Опреснительные установки стали спасательным кругом для регионов с дефицитом воды по всему миру, превращая морскую воду или солоноватые грунтовые воды в пресную питьевую воду. Тем не менее, на каждый литр произведенной пресной воды образуется концентрированный поток солей, минералов и химических остатков, известный как рассол. Исторически рассол рассматривался как неизбежный поток отходов, который будет сбрасываться обратно в океан или в испарительные пруды. С глобальным опреснительным потенциалом, который в настоящее время превышает 100 миллионов кубических метров в день, огромный объем рассола сделал его управление неотложной экологической и экономической проблемой. К счастью, волна инновационных стратегий превращает этот побочный продукт из обязательства в ресурс, позволяя более устойчивое производство воды при открытии новых потоков доходов. В этой статье исследуется состав, воздействие на окружающую среду и передовые решения для управления и повторного использования рассола из опреснительных установок.

Понимание состава соляных растворов и экологических проблем

Рассол не просто более соленая морская вода. Во время опреснения мембраны обратного осмоса (RO) или процессы термической дистилляции отклоняют растворенные твердые вещества, концентрируя их до двух-трех раз солености исходной воды. Типичный растворенный рассол морской воды имеет общую концентрацию растворенных твердых веществ (TDS) 60 000-80 000 мг / л по сравнению с 35 000 мг / л кормовой морской воды. Помимо натрия и хлорида, рассол содержит повышенные уровни кальция, магния, калия, сульфата и микроэлементов, таких как литий, бром и стронций. Точный состав зависит от химии исходной воды, технологии опреснения и использования химических веществ предварительной обработки, таких как антискаланты и коагулянты.

Неправильное удаление рассола может серьезно повлиять на морские экосистемы. При сбросе непосредственно в океан плотный рассол опускается на морское дно, снижая уровень кислорода и увеличивая соленость в бентических средах обитания. Это может убить русла морской травы, повредить коралловые рифы и изменить поведение морских организмов. В засушливых внутренних регионах глубоководная инъекция рассола может загрязнить подземные водоносные горизонты, в то время как пруды испарения могут протекать и вызывать засоление почвы. Экологические ставки заставили исследователей и операторов искать методы, которые либо минимизируют объем рассола, либо извлекают ценность из его компонентов. Для контекста, опреснительная установка среднего размера, производящая 100 000 м3 / день пресной воды, может генерировать 150 000 м3 / день рассола - объем, эквивалентный 60 олимпийским бассейнам каждый день.

Инновационные стратегии для управления раствором

Переход от «удаления» к «восстановлению ресурсов» переопределяет управление рассолом. Ниже приведены наиболее перспективные подходы, от устоявшихся методов до новых технологий.

1. Усиление разведения и разрядки

В то время как простое разведение до сброса в океан остается распространенным явлением, современные конструкции используют инженерные диффузоры для достижения быстрого смешивания и уменьшения площади воздействия. Многопортовые диффузоры, установленные на морском дне, могут ускорить дисперсию рассола, ограничивая пики солености в пределах нескольких метров от выпадения. В настоящее время модели вычислительной динамики текучей среды (CFD) оптимизируют размещение диффузора и углы сопла. Однако этот метод сам по себе не снижает общую нагрузку на соли; он только смягчает острые местные эффекты. Лучшие практики включают разрядку во время прилива или высоких токов и регулярное наблюдение за бентическими сообществами. Даже с продвинутыми диффузорами долгосрочный экологический мониторинг необходим для обеспечения соблюдения нормативных ограничений, таких как рекомендованные Агентством по охране окружающей среды США для качества морской воды.

2. Ценная добыча полезных ископаемых

Рассол является богатым источником стратегически важных минералов. Магний, широко используемый в сплавах и фармацевтических препаратах, может осаждаться в виде гидроксида магния (Mg(OH)2) путем добавления извести или гидроксида натрия. Бром, ценимый в антипиренов и фармацевтических препаратов, извлекается с помощью хлорирования и очистки воздуха. Наиболее экономически привлекательной целью является литий, обусловленный растущим спросом на карбонат лития аккумуляторного класса. Несколько компаний пилотировали технологии прямой экстракции лития (DLE) с использованием селективных адсорбентов или ионообменных смол, которые захватывают литий из солевых рассолов, оставляя другие ионы нетронутыми. Аналогичным образом, темпы восстановления более 90% были зарегистрированы в пилотных исследованиях. Аналогичным образом, рубидий и цезий - редкие металлы, используемые в специальном стекле и электронике - могут быть изолированы. Обзор 2020 года в Опреснение оценил, что извлечение минерал

3. производство соли посредством солнечного испарения

В регионах с обильным солнечным светом и имеющейся землей рассол может быть направлен в ряд мелководных испарительных прудов. По мере испарения воды соли кристаллизуются поэтапно: сначала карбонат кальция, затем гипс и, наконец, хлорид натрия. Оставшийся ликер, известный как горький, богат магнием, калием и бромом и может быть переработан далее. Этот метод уже используется в соляных заводах морской воды, но принятие его на опреснительный рассол требует тщательного контроля примесей от антискалантов. Гибридные подходы, сочетающие испарительные пруды с механическим сжатием пара, могут восстанавливать до 95% воды и производить высокочистую соль для промышленного применения, например, для производства хлорно-щелочной продукции. Основным недостатком является большой земельный след и длительное время проживания, но в засушливых прибрежных пустынях это может быть жизнеспособным вариантом.

4. Аквакультура и культивирование галофитов

Развивающийся подход к круговой экономике использует разбавленный рассол для культивирования солеустойчивых организмов. Галофиты (солеустойчивые растения), такие как Salicornia и Suadea, могут быть орошены разбавленным рассолом и собраны для производства продуктов питания, кормов для животных или биотоплива. Аналогичным образом, штаммы микроводорослей, такие как Dunaliella salina, процветают в соленой воде и производят β-каротин, ценный пигмент. Интегрированные многотрофические системы аквакультуры сочетают водоросли, питаемые рассолом, с креветками или рыбоводством: водоросли потребляют питательные вещества и обеспечивают кислород, в то время как рыбные отходы оплодотворяют водоросли. Пилотные проекты на Ближнем Востоке и в Австралии продемонстрировали, что такие системы могут уменьшить объем рассола

5. Нулевая жидкая разрядка (ZLD) и минимальная жидкая разрядка (MLD)

Системы ZLD нацелены на извлечение почти всей воды из рассола, оставляя только сухие твердые отходы. Эти системы обычно сочетают мембранные процессы (например, обратный осмос, обратный электродиализ) с термическими испарителями и кристаллизаторами. В то время как энергоемкие и капитальные, недавние достижения в дистилляции мембран (MD) и переднем осмосе (FO) обещают снижение потребления энергии. Например, пилотная система с использованием дистилляции мембраны-кристаллизатора достигла 99% восстановления воды из рассола при производстве продаваемых кристаллов соли. Минимально-жидкий сброс (MLD) является менее экстремальным вариантом, который восстанавливает 80-95% воды и производит шлам, который легче обрабатывать. Остаточные твердые отходы могут быть засыпаны или использованы в качестве строительного материала, если его состав является доброкачественным. По оценкам Всемирного банка, затраты на ZLD могут добавить 20-50% к общим затратам на опреснение, но падение цен на энергию и технологические улучшения закрываю разрыв. Дополнительная информация о технологиях ZLD доступна из

Новые технологии на горизонте

Несколько передовых технологий переходят от лаборатории к пилотному масштабу, предлагая потенциал для одновременного сокращения объема рассола и использования энергии.

Мембранная дистилляция (MD)

MD - это термически управляемый процесс, в котором горячий рассол передает пар через гидрофобную мембрану, которая затем конденсируется в виде пресной воды. MD может использовать низкосортное отработанное тепло от промышленных процессов или солнечных тепловых коллекторов, что делает его привлекательным для совместно расположенных опреснительных установок. Он работает при атмосферном давлении и менее подвержен загрязнению, чем обычные RO, но современные мембраны страдают от смачивания пор и низкого потока. Исследователи разрабатывают омнифобные мембраны и новые конструкции модулей для повышения производительности. Недавние испытания в Испании сообщили о скорости восстановления воды выше 90% от RO рассола.

Форвардный осмос (FO)

FO использует раствор для вытягивания воды с высоким осмотическим давлением для вытягивания воды из рассола через полупроницаемую мембрану. Разбавленный раствор для вытягивания затем отделяется для получения пресной воды и реконцентрированного раствора для вытягивания. FO может достичь высокой концентрации рассола без гидравлического давления, уменьшая обрастание мембран и спрос на энергию. Остаются проблемы в поиске идеального раствора для вытягивания, который легко регенерировать и нетоксичен. Растворы для вытягивания на основе наночастиц и термочувствительные полимеры находятся в стадии исследования.

Электродиализ (ED) и обратный электродиализ (RED)

ЭД использует электрическое поле для транспортировки ионов через селективные мембраны, концентрируя рассол с одной стороны и разбавляя другой поток. Он хорошо подходит для рассолов умеренной солености и может быть интегрирован с RO для увеличения общего восстановления. С другой стороны, RED генерирует электричество, смешивая рассол с водой низкой солености через ионообменные мембраны. Стек RED, установленный между разрядом опреснительной установки и морской водой, может восстанавливать энергию, частично компенсируя потребление энергии на станции. Прототипы продемонстрировали плотность мощности 2-3 Вт / м2 мембраны.

Деионизация (CDI)

CDI удаляет растворенные ионы, применяя низковольтное электрическое поле, привлекая ионы к пористым углеродным электродам. Он в основном используется для солоноватой воды, но недавние исследования изучили его потенциал для полировки рассола. Flow-electrode CDI (FCDI) использует проточную углеродную суспензию для достижения непрерывной работы и более высокого удаления соли. В то время как все еще в масштабе стенда для концентрированных рассолов, CDI предлагает альтернативу с низкой энергией для удаления конкретных загрязнителей, таких как бор или тяжелые металлы из рассола.

Экономические драйверы и политические рамки

Переход к валоризации рассола ускоряется как экономическими, так и нормативными факторами. Расходы на выпадение из океана сильно различаются: разрешения на выпадение из океана требуют сложных разрешений, а пруды для испарения требуют больших земельных площадей. Между тем, рынок магния (≈ 2700 долларов США / тонна), карбоната лития (≈ 13 000 долларов США / тонна по состоянию на 2023 год) и брома (≈ 4000 долларов США / тонна) предоставляет реальные возможности для получения дохода. Техноэкономический анализ Всемирного банка предполагает, что комбинированная добыча полезных ископаемых и схема ZLD может достичь периода окупаемости 5-7 лет для крупных заводов.

Важную роль играют также меры политики. План действий Европейского союза по циркулярной экономике поощряет восстановление критически важного сырья из потоков отходов, включая опреснительный рассол. Некоторые страны Ближнего Востока в настоящее время устанавливают минимальные показатели рекуперации воды и целевые показатели по повторному использованию рассола для новых опреснительных установок. Оценки воздействия на окружающую среду все чаще требуют от операторов демонстрации того, что сброс рассола не нанесет ущерба чувствительным морским экосистемам. Эти силы стимулируют инвестиции в исследования и разработки, при этом десятки стартапов и университетских отделений пилотируют новые технологии переработки рассола.

Однако барьеры сохраняются. Высокая капитальная стоимость передовых систем, таких как кристаллизаторы, изменчивость состава рассола и отсутствие стандартизированных протоколов проектирования препятствуют широкому распространению. Многие перспективные подходы лучше всего работают только для конкретных химий рассола. Например, высокие концентрации кремнезема или кальция могут масштабировать мембраны и теплообменники, требуя дополнительной предварительной обработки. Кроме того, чистота извлеченных минералов должна соответствовать рыночным спецификациям, что может потребовать дополнительных этапов рафинирования. Текущие исследования сосредоточены на разработке надежных модульных систем, которые могут адаптироваться к различным условиям растений.

Интегрированные системы: круговой подход

Вместо того чтобы рассматривать каждую технологию изолированно, наиболее перспективные проекты объединяют несколько процессов для максимального восстановления ресурсов. Типичная интегрированная схема может включать:

  1. RO опреснение, производящее пресную воду и рассол.
  2. Первый этап восстановления с использованием НФ или НФ для извлечения большей части воды и получения концентрата, богатого двухвалентными ионами.
  3. Реакторы минеральных осадков для восстановления магния, кальция и стронция в качестве продуктов карбоната или гидроксида.
  4. Вторая мембранная стадия (например, МД или ЭД) для дальнейшего концентрирования потока при производстве дополнительной пресной воды.
  5. Испаритель-кристаллизатор для получения твердого хлорида натрия и других солей, оставляя минимальный остаток отходов.
  6. Необязательное окончательное полирование с ионным обменом для захвата следов лития, брома или рубидия.

Такая система может обеспечить более 98% рекуперации воды, производить несколько продаваемых продуктов и уменьшить объем рассола, требующего утилизации, до менее 2% от первоначального потока. Энергия для тепловых шагов может поставляться солнечным тепловым или отработанным теплом от самой опреснительной установки, снижая углеродный след. Несколько демонстрационных проектов, включая проект °ReWater в Чили и Инициативу по добыче рассола ⁇ Membrane ⁇ в Омане, тестируют эти интегрированные концепции в пилотном масштабе. Результаты этих проектов будут иметь решающее значение для снижения риска технологии для коммерческого развертывания.

Заключение

Управление рассолом с опреснительных установок уже не вопрос, как избавиться от него, а как использовать его потенциал. От улучшенных диффузорных конструкций, которые минимизируют экологическое воздействие, до передовых мембран, которые извлекают каждую каплю воды и каждый грамм минерала, инструментарий для управления рассолом быстро расширяется. В то время как ни одно решение не работает для всех растений, сочетание разбавления, рекуперации минералов, производства соли и сброса с нулевой жидкостью предлагает путь к действительно круговой опреснительной промышленности. Продолжающиеся инвестиции в исследования, поддерживающая политика и сотрудничество между водоснабжением, химическими компаниями и разработчиками технологий определят, как быстро эти инновации масштабируются. Конечная награда - сектор опреснения, который не только утоляет жажду в мире, но делает это с минимальными отходами и созданием максимальной стоимости.