Обессоливание воды: методы и установки

Ученые считают, что человечество пришло к периоду, когда за пресную воду будут вспыхивать конфликты. Решить эту проблему можно только одним способом - найти оптимальный метод обессоливания воды.

Что такое обессоливание воды

Любая жидкость в своем составе имеет определенную долю солей, микроорганизмов, минералов. Очищение природной или водопроводной воды выводит из нее вредные вещества. Но иногда она в составе имеет большое количество солей, которые делают ее непригодной для употребления.

Обессоливание воды – это снижение концентрации растворенных в ней солей. Процедура может носить тотальный характер, когда жидкость лишается любого соляного содержания или частичный, когда в ней остается заданное количество соли.

Методы

Полное обессоливание проводится следующими способами:

• Дистилляция, термический способ.
• Методом ионного обмена.
• Методом электродиализа.
• Мембранным обратным осмосом.

Частичное удаление соли достигается при применении таких способов:

• Известкование.
• Баритовое умягчение.
• Н-катионирование.
• Вымораживание.

Методы обессоливания воды требуют затрат как финансовых, так и энергетических. Выбор способа обработки зависит от степени содержания соли в первоначальной жидкости, производительности установки, затрат на составляющие процесса (тепло, электроэнергия, реагенты). Каждый из методов имеет свои преимущества, недостатки и происходит при помощи технических средств.

Частичное обессоливание

Лишенная всех примесей вода применяется во многих производственных процессах и необходима для внутреннего употребления очень ограниченному числу людей. Для бытовых нужд требуется деминерализация воды до определенной степени. Чаще всего происходит умягчение жидкости методом катионирования.

В процессе происходит замена жестких солей на катионы водорода, которые, в свою очередь, вступая в реакцию, разрушают бикарбонатные ионы. Продукты образуют соединение, которое выводится в виде газа. Степень очистки оценивается по количеству выведенного карбоната кальция.

Дистилляция воды

Обессоливание воды с помощью метода дистилляции - самый старый и распространенный на сегодняшний день способ. Плюсом является его всеобщая доступность, а минусом – дороговизна процесса. Для получения воды без примесей используют дистилляторы. Они представляют собой испарители нескольких типов, разница между которыми состоит в конструкции, виде используемой энергии. Наиболее распространенные – паровые и электрические аппараты, отличающиеся дороговизной и большим потреблением энергоресурсов.

Аппарат представляет собой котел (или несколько котлов) низкого давления, где жидкость превращается в пар и отделяет концентрат солей. Чтобы вода получила максимальную очистку, в аппарате достигается температура медленного кипения. При таком режиме тяжелые примеси не попадают в конденсирующийся дистиллят. Одним из вариантов уменьшения стоимости является увеличение количества ступеней, но такая установка влечет крупные первоначальные инвестиции.

Оборудование для дистилляции помимо потребления большого количества энергии обладает внушительной стоимостью всех частей. Обеспечить высокую степень чистоты могут дорогостоящие трубы, арматура, теплообменники, испарители, сделанные из кварца или платины. Другие материалы непригодны.

Электрохимический метод

Суть метода заключается в пропуске воды через электрическое поле, при этом происходит перенос ионов солей – катионы распределяются в сторону катода, а анионы - к аноду. Система имеет три отсека, которые образуются при помощи катодной и анодной диафрагм. В срединном отсеке находится вода, подготовленная к обессоливанию.

Через поток пропускают постоянный электрический ток, при помощи которого происходит сортировка солей на катодную и анодную диафрагмы. Метод является очень дорогостоящим по затратам на оборудование и издержкам на электроэнергию, в связи с чем не получил распространения.

Ионный обмен

Наиболее надежный способ, которым достигается обессоливание воды, – метод ионного обмена. Осаживание примесей таким способом позволяет получить более чистую жидкость за короткий срок, что важно при промышленном обессоливании. Способ является наиболее экономически выгодным и дает лучший результат очистки.

Метод основывается на удалении из жидкости катионов и анионов солей, в результате очистки можно достичь разной степени деминерализации, вплоть до полного удаления солевых агентов. Обессоливание воды ионным обменом происходит при участии ионитов, которые представляют собой нерастворимые в воде полимеры, содержащие подвижный ион. При созданных условиях подготовленный полимер вступает в реакцию обмена с ионами солей того же знака. Помещенные в водную среду иониты набухают, увеличиваясь в размере в 1,5-2 раза.

По мере прохождения времени иониты собирают растворенные в воде соли и уплотняются. Насыщенные иониты регенерируют, после чего проводят их очистку. Продукты, полученные из насыщенных ионитов, называются "элюаты", в их состав входят растворы солей и щелочей. Часть из них являются ценными веществами, поэтому их утилизируют как ценные компоненты.

Обратный осмос

Технический прогресс и начавшая наблюдаться нехватка пресной воды рождают новые технологии опреснения и обессоливания. Популярным способом становится метод обработки обратным осмосом, надежность ему гарантирует развитие мембранных технологий. Промышленный интерес вызван сравнительно низкими энергозатратами. Большая часть аппаратов этого принципа используются для доочистки речной воды, где их эффективность многократно доказана.

Для бытового использования установки для обессоливания воды, основанные на принципе обратного осмоса, пригодны как в плане энергозатрат, так и по качеству получаемого продукта. В основе принципа обратного осмоса лежит пропускание воды под давлением через мембрану, которая непроницаема для растворенных солей и других примесей. Процесс обессоливания воды обеспечивают синтетические полупроницаемые мембраны, которые не могут задержать некоторые растворенные в воде газы (хлор, углекислота и пр.).

Метод обратного осмоса очищает воду от всех примесей, происходит полная деминерализация, что вредно для человеческого организма. В большинстве случаев обывателю приходится выбирать между водопроводной водой или обработанной при помощи какого-либо фильтра. Меньшим злом является вода, лишенная всех природных компонентов.

На сегодняшний день в некоторых странах уже существуют заводы по производству питьевой воды, где для обессоливания используют метод обратного осмоса, и в качестве дополнительной доочистки из нее выводят растворенные газы. Чтобы придать ей нормальное состояние, приближенное к естественному, на предприятиях в очищенную воду добавляют необходимые соли в выверенной концентрации.

Плюсы и минусы основных методов

Каждый из методов обессоливания воды имеет как положительные, так и отрицательные качества. Рассмотрев их подробно, можно понять, какому из них отдать предпочтение:

• Ионный обмен помогает получить наиболее чистую воду, система надежна и не реагирует на степень минерализации исходной жидкости, требует небольших затрат на оборудование. Процесс обессоливания происходит при минимальных потерях расхода воды. К минусам метода относится стремительное загрязнение окружающей среды вредными химикатами, высокая стоимость самих реагентов, система быстро загрязняется и требует частой замены фильтров. Утилизация отходов и фильтрующих частей сопряжена со сложностями.
• Дистилляция. Установки для обессоливания воды, основанные на термическом методе, используются без применения химических веществ, демонстрируют хорошее качество полученной жидкости, выделяемое в процессе работы тепло можно использовать для других нужд. Отличительной чертой данного способа является возможность устранения растворенных в воде газов. К минусам метода относятся: большие энергозатраты, необходимость подготовки воды, затраты на обслуживание установки (чистка всех частей), дороговизна аппаратуры.
• Мембранные установки отличаются неприхотливостью к исходному состоянию воды, для процесса не требуются химические реагенты, просты в обслуживании. Отрицательными качествами являются: подготовка воды к процессу обработки, большой объем воды для обеспечения работы аппаратов, большой расход электроэнергии, что сказывается на стоимости конечного продукта.

Обессоливание в домашних условиях

Фильтрация воды – самый доступный способ доочистки. Для обессоливания колодезной или морской жидкости в домашних условиях есть два распространенных способа:

• Емкость с водой поместить в морозильную камеру и оставить до неполного замерзания. Соль с частью жидкости не замерзнет, лед следует растопить, и можно пользоваться сразу. Для дополнительной очистки стоит пропустить талую воду через любой бытовой фильтр. Метод называется холодной дистилляцией.
• Выпаривание. Берут две емкости разного размера, в большую наливают морскую/соленую воду, меньшую оставляют пустой и помещают в большую посуду. Всю конструкцию можно поставить для нагревания на плиту или оставить на солнце, предварительно закрыв крышкой. Необходимо добиться медленного кипения соленой воды. Пары, лишенные соли, будут концентрироваться в пустой емкости. Процесс испарения на солнце будет протекать гораздо медленнее. При этом способе получается довольно малый объем питьевой воды.

Опреснение и обессоливание воды кустарными способами возможно, но малорезультативно. Лучшим вариантом будет приобретение бытовой установки для очистки.

Бытовые установки

Для бытовых нужд чаще всего необходимы системы для доочистки воды. Фильтрация воды может проводиться несколькими способами:

• Самый простой и доступный – кувшин со сменными фильтрами.
• Насадка с фильтром на кран.
• Настольные фильтры для воды.
• Встраиваемые системы, осуществляющие очистку жидкости в зависимости от места размещения (только на кухне, в точке входа подачи воды в дом, многоступенчатые фильтры для очистки воды из артезианской скважины и т. д.).

Ни одна из бытовых систем не может полностью устранить соли из жидкости, но смягчить жесткую воду в состоянии. В этом случае необходимо знать, какими элементами она насыщена, чтобы подобрать систему, картриджи для воды, фильтры или реагенты. Процесс обессоливания требует габаритных аппаратов, большой площади для установки, крупных финансовых инвестиций и доступность обслуживания системы, что недоступно для широкого круга потребителей.

Виды бытовой очистки

На сегодняшний день повсеместно используются следующие виды очистки воды:

• Угольная фильтрация. Прибор представляет собой емкость, наполненную древесным, активированным или каменным углем. Вода, прошедшая через такой фильтр, очищается от хлора, нефтесодержащих элементов, пестицидов, микроорганизмов, бактерий и т. д. Фильтр доступен по стоимости, долговечен и прост в эксплуатации.
• Тонкой очистки. Этот вид фильтров делится на два вида – однофункциональные и многофункциональные. При любом выборе требуется обслуживание – постоянно менять картриджи для воды, производить замену арматуры и пр.
• Грубой очистки. Устраняют крупные частички загрязнений (песок, ржавчину, осадок и пр.).
• Глубокой очистки. К этому виду фильтров относятся системы с обратным осмосом, многоступенчатые фильтры и пр.

В большинстве регионов России требуется только дополнительная очистка воды, поскольку водных ресурсов в стране достаточно. Единственный регион, где может наблюдаться недостаток пресной воды, – это Крым, куда, возможно, потребуются промышленные установки для опреснения морской воды. Все аппараты для проведения процессов имеют патент. Опреснение и обессоливание воды должно производиться на научно обоснованных методах с обязательным тестированием результатов в лабораторных условиях.