Почему опреснять воду дорого и почему это все равно может понадобиться

Технология опреснения существует уже несколько десятилетий. Но превращение соли в пресную воду требует много энергии и денег, поэтому ее редко используют.

В таких местах, как Сан-Диего и Дубай, где пресной воды мало, люди обращаются к машинам, которые извлекают соль из морской воды, превращая ее в чистую питьевую воду.

Этот процесс, называемый опреснением, превращает морские и солоноватоводные грунтовые воды в питьевую воду с середины 20 века. В ближайшем будущем эта технология может стать все более важной, поскольку повышение температуры и неустойчивый режим дождя при изменении климата угрожают запасам пресной воды. Города с растущим населением и засушливым климатом могут столкнуться с проблемой нехватки воды, как Кейптаун в начале 2018 года. Но опреснение также является дорогостоящим и энергоемким. Многие исследователи работают над улучшением технологии, чтобы она могла охватить большее количество людей, и решать проблему изменения климата, не внося в него никакого вклада.

Несмотря на проблемы, ожидается, что в следующие несколько десятилетий во всем мире будет развиваться опреснительная промышленность. 

«Она должна расти, потому что опресненная вода совершенно не зависит от климата и дает очень надежные объемы воды хорошего качества для использования в различных секторах», – говорит Манзур Кадир, ученый-эколог из Университета Организации Объединенных Наций.

По словам Кадира, сегодня существует более 15 000 опреснительных установок, перекачивающих около 95 миллионов кубометров опресненной воды в день. Около половины этой воды производится на Ближнем Востоке и в Северной Африке, регионах с обширной береговой линией, минимальными ресурсами пресной воды и свободным доступом к дешевой энергии ископаемого топлива.

Освежиться

Технология опреснения началась с простого кипячения воды. Первая опреснительная установка, построенная в Англии в 1945 году, нагревала воду так, что она испарялась в виде пара, оставляя соли, а затем охлаждалась и конденсировалась в виде пресной воды. Такой подход с использованием тепла и испарения преобладал в раннем опреснении и все еще распространен на старых заводах, особенно на Ближнем Востоке. Но термическое опреснение является очень энергоемким и поэтому может быть дорогостоящим в зависимости от стоимости энергоснабжения.

В 1960-х годах в мире опреснения начала распространяться новая технология, называемая обратным осмосом (Reverse osmosis/RO). RO работает, проталкивая соленую воду под очень высоким давлением через серию тонких полимерных мембран, которые пропускают молекулы воды, но улавливают более крупные соли и минералы. По словам Беатрис Майор, исследователя из Международного института прикладного системного анализа в Лаксенбурге, после того, как первая установка обратного осмоса была построена в Кувейте, технология быстро распространилась и сейчас занимает около 70 процентов мирового рынка.

Хотя RO доминировал на протяжении десятилетий – и, по словам Мэра, он, вероятно, будет продолжать это делать в ближайшие десятилетия, – исследователи постоянно стремятся сделать этот метод более дешевым, более эффективным и менее расточительным. Опресненная вода в среднем в два-три раза дороже, чем более традиционные источники воды. Одна из самых больших затрат на опреснительную установку – это энергия, используемая для ее поддержания.

Но когда дело доходит до энергии, существует физический предел эффективности этих технологий, – говорит Джон Линхард, инженер-механик, 30 лет изучавший очистку и опреснение воды в Массачусетском технологическом институте. Он объясняет, что для разделения соли и воды всегда требуется определенное количество энергии. А благодаря улучшенным мембранам и устройствам рекуперации энергии многие установки обратного осмоса уже приближаются к этому пределу.

Это не останавливает таких исследователей, как Линхард, от попыток выяснить, как еще снизить эти затраты на энергию. Например, группа Линхарда провела много исследований о пользе опреснения партиями, а не непрерывной эксплуатации установки для экономии энергии. Некоторые исследователи ищут совершенно уникальные подходы, такие как использование жидких растворителей для разделения воды и солей с минимальными затратами энергии.

Энергия для опреснения

Другие ученые обратились к возобновляемым источникам энергии как к способу уменьшения выбросов парниковых газов опреснением и потенциально снижения затрат. Небольшие прототипы электростанций начали работать на фотоэлектрической энергии, и в настоящее время Дубай работает над проектом, который к 2030 году будет использовать солнечную энергию для всех своих опреснительных установок. Другие ученые экспериментируют с солнечной энергией и старым процессом термического опреснения, используя энергию солнца для нагрева и испарения воды. Однако ни один из этих подходов не готов к массовому внедрению.

Растущей опреснительной промышленности также придется иметь дело с растущими объемами сверхконцентрированных сточных вод. По оценкам Кадира, в результате глобальных усилий по опреснению ежедневно производится 142 миллиона кубометров рассола, что примерно на 50 процентов больше, чем объем пресной воды, производимой ежедневно.

Большая часть рассола в настоящее время сбрасывается в море, и, если не делать это ответственно, это может угрожать морской жизни, которая вступает в контакт с сверхсоленой водой и любыми химическими веществами, оставшимися в процессе опреснения. Хотя в отрасли есть способы борьбы с отходами, Кадир предупреждает, что это может стать растущей проблемой, поскольку отрасль продолжает расширяться.

По словам Кадира, даже с учетом этих возможных улучшений опреснение сегодня остается невероятно дорогим для некоторых стран. Строительство опреснительной установки может стоить миллиарды долларов и занимает несколько лет. Хотя есть исследования, направленные на то, чтобы сделать этот процесс более доступным, доступность по-прежнему является ограничивающим фактором. 

«Очень сложно достичь ценовых показателей, доступных для людей, живущих на 2 доллара в день», – говорит Линхард.

Поскольку планета сталкивается с неопределенным водным будущим, с помощью опреснения будут продолжать откачивать пресную воду для жаждущих городов. Сможет ли технология делать это при переходе на возобновляемые источники энергии и достижении тех частей мира, которые в этом больше всего нуждаются, еще предстоит увидеть.

Вас также может заинтересовать: Восемь моллюсков решают, будут ли люди в городе получать воду или нет