ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ПРЕСНОЙ ВОДЫ

АННОТАЦИЯ

В данной статье проводится сравнительный анализ основных методов опреснения: мембранных (обратный и прямой осмос) и термических (дистилляция). На основе теоретических расчетов определяются ключевые параметры процессов, такие как рабочее давление, энергозатраты и удельная производительность. Визуализация в виде сравнительных графиков демонстрирует зависимость эффективности методов от исходной солености и доступной энергии. Результаты показывают, что гибридные системы, сочетающие несколько технологий, обладают наибольшим потенциалом для создания энергоэффективных и экономически целесообразных опреснительных установок будущего. Основываясь на общих принципах и данных из научных источников, можно осуществить процедуру с наименьшей тратой энергии и минимальными затратами. Так как необходимость в опреснении воды возникла из-за нехватки питьевой воды во многих регионов мира

ABSTRACT

This article provides a comparative analysis of the main desalination methods: membrane (reverse and direct osmosis) and thermal (distillation). Theoretical calculations are used to determine key process parameters such as operating pressure, energy consumption and specific productivity. Visualisation in the form of comparative graphs demonstrates the dependence of the efficiency of the methods on the initial salinity and available energy. The results show that hybrid systems combining several technologies have the greatest potential for creating energy-efficient and economically viable desalination plants of the future. Based on general principles and data from scientific sources, it is possible to implement a procedure with the lowest energy consumption and minimal costs. Since the need for water desalination arose due to a shortage of drinking water in many regions of the world.

Ключевые слова: опреснение, минерализация, дистилляция, удельная производительность, концентрация, раствор.

Keywords: desalination, mineralization, distillation, specific productivity, concentration, solution.

Введение

В настоящее время обеспечение пресной водой является одной из критических глобальных проблем XXI века. В условиях истощения традиционных источников опреснение морской воды выступает ключевым технологическим решением. Моря и океаны, покрывающие около 97% водной оболочки Земли, представляют собой практически неисчерпаемый, но непригодный для непосредственного использования ресурс из-за высокой минерализации. Классические источники пресной воды - реки, озера и подземные водоносные горизонты - подвержены климатическим колебаниям, загрязнению и географической неравномерности распределения. Технологии опреснения позволяют преодолеть эти ограничения, преобразуя соленую воду в пресную.[3]. Исторически развитие опреснения прошло путь от энергоемкой термической дистилляции к более эффективным мембранным процессам, среди которых доминирует обратный осмос. Однако поиск решений с еще меньшим энергопотреблением продолжается, фокусируясь на новых материалах, гибридных системах и использовании возобновляемых источников энергии. Цель данной работы является систематизация теоретических основ современных методов опреснения, их сравнительный анализ на основе инженерных расчетов и оценка перспективы развития. [1].

Методология исследования

В основу настоящего исследования положен теоретико-аналитический подход, направленный на систематизацию и сравнительный анализ современных методов опреснения морской воды в зависимости от физических принципов разделения соли и воды. В рамках методологии все существующие технологии опреснения были сгруппированы в две укрупнённые категории: мембранные и термические (дистилляционные) методы, что позволило обеспечить сопоставимость анализируемых процессов по ключевым энергетическим и технологическим параметрам.

К мембранным методам отнесены процессы, основанные на использовании полупроницаемых мембран, селективно пропускающих молекулы воды и задерживающих гидратированные ионы солей. В качестве базовой технологии данной группы в исследовании рассмотрен обратный осмос как наиболее распространённый в мировой практике метод опреснения морской воды. Методологической основой его анализа является определение осмотического давления раствора, которое выступает ключевым теоретическим параметром процесса. Ключевым теоретическим параметром является осмотическое давление (π), которое для разбавленных растворов описывается уравнением Вант-Гоффа:

где- изотонический коэффициент (≈2 для NaCl), - молярная концентрация солей,  - универсальная газовая постоянная, - абсолютная температура. Для условий типичной морской воды с минерализацией порядка 35 г/кг рассчитанное значение осмотического давления составляет около 27–28 бар, что методологически обосновывает диапазон рабочих давлений промышленных установок обратного осмоса морской воды, находящийся, как правило, в пределах 55–85 бар [5,6].

В рамках мембранных методов проанализирован прямой осмос как процесс, в котором движущей силой массопереноса является разность осмотических давлений между морской водой и вытягивающим раствором по разные стороны мембраны. Анализ выполнен с учётом стадийности процесса, включающей перенос воды через мембрану и последующую регенерацию вытягивающего раствора. Энергетическая оценка проведена с акцентом на этап регенерации, определяющий суммарную энергоэффективность технологии.

Термические методы опреснения рассматриваются как процессы, основанные на фазовом переходе «жидкость – пар», при котором соли концентрируются в рассоле, а пар конденсируется в дистиллят. Их анализ выполнен на основе энергетического подхода с использованием коэффициента GOR (Gain Output Ratio), характеризующего отношение массы дистиллята к количеству подведённой тепловой энергии. Для современных установок многоступенчатой дистилляции и дистилляции с многократным использованием тепла значение GOR достигает 10–12.

Мембранная дистилляция рассматривается как гибридный метод, в котором перенос водяного пара через гидрофобную пористую мембрану определяется разностью парциальных давлений. Процесс может функционировать с использованием низкопотенциального тепла в диапазоне 50–80 °C.

В целом методология исследования основана на теоретическом анализе физических механизмов разделения и применении унифицированных энергетических критериев, что обеспечивает корректное сопоставление мембранных и термических технологий опреснения морской воды.

Результаты и обсуждение

Для наглядного сравнения методов проведем сравнительные расчеты и анализ ключевых базовых параметров.

Расчет минимальной теоретической работы разделения. Минимальная обратимая работа, необходимая для разделения 1 м³ морской воды на пресную воду и концентрированный рассол, определяется изменением свободной энергии Гиббса и может быть аппроксимирована формулой:

где  - осмотическое давление морской воды (≈ 2.7 МПа),  -объем (1 м³), η - КПД процесса. Для идеального процесса (η=1)≈0,75 кВт·ч/м³. Реальные установки обратного осмоса потребляют - 2,5-4 кВт·ч/м³, а термические - 8-20 кВт·ч/м³ тепловой энергии, что демонстрирует значительные потери и потенциал для оптимизации.

На основе полученных данных исследований о производительности современных систем можно построить сравнительную таблицу и графики. [5].

Таблица 1.

Сравнительные характеристики основных методов опреснения

Для визуализации зависимости эффективности от исходных условий построим следующие графики.

Рисунок 1. Зависимость удельных энергозатрат от солености исходной воды для RO и термических методов

На рисунке 1 график иллюстрирует принципы в области опреснения воды, показывая зависимость удельных энергозатрат от солености для разных технологий. [1]. Графические и табличные данные показывают, что при солёности морской воды ~35 г/кг удельные энергозатраты обратного осмоса составляют 2,5–4,0 кВт·ч/м³ при рабочих давлениях 55–85 бар (осмотическое давление 27–28 бар). Для термических методов энергозатраты эквивалентны 8–20 кВт·ч/м³ тепловой энергии, при коэффициенте GOR = 10–12. Производительность прямого осмоса на стадии мембранного переноса составляет 4–8 л/м²·ч. Эти результаты количественно подтверждают энергетическое преимущество обратного осмоса при стандартной солёности морской воды.

Выводы и заключения

Таким образом, будущее опреснения связано с преодолением двух основных барьеров: высокого энергопотребления и экологического воздействия (сброс концентрата).

1. Развитие гибридных систем: Комбинация FO с другими методами (как в исследовании) позволяет использовать преимущества каждого. Например, FO как этап предконцентрации перед RO снижает нагрузку и загрязнение мембран RO.
2. Интеграция с ВИЭ: Использование солнечной (фотовольтаика для RO, тепловые коллекторы для MD) и ветровой энергии для создания автономных установок.
3. Инновационные материалы: Разработка новых мембран с высокой селективностью и устойчивостью к обрастанию, а также высокоосмотических и легкорегенерируемых растворов-вытяжек для FO.

Установлено, что при минерализации морской воды около 35 г/кг минимальные удельные энергозатраты обеспечивает обратный осмос (2,5–4,0 кВт·ч/м³), что подтверждает его преимущество при опреснении стандартной морской воды. Термические методы характеризуются более высокими энергозатратами (8–20 кВт·ч/м³), однако остаются целесообразными при наличии доступных тепловых ресурсов и при обработке высокоминерализованных растворов. Прямой осмос и мембранная дистилляция не обладают самостоятельным энергетическим преимуществом, но повышают эффективность опреснения при использовании в составе гибридных схем.

Список литературы:

1. A. Agrawal, R.S. Rana, P.K. Shrivastava, and R.P. Singh, “A Short Review on Solar Water Distillation for,” Journal Heliyon. 10 (2024), pp. 27-36, 2016.
2. A.S. Abdullah, A. Alarjani, M.M. AbouAl-sood, Z.M. Omara, A.E. Kabeel, and F. A. Essa, “Rotating-wick solar still with mended evaporation technics: Experimental approach,” Alexandria Eng. J., vol. 58, no. 4, pp. 1449-1459, 2019
3. E. A. Almuhanna, “Evaluation of Single Slop Solar Still Integrated with Evaporative Cooling System for Brackish Water Desalination,” J. Agric. Sci., vol. 6, no. 1, pp. 48-58, 2013
4. А.F. Muftah, M. A. Alghoul, A. Fudholi, M. M. Abdul-Majeed, and K. Sopian, “Factors affecting basin type solar still productivity: A detailed review,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 32, pp. 430-447, 2014
5. И. Р. Рахматулин, “Разработка комплексной энергоэффективной солнечной опреснительной установки с системой слежения за Солнцем.” Челябинск, 2015.
6. L. Malaeb, K. Aboughali, and G. M. Ayoub, “Modeling of a modified solar still system with enhanced productivity,” Sol. Energy, vol. 125, pp. 360-372, 2016
7. S. E. Frid, O. S. Popel, N. V. Lisitskaya, and S. V. Kiseleva, “Generalized clearness index frequency curves for the Russian Federation,” Dokl. Phys., vol. 62, no. 5, pp. 278-280, 2017
8. S. Nazari, H. Safarzadeh, and M. Bahiraei, “Experimental and analytical investigations of productivity, energy and exergy ef fi ciency of a single slope solar still enhanced with thermoelectric channel and nano fl uid,” vol. 135, 2019
9. S. Balamurugan, N. S. Sundaram, K. P. Marimuthu, and J. Devaraj, “A Comparative Analysis and Effect of Water Depth on the Performance of Single Slope Basin Type Passive Solar Still Coupled with Flat Plate Collector and Evacuated Tube Collector,” Appl. Mech. Mater., vol. 867, no. March 2018, pp. 195-202, 2017