Кіріспе
Күн энергиясымен жұмыс істейтін тұзсыздандыру технологиясы
Күн энергиясымен жұмыс істейтін тұзсыздандыру – күн энергиясын пайдаланатын тұзсыздандыру технологиясы. Екі кең таралған әдіс – тікелей (термиялық) және жанама (фотоэлектрлік).
Тарих
Күн сәулесінен суды тазарту мыңдаған жылдар бойы қолданылып келеді. Ертедегі грек теңізшілері мен парсы алхимиктері тұщы су мен емдік дистилляттарды өндірген. Күн сәулесінен суды тазарту – ластанған суды ішуге жарамды ету үшін алғаш рет кең ауқымда қолданылған әдіс. 1870 жылы АҚШ-та Норман Уилер мен Уолтон Эвансқа күн сәулесінен су тазарту құрылғысы үшін алғашқы патент берілді. Екі жылдан кейін, Чилидегі Лас-Салинас қаласында швед инженері Чарльз Уилсон тұз және күміс кенішіндегі жұмысшыларды тәтті сумен қамтамасыз ету үшін күн сәулесінен су тазарту орнатын салуға кірісті. Ол 40 жыл бойы үздіксіз жұмыс істеді және кен өндірісінен қалған суды пайдалана отырып, күніне орташа есеппен 22,7 м³ су тазартып шығарды. АҚШ-та күн энергиясын пайдаланып тұзды суды тазарту 1950 жылдардың басында Конгресс Тұзды суды өңдеу заңын қабылдағанда басталды, бұл 1955 жылы Тұзды суды өңдеу кеңсесінің (OSW) құрылуына әкелді. OSW-нің басты міндеті – тұзсыздандыру зерттеу және даму жобаларын қаржыландыруды басқару болды. Бес демонстрациялық орнатынң бірі Флорида штатының Дейтона-Бич қаласында орналасқан. Көптеген жобалар шалғайдағы шөл және жағалаудағы қауымдастықтардағы су тапшылығы мәселелерін шешуге бағытталған. Әлем бойынша тұзсыздандыру арқылы өндірілетін тәулігіне шамамен 22 миллион м³ тұщы судың 1% азы күн энергиясын пайдаланады. Тәтті суды жеткізудің арзан әдістері мен қолжетімді, төмен құнды энергия көздерінің болуына байланысты, күн сәулесінен су тазарту қымбатқа түсетін және тиімсіз деп есептелді. Осы типтегі күн сәулесінен су тазарту құрылғылары аман қалу нұсқаулықтарында сипатталған, теңіздік аман қалу жиынтықтарында ұсынылған және көптеген шағын тұзсыздандыру және дистилляция орнатында қолданылады. Су өндірісі күн бетінің ауданымен және күн сәулесінің түсу бұрышымен пропорционалды, ал тиімділігі шамамен екі еңісті бет немесе қосымша конденсаторды пайдалану арқылы 45%-ға дейін жақсаруы мүмкін.
Қақпақ
Жалынды дистилляция құрылғысында су ағыны кеуекті сәулеленуді сіңіретін төсем арқылы баяу өтеді. Бұл аз суды қыздыруды қажет етеді және күнге қарай бұрышты өзгерту оңайырақ, соның арқасында уақыт үнемделіп, жоғары температураға қол жеткізіледі.
Әлі де таралуда
Диффузиялық дистиллятор ыстық сақтау резервуары, күн коллекторы және дистилляция блогынан тұрады. Жылу диффузиясы арқылы олардың арасында жылыту жүзеге асырылады.
Өнімділікті арттыру
Сыртқы энергия көзін қолдану арқылы ішкі температураны көтеру өнімділікті жақсартады.
Шектеулер
Тікелей әдістер теңіз суын екі фазалы ажырату процесінің бір бөлігі ретінде буландыру үшін жылу энергиясын қолданады. Бұл әдістер салыстырмалы түрде қарапайым және аз орынды қажет етеді, сондықтан көбінесе кішкентай жүйелерде қолданылады. Дегенмен, олардың төмен жұмыс температурасы және қысымынан өндіріс деңгейі төмен болады, сондықтан тәулігіне 200 м³ дейін өнім беретін жүйелер үшін қолайлы.
Тікелей емес
Бейнелегіс тұзсыздандыру күн энергиясын жинау массивін – фотоэлектрлік және/немесе сұйықтыққа негіделген жылу коллекторларын – және жекелеген дәстүрлі тұзсыздандыру станциясын пайдаланады. Бір фазалы тұзсыздандыруда фотоэлектрлік энергия электр энергиясын өндіру үшін қолданылады, ол сорғыларды қозғалады. Фазалық өзгеріске (немесе көп фазалы) қол жеткізілетін күн тұзсыздандыру мембраналық технологияны қолданбайды.
Бір фазалы жанама
2009 жылдан бері фотоэлектрлік (ФЭ) панельдер мен кері осмосты (РО) пайдаланатын жанама күн энергиясын тұщыландыру жүйелері қолданылып келеді. 2013 жылға қарай бір жүйе үшін сағатына, ал PV панелінің бір шаршы метрі үшін күніне өнімге жетілді. Тынық мұхитындағы Утирик атоллы 2010 жылдан бері осылай таза сумен қамтамасыз етілуде. Бір фазалы тұзсыздандыру процестеріне кері осмоз және мембраналық дистилляция жатады, онда мембраналар суды ластанушы заттардан сүзіп тазартады. Насостар тұзды суды жоғары қысыммен РО модульдері арқылы итеріп жібереді. Таза суды төрт МД әдісімен алуға болады: Тікелей контактілі (DCMD), Ауа қашықтығы (AGMD), Газ ағынымен (SGMD) және Вакуумдік (VMD). Энергия тұтыну 200-300 кВт/м3 шамасында.
Жанама көп фазалы
Фазалық ауысу (немесе көп фазалы) күн тұзсыздандыруға көп сатылы жарқырау, көп эффектті дистилляция (MED) және жылу буынды сығыстыру (VC) кіреді. MSF фазалық ауысу температурасы 80–120 °C, VC үшін 40–100 °C және MED әдісі үшін 50–90 °C аралығында болады. MSF тұзсыздандыру процесінде теңіз суы қыздырылады және бірнеше сатыда жылдам қысымның төмендеуіне (жарылуға) ұшырайды. Әрбір сатыда жылу алмастырғыштар мен жарқырау камералары болады. Процесс әдетте келесі қадамдарды қамтиды:
Алдын ала қыздыру: Теңіз суы бастапқыда қыздырылады, бұл келесі сатылар үшін қажетті энергияны азайтады. Алдын ала қыздырылған теңіз суы MSF жүйесінің бірінші сатысына енгізіледі. Жарылу: Әр сатыда алдын ала қыздырылған теңіз суы жарқырау камерасынан өтеді, онда оның қысымы күрт төмендейді. Бұл қысымның кенеттен төмендеуі судың буға айналуына себеп болады, ал қалдырылатын тұздықтағы тұздың концентрациясы жоғары болады. Конденсация: Жарқырау камерасында пайда болған бу жылу алмастырғыш құбырлардың бетінде конденсацияланады. Конденсация будың салқын теңіз суымен немесе алдыңғы сатылардан салқын тұщы су тасымалдайтын құбырлармен жанасуы нәтижесінде жүзеге асады. Жиналу және алу: Конденсацияланған тұщы су жиналады және өнім ретінде сақталады. Содан кейін ол сақтау және тарату үшін жүйеден алынады, ал қалған тұздық дұрыс жойылды. Қайта қыздыру және қайталау: Әр сатыдан алынған тұздық су қайта қыздырылады, әдетте процесс турбинасынан алынған бу арқылы, содан кейін келесі сатыға жіберіледі. Бұл процесс келесі сатыларда қайталанады, сатылардың саны қажетті тұщы су өндірісінің деңгейімен және жүйенің жалпы тиімділігімен анықталады. Жарқырау процесінде буланудың жасырын жылуын пайдалану арқылы жоғары энергия тиімділігімен танылған көп сатылы жарқырау (MSF) әдісі 2009 жылы тіркелгендей, әлемдегі тұзсыздандыру қуатының шамамен 45% және жылу жүйелерінің 93% құрады. MSF күн дистилляциясының шығыс қуаты 6–60 л/м2/күн, ал күн дистилляциясының стандартты шығысы 3–4 л/м2/күн.
Ылғалдандыру/судан тазарту арқылы жанама күн сәулесінен тұзсыздандыру
Теңіз суы жылыжайында ылғалдандыру/құрғату арқылы күн энергиясын пайдаланып, жанама түрде тұзсыздандыру жүзеге асырылады.
Тоңазыту
Бұл әдіс тек демонстрациялық жобаларда қолданылса да, тұзды суды кристалдастыруға негізделген бұл жанама әдіс аз энергия талап ететін артықшылығына ие. Судың балқуының жасырын жылуы 6,01 кДж/моль, ал 100 °C температурада буланудың жасырын жылуы 40,66 кДж/моль болғандықтан, энергия тұтынуы бойынша арзан болуы тиіс. Сонымен қатар, коррозия қаупі де төмендеу. Дегенмен, мұз бен сұйықтық қоспаларын механикалық түрде жылжытуда қиындықтар бар. Бұл процесс әлі коммерциялық деңгейде қолданылмаған, себебі құны жоғары және салқындату жүйелерімен күрделі мәселелер туындайды. Бұл процесті пайдаланудың ең көп зерттелген жолы – мұздату арқылы суды тоңазыту. Су ағынын мұзға айналдыру үшін тоңазытқыш цикл қолданылады, содан кейін алынған кристалдар бөлініп, балқытылып, таза суға айналдырылады. Осы процесті күн энергиясымен жүзеге асырудың кейбір жаңа мысалдары бар: 1980 жылдардың соңында Сауд Арабиясында Chicago Bridge and Iron Inc. компаниясы салған қондырғы, бірақ тиімсіздігінен жабылды. Дегенмен, тұзды жер асты суларына қатысты жақында жасалған зерттеуде, тәулігіне 1 миллион галлон су өндіретін қондырғы 1000 галлон суға 1,30 долларға түсетіні анықталды. Егер бұл рас болса, онда бұл кері осмос жүйелерімен бәсекелесе алатын құрылғы болар еді.
Жылу жүйелерімен проблемалар
Күн энергиясын пайдаланатын тұзсыздандыру жобаларында ішкі құрылымдық мәселелерге тап болады. Біріншіден, жүйенің тиімділігі булану және конденсация кезіндегі жылу және масса алмасудың өзара әрекеттесетін жылдамдықтарымен анықталады.
Күндізгі ылғалдандыру ылғалдандыру
Күндізгі ылғалдандыру-құрғату (HDH) процесі (сонымен қатар көп эффектілі ылғалдандыру-құрғату процесі, күндізгі көп сатылы конденсациялық буландыру циклі (SMCEC) немесе көп эффектілі ылғалдандыру (MEH) деп аталады) суды дистилляциялау арқылы табиғи су циклін қысқа мерзімде қайталайды. Жылу энергиясы су буын тудырады, ол жеке камерада конденсацияланады. Күрделі жүйелерде конденсацияланған су буынан жылуды жинап, кіріс су көзін алдын ала қыздыру арқылы ысырапты жылу мөлшері азайтылады.
Бір фазалы күн энергиясымен тұзсыздандыру
Жанама немесе бір фазалы күн энергиясымен жұмыс істейтін тұзсыздандыруда екі жүйе біріктіріледі: күн энергиясын жинау жүйесі (мысалы, фотоэлектрлік панельдер) және кері осмоз (RO) сияқты тұзсыздандыру жүйесі. Негізгі бір фазалы процестер, әдетте мембраналық процестер, РО және электродиализден (ED) тұрады. Бір фазалы тұзсыздандыру көбінесе фотоэлектрлік энергиямен жүзеге асырылады, ол RO сорғыларын іске қосу үшін электр энергиясын өндіреді. Әлем бойынша 15 000-нан астам тұзсыздандыру қондырғысы жұмыс істейді. Олардың шамамен 70% RO қолданады, бұл тұзсыздандырудың 44% құрайды. RO-ны іске қосу үшін механикалық энергияны қамтамасыз ететін күн жылуын жинауға негіделген балама әдістер әзірленуде.
Кері осмоз
РО – суды алдын ала өңдеу қажеттілігіне қарамастан, термиялық тұзсыздандыру жүйелеріне қарағанда тиімділігі үшін ең көп қолданылатын тұзсыздандыру процесі. Фотоэлектрлік энергиямен жұмыс істейтін РО тұзсыздандыру жүйелерін жақсартудағы басты мәселелер экономикалық және сенімділік факторлары болып табылады. Дегенмен, фотоэлектрлік панельдердің бағасының төмендеуі күн энергиясымен жұмыс істейтін тұзсыздандыруды ыңғайлырақ етеді. Күн энергиясымен жұмыс істейтін РО тұзсыздандыру, PV және РО жүйелерінің модулдік және кеңейтілмелі қасиеттеріне байланысты демонстрациялық қондырғыларда кеңінен қолданылады. PV энергиясымен жұмыс істейтін РО-ны оңтайландыру стратегиясын зерттеген экономикалық талдау жағымды нәтижелер көрсетті. PV күн сәулесін тұрақты токқа (DC) айналдырады, ол РО блогын қуатпен қамтамасыз етеді. Күн сәулесінің үзілісті сипаты және күні бойындағы өзгеретін қарқындылығы PV тиімділігін болжауды қиындатады және түнгі тұзсыздандыруды шектейді. Аккумуляторлар күн энергиясын кейінірек пайдалану үшін сақтай алады. Сол сияқты, жылу энергиясын сақтау жүйелері күн батқаннан кейін және бұлтты күндері тұрақты жұмыс істеуді қамтамасыз етеді. Аккумуляторлар үздіксіз жұмыс істеуге мүмкіндік береді. Зерттеулер көрсеткендей, үзілісті жұмыс істеу биофоулингтің (биологиялық ластанудың) күшеюіне әкелуі мүмкін. Аккумуляторлар әлі де қымбатқа түседі және оларды үнемі күтіп-ұстау қажет. Сонымен қатар, аккумуляторда энергияны сақтау және алу тиімділікті төмендетеді. ЭД процесінде электродтарға электр күші қолданылады; катиондар катодқа, ал аниондар анодқа қарай қозғалады. Ион алмастырғыш мембраналар тек олардың өткізгіш түріне (катион немесе анион) ғана өтуге мүмкіндік береді, сондықтан осы құрылымда сұйылтылған және концентрацияланған тұз ерітінділері мембраналар арасындағы кеңістікке (каналдарға) орналастырылады. Бұл қаптың конфигурациясы көлденең немесе тік болуы мүмкін. Тазалауға арналған су барлық жасушалар арқылы параллель өтеді, бұл үнемі таза су мен тұзды су ағынын қамтамасыз етеді. Бұл жақсы белгілі процесс болғанымен, электродиализ теңіз суын тұщыландыруға коммерциялық жарамды емес, өйткені оны тек тұздылығы аз суға (TDS < 1000 ppm) қолдануға болады. ЭД процесін өзгертіп, оны РЕД-ке айналдыруға болады, онда электродтардың полярлығы мембраналар арқылы ағысты кері айналдыра отырып, мерзімді түрде өзгереді. Бұл коллоидтық заттардың жиналуын шектейді, бұл оны өзін-өзі тазартатын процесс етеді және химиялық алдын ала өңдеудің қажеттілігін азайтады, осылайша тұздылығы аз су үшін экономикалық жағынан тартымды етеді. ED жүйелерін қолдану 1954 жылы басталды, ал RED 1970 жылдары әзірленді. Бұл процестер әлем бойынша 1100-ден астам қондырғыда қолданылады. Тұзды суды тұщыландыру қондырғыларында PV-нің басты артықшылығы оның кішкентай қондырғыларға жарамдылығында. Мысалы, Жапониядағы Осима аралында (Нагасаки) 1986 жылдан бері 390 PV панельден тұратын қондырғы жұмыс істеп келеді, ол күніне 10 м3 өнім береді, оның ішінде еріген қатты заттардың (TDS) мөлшері шамамен 400 ppm.