Ze słonej słodka. O naturalnym i przemysłowym odsalaniu wody morskiej

W Sekcji Archeo prezentujemy archiwalne teksty ze „Świata Nauki” i „Wiedzy i Życia”. Wciąż aktualne, intrygujące i inspirujące.

Wydaje się paradoksem, że wielu rozbitków morskich umiera z braku wody. Niestety, słona woda absolutnie nie nadaje się do picia, co wynika ze zbyt dużego zasolenia. Co prawda życie narodziło się w wodzie, ale miliony lat ewolucji spowodowały, że skład jonowy naszych komórek zdecydowanie różni się od stwierdzanego w morzach i oceanach. Dlatego picie wody morskiej, podobnie zresztą jak destylowanej czy dejonizowanej, prowadzi dość szybko do poważnych zaburzeń równowagi jonowej, a w konsekwencji nawet do śmierci. Żeby można było z niej skorzystać, trzeba usunąć 97–98% jonów. Są to przede wszystkim kationy sodu, potasu (w mniejszym stopniu magnezu i wapnia) oraz aniony chlorkowe i siarczanowe. Istotne jest również zachowanie właściwej proporcji między obecnymi w wodzie pitnej jonami Na+ oraz K+, ponieważ naruszenie delikatnej równowagi między nimi może spowodować poważne kłopoty, przede wszystkim z przewodnictwem nerwowym.

Natura odsala sama

Odsalanie w założeniu jest bardzo proste – trzeba po prostu w całości lub dużej części oddzielić rozpuszczone w wodzie sole. W ten sposób uzyskamy wodę nadającą się do picia czy do zastosowania w rolnictwie. Na olbrzymią skalę taki proces realizuje sama natura. Pod wpływem promieni słonecznych woda wyparowuje z oceanów bez zawartych w niej soli. Para wodna ulega potem kondensacji, tworząc chmury. Przynoszą one deszcz zasilający rzeki, które następnie wpadają do morza. W efekcie stężenie soli w morzu czy oceanie jest w zasadzie stałe. Woda pochodząca z opadów zawiera bardzo niewielkie ilości jonów nieorganicznych. Wędrując strumieniami i rzekami, wymywa z piasku i skał niewielkie ilości substancji mineralnych i w takiej postaci trafia do dużych zbiorników – jezior, mórz i oceanów. Jest to naturalny obieg wody w przyrodzie. W wielu miejscach na świecie ludzie od tysiącleci korzystali z niego, zbierając po prostu wodę deszczową do własnych celów. Ba, jeszcze nasze babcie często zbierały deszczówkę, by myć nią m.in. włosy (jest to woda miękka, bez znaczącej ilości jonów wapnia i magnezu).

Niestety, nie można liczyć na to, że dostawy wody deszczowej będą regularne. W wielu miejscach świata deszcz nie pada przez wiele dni, a woda jest potrzebna codziennie. Trzeba też pamiętać, że nie bardzo da się ją przechowywać długo, ponieważ mogą się w niej rozwinąć bakterie czy glony.

Destylacja

Podstawowy proces podpatrzony w przyrodzie możemy jednak wykorzystać do celów przemysłowych. Ogrzewamy wodę, a następnie powstającą parę wodną skraplamy i zbieramy. W przyrodzie proces ten jest powolny, my ze względów praktycznych musimy go przyspieszyć. Większość czytelników słyszała o destylacji, która pozwala na proste oddzielenie składników lotnych (woda) od nielotnych (sole). Na małą skalę zjawisko to zaobserwujemy w każdej kuchni. Gdy np. gotujemy ziemniaki w osolonej wodzie, para wodna skrapla się na spodniej stronie pokrywki. Ta woda nie zawiera soli – można sprawdzić, ale ostrożnie, bo pokrywka i woda są ciepłe.

W warunkach przemysłowych destylację realizuje się, ogrzewając mieszaninę w dużym zbiorniku i skraplając powstającą parę w części układu nazywanej chłodnicą. To właśnie jeden z podstawowych sposobów uzyskiwania słodkiej wody. Jest to niestety metoda dość droga, ponieważ wymaga doprowadzenia dużej ilości energii niezbędnej do ogrzania wody do 100°C. Można to jednak nieco zmodyfikować, wykorzystując proste zjawisko fizyczne. Wiadomo, że temperatura wrzenia cieczy zależy od ciśnienia atmosferycznego. Woda na poziomie morza wrze w 100°C, ale już na Mount Evereście – w mniej niż 70°C. Na szczęście nie trzeba montować aparatury w wysokich górach. Jeśli obniżymy ciśnienie w zamkniętym układzie destylacyjnym, woda będzie wrzeć nawet w temperaturze pokojowej. Oczywiście nie ma nic za darmo, więc i tak trzeba będzie dostarczyć energię do specjalnych pomp próżniowych.

Co ważne, dziś projektanci stacji odsalania mają do dyspozycji wiele typów destylacji – od prostej próżniowej, opisanej powyżej, przez wielostopniową rzutową (równowagową), aż do wielostopniowej. Procesy te prowadzi się w przemysłowych wyparkach połączonych z pompami próżniowymi zasilanymi parą.

Odwrócona osmoza

Bardzo popularną i szeroko stosowaną na świecie metodą odsalania wody jest tzw. odwrócona osmoza. Warto wyjaśnić najpierw, na czym polega naturalny proces znany pod nazwą osmozy spontanicznej. Jeśli dwie porcje cieczy oddzielone są błoną półprzepuszczalną, następuje przenikanie wody do tego miejsca, w którym znajduje się więcej jonów czy też innej substancji rozpuszczonej. Można jednak wymusić proces odwrotny, czyli przenikanie wody w drugą stronę. W tym celu trzeba w zamkniętej przestrzeni przyłożyć ciśnienie, które będzie większe od naturalnego ciśnienia osmotycznego. Odwrócona osmoza wymaga więc stosowania wydajnych pomp wytwarzających ciśnienie, a co za tym idzie – sporej ilości energii. Filtry oparte na tym zjawisku zużywają też duże ilości wody surowej – w małych instalacjach domowych uzysk wynosi 5–15%, a w systemach przemysłowych – nawet 75%, ale wtedy zużycie energii jest zdecydowanie większe.

Nanofiltracja i metody mieszane

Nanofiltracja polega na wymuszonym sączeniu wody przez polimerowe membrany, których pory przepuszczają jej cząsteczki, jednocześnie zatrzymując większe od nich jony, np. magnezu czy wapnia. Ale technika ta pozwala tylko na częściowe odsolenie wody, dlatego też najczęściej konstruuje się systemy łączące ją z odwróconą osmozą.

Można także zmodyfikować opisaną już wcześniej destylację, wbudowując w układ specjalną membranę – taki proces nazywamy destylacją membranową. Konstrukcje oparte na tej idei – w połączeniu z panelem przetwarzającym energię słoneczną w prąd – są aktualnie testowane w wielu miejscach na świecie (m.in. na Kanarach). Pozwalają one na uzyskanie 150–3000 l słodkiej wody dziennie – bez konieczności zasilania zewnętrznymi źródłami energii.

Technologie, w których stosuje się membrany półprzepuszczalne, są uznawane za najbardziej obiecujące, zwłaszcza że badacze zauważyli szansę wykorzystania w nich stosunkowo nowego materiału, tlenku grafenu. Wiosną 2017 r. doniesiono o uzyskaniu zupełnie nowych membran opartych właśnie na nim. Na razie są one otrzymywane na skalę laboratoryjną, ale przygotowanie produkcji przemysłowej to tylko kwestia czasu.

Musimy pamiętać, że woda zupełnie pozbawiona jonów także nie jest zbyt zdrowa. Dlatego też w systemach odsalających musi ona być poddana mineralizacji. Przepuszczenie przez odpowiednie złoże powoduje, że pojawiają się w niej odpowiednie ilości niezbędnych jonów sodu, potasu, magnezu i wapnia. Tak przygotowana woda może już być dostarczona bezpośrednio do odbiorców.

Przemysłowe instalacje

Dane statystyczne pokazują, że w 2015 r. na świecie działało niemal 20 tys. stacji odsalania wody, dostarczających dziennie prawie 100 mln m³ słodkiej wody dla ponad 300 mln ludzi. Obecnie największa taka stacja znajduje się w Ras Al-Khair (Arabia Saudyjska). Ten położony nad Zatoką Perską obiekt jest w stanie produkować 1 mln m³ wody na dobę. Wykorzystano tutaj technologię wielostopniowej destylacji rzutowej połączonej z odwróconą osmozą. Energii dostarcza zintegrowana z zakładem elektrownia. Cały zakład zapewnia 3,5 tys. miejsc pracy. Bardzo duża instalacja produkująca wodę pitną (stacja Sorek) znajduje się w Izraelu, 15 km od Tel Awiwu. Kosztowała olbrzymią kwotę – 500 mln dol. – ale dzięki temu może dostarczać dziennie 624 tys. m³ wody pitnej. Zasilana jest rurociągami, których wloty znajdują się 1,5 km od brzegu morza. Zastosowano tu klasyczny system odwróconej osmozy. Uzyskana woda jest następnie mineralizowana do odpowiedniego poziomu oraz dezynfekowana. Wszystkie instalacje odsalające pokrywają zapotrzebowanie Izraela na słodką wodę w 50%, a planowana jest już budowa kolejnych.

Duże instalacje posiadają też inne kraje Zatoki Perskiej, m.in. Arabia Saudyjska, Zjednoczone Emiraty Arabskie oraz Bahrajn. Instalacja Janbu, postawiona 300 km na północ od miasta Dżudda w Arabii Saudyjskiej, może produkować niemal 70 tys. m³ dziennie. Z kolei obiekt Fujairah, znajdujący się w Zjednoczonych Emiratach Arabskich, to instalacja o wydajności dziennej 170 tys. m³. Również w Europie znajdują się zakłady odsalające wodę, m.in. w Hiszpanii, na Malcie czy też w Niemczech (wyspa Helgoland), ale nie są tak duże jak te z Bliskiego Wschodu.

Indywidualne odsalarki

Dawniej żeglarze zmuszeni byli zabierać statkami duże ilości wody w odpowiednich zbiornikach. Zwiększało to jednak zdecydowanie masę łodzi, a poza tym taka woda dość szybko traciła na jakości. Ewentualne uzupełnianie zapasów polegało na zbieraniu wody deszczowej. Obecnie na jachtach również coraz częściej używa się odsalarek. Najbardziej popularne to systemy membranowe, wykorzystujące zjawisko odwróconej osmozy. Aby były one efektywne, wymagane jest spore ciśnienie (kilkadziesiąt atm), co powoduje konieczność zastosowania energii elektrycznej – a ta pozyskiwana jest z paneli fotowoltaicznych, które wbudowuje się po prostu w pokład łódki. Warto jednak pamiętać, że urządzenie do odsalania nie może działać w nieskończoność – niezbędna jest wymiana membran. Taki system dostarcza nawet kilkadziesiąt litrów wody w ciągu godziny, co powinno zaspokoić bieżące zapotrzebowanie kilkuosobowej załogi.

Niewielkie zestawy do odsalania wody, zapewniające kilkanaście litrów wody pitnej dziennie, bazują najczęściej na energii pozyskiwanej ze słońca (tutaj też wygrywa fotowoltaika). W tym przypadku całość jest znacznie prostsza w budowie, a proces polega na odparowaniu i skraplaniu. Odpada tutaj konieczność wymiany membran, nie ma też potrzeby wytwarzania wysokiego ciśnienia. Producenci takich urządzeń twierdzą, że mogą one działać bezobsługowo przez 10–20 lat.