В последние годы широко применяются дистилляционные установки, работающие по принципу мгновенного вскипания. При этом методе соленая вода подогревается в нагревательной части установки, небольшая ее часть превращается в пар, а основная масса подается в следующие ступени с понижающимся давлением, в которых происходят аналогичные процессы. Пар превращается в дистиллят, и вода перед входом в нагреватель требует незначительного подогрева. В последней ступени оставшаяся соленая вода чистично сбрасывается при продувке, а большая ее часть в обратном порядке следует через конденсаторы к нагревателю, после чего этот цикл повторяется снова. Почти все проекты мощных опреснительных установок основаны на способе мгновенного вскипания.
Термокомпрессионный метод аналогичен выпарке, с той лишь разницей, что для повышения тепловой экономичности, полученной в камере испарения, пар сжимается компрессором. Эти установки очень удобны, так как они могут работать на двигателях внутреннего сгорания, что делает их независимыми от наличия в районе электроэнергии. Такая установка работает в городе Росуэлле в США.
Метод дистилляции имеет широкое применение в морском флоте. Проблема снабжения морских судов пресной водой существует на протяжении всей истории морского судоходства. Легко понять, как неэффективны заходы торговых или промысловых судов в порты специально за пресной водой. Сейчас большинство судов, совершающих длительные рейсы, вооружено опреснительными установками, вырабатывающими пресную воду (дистиллят) для котлов и пресную воду для питья путем выпаривания морской воды.
Необходимо отметить, что при методе дистилляции может быть использована энергия не только органического топлива, но и Солнца. В этом случае этот метод называется методом гелиоопреснения. Гелиоустановка представляет собой бетонированный бассейн, наполненный соленой водой, дно и стенки которого окрашены в черный цвет. Соленая вода в таких бассейнах быстро нагревается солнечными лучами и испаряется. Чтобы уловить пары и сконденсировать их, бассейн перекрывается стеклянной крышей (в виде домика), а по краям крыши изнутри устанавливаются наклонные желоба, в которые стекает пресная вода и накапливается там. К сожалению, производительность таких опреснительных установок невелика и в самых благоприятных условиях не превышает 5 л воды в сутки с 1 м2 поверхности бассейна. Да и стоимость 1м3 воды пока довольно высока — от 3 до 6 руб.
Существует и диаметрально противоположный способ получения пресной воды, так называемое «вымораживание». Жители Севера давно заметили, что если взять морской лед и подогреть его, чтобы он начал таять, то первые порции воды будут более соленые, чем последующие, которые вполне можно употреблять в пищу. Этот метод и основан сначала на замораживании морской воды, превращении ее в лед, а затем на растапливании льда и получении пресной воды. В морозную погоду жители северных районов соленую воду намывают в виде ледяных горок, затем лед скалывают и собирают в сосуды. При наступлении теплой погоды лед в них тает, образуя пресную воду, пригодную для питья и хозяйственных целей. Причем выход пресной воды при этом способе опреснения зависит от содержания солей в морской воде. Так, при содержании солей 5 г/л выход пресной воды составит 90%, а при 15 г/л — 80%. Теперь существуют опреснительные установки, в которых обессоливают морскую воду с помощью холода.
Можно ускорить замораживание, если в морскую воду добавить сжиженный газ — бутан или пропан, а также бутилен, фреон или хлористый метил, которые не вступают в реакцию с водой и температура которых ниже температуры соленой воды. На больших производственных установках с производительностью не менее 40 тыс. м 3 воды в сутки стоимость 1 л составляет 13 коп. Такие установки работают в СССР, Японии, США, Великобритании и Италии.
Еще один интересный метод опреснения морских вод — метод электродиализа. Он основан на опреснении соленой воды путем создания внутри водной среды электрического поля. Известно, что в воде растворенные соли находятся в виде положительно и отрицательно заряженных ионов. Если раствор поместить в электрическое поле, то ионы солей начнут двигаться согласно своему заряду: положительно заряженные будут притягиваться к катоду, а отрицательно заряженные — к аноду. Если сосуд с соленой водой разделить на три части пористыми перегородками, через которые ионы могут свободно проходить, то через некоторое время большая часть катионов переместится в катодное пространство, а анионов — в анодное, и в средней рабочей части вода опреснится. Опытно-промышленные установки имеются в СССР, США, Южной Африке, в Японии, Нидерландах и других странах. Этот метод эффективен только для опреснения воды с малым содержанием солей.
Довольно распространенный метод получения пресной воды — ионный обмен. Это сложный химический метод, основанный на свойстве катионов и анионов определенным образом реагировать на сульфоуголь (сорт каменного угля, обработанного крепкой серной кислотой). В промышленных масштабах вместо сульфоугля используются синтетические ионообменные смолы, с помощью которых и получается пресная вода. Этот метод так же, как и электродиализ, применяется только для получения пресной воды и из воды с малым содержанием солей. Установки такого рода имеются в США, Австралии и Японии.
Из множества других способов назовем еще лишь два: обратный осмос и поглощение воды органической жидкостью.
Обратный осмос — это способ опреснения соленых вод, основанный на свойстве некоторых искусственно изготовленных фильтров пропускать только молекулы воды. Растворенные в воде соли (ионы солей) через такие фильтры не проходят. При прямом осмосе (т. е. односторонней диффузии) через полупроницаемый фильтр молекулы воды диффундируют от меньшей концентрации к большей, т. е. от чистой воды к рассолу. Но если со стороны рассола создается повышеннре давление, то из рассола молекулы воды будут проходить через фильтр, а соли задерживаться. Этот способ иногда называют ультрафильтрацией и применяют для опреснения только слабо засоленных вод.
Поглощение воды органической жидкостью. Этот способ опреснения соленой воды основан на свойстве некоторых органических растворителей (экстрагентов) в холодном состоянии поглощать пресную воду. При нагревании экстрагента большая часть пресной воды, поглощенной им, выделяется обратно. После охлаждения экстрагент снова смешивается с соленой водой и круговорот повторяется (рис. 4). Экономическая целесообразность применений того или иного способа опреснения соленой воды определяется степенью солености воды. По данным советских ученых, при содержании солей свыше 10—12 г на 1 л воды выгоднее метод дистилляции, от 2,5 до 12 г — метод электродиализа, менее 2,5 г на 1 л — метод ион-нообменных смол. При всем этом необходимо постоянно иметь в виду, что питьевая опресненная вода не должна содержать солей более 1г/л, а вода, идущая на орошение полей и огородов, — более 2 г/л.
Рис.4. Схема основных методов опреснения морской воды.
Самыми перспективными методами опреснения воды считаются метод дистилляции, обратный осмос (несмотря на ряд технологических недоработок этого метода), электродиализ и вымораживание.
Наибольшее распространение для получения пресной воды в крупных промышленных масштабах имеет метод дистилляции.
В недалеком будущем опреснение морской воды будет, по-видимому, осуществляться совместно с извлечением из нее поваренной соли, магния, урана, натрия, серы, бора, брома, йода, цветных металлов и редкоземельных элементов. Это намного повысит экономическую эффективность получения пресной воды.
Эффективность работы опреснительных установок в большой степени зависит от наличия дешевой энергии, затраты на которую составляют половину всей стоимости опреснения.
Но где взять огромное количество тепла, необходимого для получения сотен тысяч кубометров пресной воды? Так, например, для получения 150 тыс. м3 пресной воды в сутки необходимо сжигать 10 железнодорожных составов с углем. А если угля нет поблизости? Источником энергии может быть высвобожденная для мирных целей атомная энергия. Она может дать практически неограниченное количество тепла при малых затратах ядерного топлива. Ведь 1 кг ядерного горючего заменяет 2300 т угля (почти два железнодорожных состава), т. е. теплотворная способность 1 кг урана в 2,3 млн. раз больше, чем такого же количества угля.
