по данным на 1991 год).

По оценкам экспертов, каждая из обозначенных технологий имеет существенные недостатки, к числу которых относятся:
• значительные отложения на поверхностях теплообмена, мембран и т.п.
• большие удельные энергетические затраты
• наличие большого количества сменных материалов, комплектующих, дополнительного расхода химических реагентов
• экологическая опасность в процессе эксплуатации установок
• необходимость в высокой квалификации обслуживающего персонала.
В связи с этим актуальным остается вопрос разработки более эффективных и экологически безопасных методов опреснения морской воды.

5. Последние разработки в области опреснения

Гидроволновой метод. Новая технология очистки и обессоливания фирмы STC "TEROS-MIFI"(www.teros-mifi.ru) основана на применении ранее не использовавшихся в этом направлении физических процессов, в основе которых лежит создание в морской воде таких гидродинамических режимов в сочетании с воздействием электромагнитных полей, что создает в солевом растворе химические и тепловые условия, способствующие испарению воды во много раз больше, чем в известных случаях.
Установки фирмы STC "TEROS-MIFI" Россия, Москва
В установках отсутствуют фильтры, сорбенты, ионообменные смолы, химреагенты.
Себестоимость 1 тонны производимой пресной воды из морской не более $0,3.
Удельные энергетические затраты меньше, чем для известных установок с аналогичным назначением.
Обеспечена экологическая безопасность, возможность выделения солей в виде твердого осадка.
Для создания крупных опреснительных комплексов (~ 10000 м3/сутки и более) целесообразно использовать модули (~ 50 м3/ч, 1200 м3/сутки).
Возможно применение более крупных модулей.

6. Задачи, стоявшие перед разработчиками.

Перед разработчиками была поставлены одновременно несколько задач:
5.1. Создать технологию опреснения морской воды, включая рассолы, а также одновременно в одной установке предварительное очищение сточных вод промышленных предприятий и стоков жилищно коммунального происхождения.
Также улучшение качества питьевой воды.
5.2. Расходы на опреснение 1 м3 воды не должны превышать 0,1 $.
5.3. Производительность установки должна находиться в пределах от 1 до 4 м3 в минуту, или 60 – 240 м3 в час
5.4. В работе установки не должны присутствовать фильтры, сорбенты, ионообменные смолы, химреагенты.
5.5. Вес установки (рабочего блока) не должен превышать 700 кг.
5.6. Установка должна быть приспособлена к применению на мобильных объектах.
Первоначально, за основу установки были приняты разработки Николы Тесла в области гидродинамики и дисковых насосов

Рисунок дискового насоса из патента Н.Тесла

Стояла задача сконструировать такое устройство, чтобы оно сохранило все преимущества дискового насоса:
А) Высокий ресурс всей установки, определяемый только подшипниковыми узлами и уплотнениями
Б) Способность прокачивать все существующие жидкие фракции
В) Низкий износ дисков
В настоящее время такого рода насосы выпускает единственная фирма в мире Discflo Corp. ( www.diskflo.com )

Фото: Пример дискового насоса фирмы Discflo Corp.

Насосы этой фирмы применяются от перекачки абразивных смесей, разного рода химически активных жидкостей до перекачки живой рыбы.
Второй основой для проекта стала разработка Ричарда Клема, его двигатель.

Местный житель Далласа разработал двигатель закрытого типа, который якобы производит мощность 350 лошадиных сил и работает сам по себе.
Двигатель весит около 200 фунтов(справка: 1 фунт = 0,45359237кг)и содержит растительное масло при температуре 300 F (150 С).
Внутри двигателя находится конус, закрепленный на горизонтальной оси. Вал, на котором укреплен конус, пустой внутри и переходит в спиральные полые каналы внутри конуса.
Они обвивают конус и заканчиваются у его основания соплами (форсунками).
Две эти разработки были основополагающими при выборе принципа и схемы работы нашей будущей установки.
Далее надо было создать условия для процесса очищения воды.
Справка.
Молекула воды имеет следующее электронное строение:

Две электронные пары образуют полярные ковалентные связи между атомами водорода и кислорода, а оставшиеся две электронные пары остаются свободными и называются неподеленными. Молекула воды имеет угловое строение, угол Н–О–Н составляет 104,5 градусов.

Наличие в молекулах H2O неподеленных электронных пар у атомов кислорода и положительно заряженных атомов водорода приводит к совершенно особому взаимодействию между молекулами, называемому ВОДОРОДНОЙ СВЯЗЬЮ. В отличие от всех уже знакомых нам видов химической связи эта связь – межмолекулярная.
В связи с тем, что молекула воды имеет полярность, минусом в зоне кислорода и плюсом в области водорода, встала задача строгой ориентации структуры воды в рабочей зоне.
Параллельно стояла задача предварительного разрушения кластерной структуры воды, так как именно кластеры, объединяющие как правило от 55 молекул воды и способствуют включению в состав воды примесей.
Эта задача успешно решилась, как только мы применили конструктивные вакуумные зоны.
Параллельно было открыто, что молекула воды при этом процессе строго ориентируется кислородом к зоне высокого давления, и водородом к зоне разрежения (условно мы назвали эти зоны вакуумными).
Одновременно надо было создать сдвиговые условия для всей структуры молекулы воды, с тем, чтобы изменить ее энергетическое состояние, растворимость, другие параметры.

При этом мы воздействуем на угол взаимодействия кислорода и водородов в молекуле воды, а не на ковалентную связь, что в нашем случае принципиально.
Так как эти связи характеризуются высокой прочностью, и повлиять на них можно только сверхбольшими усилиями.
В нашем случае сдвиговые усилия ограничиваются силами, не превышающими 1000 кН.
Это было необходимо сделать, чтобы вода начала вытеснять из себя примеси, содержащиеся в ней.
(Процессы очень близки к процессам замораживания воды, когда из нее вытесняются все примеси, включая «тяжелую» и «легкую» воду).
Только этот процесс замораживания на практике осуществляется за несколько часов, а в нашем случае все происходит за доли микросекунд.
Работы проводились на слабосоленой воде в силу разных причин.
На выходе получалась чистая вода с нерастворимыми хлопьями примесей, которые легко фильтровались самыми простыми фильтрами.
В процессе работы было изготовлено несколько опытных образцов. Фотографии установок представлены ниже.

Фото ротора первого варианта установки.

Фото первого варианта установки, условно «ЭННИО - 1»

Фото второго варианта установки, условно «ЭННИО – 2»

Надо сказать, что в процессе работы разработчики внесли в конструкцию свыше 10 НОУ-ХАУ, и несмотря на внешнюю простоту установки, повторить ее недобросовестным производителям будет весьма затруднительно.
Работы проводились в направлении получения тепловой энергии.
Но в процессе работы выяснилось, что установки прекрасно работают как опреснительные.
Мало того, выяснилось, что в большинстве случаев не требуется цикла испарения, примеси начинали выходить из воды в виде хлопьев уже при температурах около 50 градусов Цельсия.
Но в нашем случае перевод воды в паровую фазу является более экономичным, но и в режиме до парообразования стоимость опреснения ниже лучших образцов в десятки раз.

В режиме пара стоимость опреснения зависит только от установленных сроков амортизации самой установки, заработной платы персонала и основных фондов.
Параллельно проводились работы на другом устройстве бытового назначения, которое показало аналогичные результаты в плане вывода из воды примесей.
При этих испытаниях в г. Харьков, Украина, все время испытаний, после включения установки ощущался сильный запах хлора, применяемый Харьковским Водоканалом для дезинфекции питьевой воды. В связи с тем, что хлор изначально содержался в воде в виде соединения, а выделялся в виде газа, можно было заключить, что происходит разделение хлорсодержащих реагентов на отдельные элементы. В воде, пропущенной через установку, наблюдались хлопья вытесненных включений, так же как и на установке «ЭННИО – 3».
К сожалению, по результатам работы, разработчики не имеют официального протокола испытаний по условиям контракта с Заказчиком.

Результатом 10 летней работы стала установка «ЭННИО – 3».

Фото опытной установки «ЭННИО – 3» (в центре фотографии две установки)

В результате мы получили установку, способную работать со всеми видами жидких сред, стоки промышленных предприятий и предприятий жилищно-коммунального хозяйства, морскую воду, рассолы и так далее.

7. Предлагаемая технология и установка

Поставленные задачи были успешно решены.
За период с 1998 года по настоящее время было изготовлено последовательно три опытных установки разных конструкций. Разработчики накопили большой опыт проектирования такого рода установок.
Но до настоящего времени не имели достаточного финансирования для проведения полномасштабных работ по доведению установки до предпромышленного состояния.
Конструктивно установка, представляет из себя ротор или в вариациях диск, который вращается с большой скоростью в статоре специальной конструкции.

Технология не имеет аналогов в мире по способу опреснения.
Используется принцип взаимодействия воды с разрежением, создаваемого в установке за счет траектории движения воды.
В результате деформации молекулы воды и ее энергетического состояния из ее структуры вытесняются все примеси, фактически можно сказать, что мы стряхиваем со структуры воды примеси, мало того при этом происходит восстановление нормальной структуры самой воды.
Можно с большой долей уверенности предположить, что в такого типа установках будет разрушаться и тяжелая вода.
Одновременно, за счет мощного электромагнитного воздействия на примеси они переводятся в нерастворимую фазу. В результате примеси легко отделяются от чистой воды.
При этом все процессы происходят за один проход, без участия каких либо реагентов и расходов энергии на электромагнитное воздействие.
Результатом работ стала установка «ЭННИО – 3» , которая работает в двух режимах,- опреснение через электролиз и гидродинамический режим и режим испарения .

В первом случае себестоимость опреснения 1 м3 = 0,02 $
Во втором не более 0,002 $.
Себестоимость опреснения снижена относительно лучших аналогов в 15 – 30 раз в первом режиме и на несколько порядков во втором.
Мощность привода 22 КВт
Производительность по воде 3 м3 в минуту. Или 180 м3 в час.
Вес установки без трубопроводов и щита управления 350 кг.
В некоторых режимах установка способна генерировать электрическую энергию, которую можно направить на переработку получаемых солей.
Из 1 тонны морской воды можно извлекать от 30 до 50 кг солей, которые включают ценнейшие элементы периодической таблицы Менделеева.

Себестоимость опреснительного комплекса максимальная 250 000 $
Объем рынка минимальный 10 000 000 000.00$
Объем рынка предполагаемый 18 000 000 000.00 $
В настоящее время разработчики имеют проект более совершенной установки под условным названием «Эннио – 4» с более совершенной и легкой конструкцией.
Более технологичной конструктивно и легкой в обслуживании.
Однако, до настоящего времени ресурс установки ограничивался ресурсом в основном подшипников.
В настоящее время появились разработки и практические модели нового вида подшипников с ресурсом до 30 лет.
Применение новых материалов и комплектующих позволит создать установку, способную работать без капитального ремонта длительное время.

8. Рабочая группа.

Основные разработчики и патентообладатели: 3 человека

9. Затраты

Общая сумма затрат на весь период разработки составил примерно 2,3 миллиона $USA.
Из них:
Прямые затраты на оборудование ---1 700 000.00 $
Конструкторские работы, включая заработную плату конструкторам, --- 120 000.00 $
компьютеры, программы, расходные материалы и т.д. Командировочные расходы, связь, транспорт --- 80 000.00 $
Заработная плата разработчиков, и других специалистов --- 400 000.00 $