UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO ODDELEK ZA KEMIJO DIPLOMSKO DELO. Gregor LUGARIČ

Transkripcija

1 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO ODDELEK ZA KEMIJO DIPLOMSKO DELO Gregor LUGARIČ Maribor, 2013

2

3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO ODDELEK ZA KEMIJO Gregor LUGARIČ Razsoljevanje vode DIPLOMSKO DELO Mentorica: prof. dr. Maja Leitgeb Maribor, 2013

4 I UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani Gregor Lugarič, rojen , študent Fakultete za naravoslovje in matematiko Univerze v Mariboru, študijskega programa biologija in kemija, izjavljam, da je diplomsko delo z naslovom: Razsoljevanje vode, pri mentorici prof. dr. Maji Leitgeb avtorsko delo. V diplomskem delu so uporabljeni viri in literatura korektno navedeni; teksti in druge oblike zapisov niso uporabljeni brez navedbe avtorjev. Gregor Lugarič Maribor,

5 II ZAHVALA Iskreno se zahvaljujem mentorici prof. dr. Maji Leitgeb za vso strokovno in tehnično pomoč ter usmeritve pri nastajanju diplomskega dela. Prav tako bi se za pomoč v laboratoriju zahvalil Sabini Kavčič in Igorju Krmelju. Posebna zahvala pa je namenjena moji druţini, ki me je ves čas študija podpirala in verjela vame.

6 III IZVLEČEK Problem pitne vode je v svetu iz leta v leto večji. Ponekod se ţe bijejo vojne za pitno vodo. Ţe desetletja se uporabljajo različne tehnologije razsoljevanja morske ali brakične vode. V diplomskem delu so predstavljeni najbolj razširjeni procesi, ki se uporabljajo za pridobivanje pitne vode. V uvodnem delu so opisana splošna stanja morske in sladke vode na Zemlji in našteti glavni načini razsoljevanja vode. V osrednjem delu so opisani in prikazani postopki razsoljevanja, ki jih delimo na tri dele: termični procesi, membranski procesi in ionski procesi. Pri vsaki skupini procesov so posebej razčlenjeni procesi, ki se najpogosteje uporabljajo. Med termičnimi procesi je najbolj razširjena večfazna ravnoteţna destilacija (MSF - Multi Stage Flash), ki je globalno vodilni proces pri razsoljevanju, če kot vodni vir uporabimo samo morsko vodo. Opisana sta tudi večstopenjska destilacija (MED Multi Effect Distillation) in kompresijski proces (VC Vapour Compression), ki predstavljata manjši odstotek globalne uporabe. Med membranskimi procesi je vodilni proces reverzna osmoza (RO Reverse Osmosis), ki je globalno najbolj razširjen za razsoljevanje vseh vod, razdelan pa je tudi proces elektrodialize (ED Electrodialysis). Pri kemijskem procesu se uporablja predvsem ionska izmenjava, ki pa je zaradi velikih stroškov ne uporabljajo pogosto. Uporablja se predvsem za mehčanje vode, ni pa uporabna za čiščenje vode z višjimi stopnjami raztopljenih trdnih snovi, zaradi česar je izvzeta iz obravnave v diplomskem delu. Na kratko so tudi opisani postopki pred-obdelave in nadaljnje obdelave vode. Več pozornosti je posvečene okoljskim vidikom, energijski porabi in ekonomskemu vidiku. V eksperimentalnem delu smo poskusili čim bolj pribliţati in poenostaviti prikaz delovanja MSF naprave, ki jo lahko učenci samostojno sestavijo v laboratoriju.

7 IV V zaključnem delu smo se dotaknili tudi najnovejših tehnologij, ki kot vir energije uporabljajo obnovljive vire energije. Ključne besede: razsoljevanje,»večfazna ravnoteţna destilacija MSF«,»večstopenjska destilacija MED«,»kompresija hlapov VC«,»reverzna osmoza RO«,»elektrodializa ED«.

8 V LUGARIČ, G.: Water desalination. Graduation Thesis, University of Maribor, Faculty of Natural Sciences and Mathematics, Department of Chemistry, ABSTRACT The problem of drinking water in the world is constantly increasing. In some places in the world, there are already wars for drinking water. Different desalination technologies have been used for decades. In this thesis different desalination technologies used for getting drinking water are presented. In the beginning the facts about water in our world and all major desalination processes are presented. The main part of the theses is dedicated to the desalination processes which are divided into three parts: thermic, membrane and ion processes. The most commonly used processes for each group are analyzed. The leading thermical process in the world is Multi Stage Flash (MSF), where the main source is sea water. Two minor processes, Multi Effect Distillation (MED) and Vapour Compression (VC), are also described. Additionally, a leading membrane process Reverse Osmosis (RO), and process Electrodialysis (ED) are described. In the chemical process, the Ion exchange (IX) is not often used because of the high costs. IX is mainly used for water softening but not for cleaning with higher level of Total Dissolved Solids (TDS). Therefore, IX will not be described in this thesis. Furthermore, the pre- and post-treatment water processes are mentioned, however the attention is focused on environmental, energetic and economic aspects primarily. In the experimental part of the thesis, the MSF plant is shown, as simple as possible, so the pupils can understand its function and can built it themselves in the laboratory. In the last part new desalination technologies with renewable energy consume are presented.

9 VI Key words: desalination,»multi Stage Flash MSF«,»Multi Effect Distillation MED«,»Vapour Compression VC«,»Reverse Osmosis RO «,»Electrodialysis ED«.

10 VII KAZALO VSEBINE 1 Uvod Tehnologije razsoljevanja Razsoljevanje Splošni opis Termični procesi Večfazna ravnoteţna destilacija MSF (Multi Stage Flash) Večstopenjska destilacija MED (Multi Effect Distillation) Kompresija hlapov VC (Vapor Compression) Membranski procesi Reverzna (obratna) osmoza RO (Reverse Osmosis) Elektrodializa ED (Electrodialysis) in reverzna elektrodializa EDR (Electrodialysis Reversal) Obdelava vode Pred-obdelava Nadaljnja obdelava Okoljski vidik Energijska poraba Ekonomski vidik Razsoljevanje z obnovljivimi viri energije Eksperimentalni del Eksperiment 1 Moja razsoljevalna naprava Eksperiment 2 Ledena gora Eksperiment 3 Samotni otok Zaključek Literatura in viri... 43

11 VIII KAZALO TABEL Tabela 1: Zaloge vode v svetu... 1 Tabela 2: Membranski sistemi Tabela 3: Energijska poraba po procesih... 23

12 IX KAZALO SLIK Slika 1: Deleţ tehnologij razsoljevanja vseh vod v svetu... 4 Slika 2: Deleţ tehnologij razsoljevanja morske vode v svetu... 5 Slika 3: Razsoljevalni procesi... 7 Slika 4: Princip delovanja MSF procesa... 9 Slika 5: MSF naprava, obratuje v Taweelah B, Abu Dhabi, United Arab Emirates... 9 Slika 6: Princip delovanja MED procesa Slika 7: MED obrat Slika 8: Princip delovanja MVC procesa Slika 9: Primer MVC naprave Slika 10: Osnovni principi osmoze, osmotskega ravnoteţja in reverzne osmoze Slika 11: Shema postopka razsoljevanja z reverzno osmozo Slika 12: RO naprava Slika 13: RO naprava Slika 14: Princip delovanja ED Slika 15: Primer ED modulov Slika 16: Deleţ razsoljevanja z obnovljivimi viri energije v Evropi Slika 17: Princip delovanja solarne razsoljevalne naprave Slika 18: Eksperiment 1 Moja razsoljevalna naprava Slika 19: Shematski prikaz delovanja MSF naprav Slika 20: Razsoljevalna naprava, sestavljena v laboratoriju 1. in 2. faza Slika 21: Razsoljevalna naprava, sestavljena v laboratoriju 3. faza Slika 22: Razsoljevalna naprava, sestavljena v laboratoriju sestava priklopa vmesne faze Slika 23: Razsoljevalna naprava, sestavljena v laboratoriju destilacija (1. faza izvedbe) Slika 24: Razsoljevalna naprava, sestavljena v laboratoriju kondenzacija v Cleisenovem nastavku Slika 25: Razsoljevalna naprava, sestavljena v laboratoriju odvzem vzorca po 1. fazi. 33 Slika 26: Ledena gora Slika 27: "Ledena gora" 10 % koncentracija Slika 28: "Ledena gora" 5 % koncentracija Slika 29: "Samotni otok" potrebščine za domačo izvedbo eksperimenta Slika 30: "Samotni otok" priprava "razsoljevalne naprave" Slika 31: "Samotni otok" sonce in obteţitev Slika 32: "Samotni otok" kondenzacija Slika 33: "Samotni otok" "voda odrešitve" Slika 34: "Samotni otok" domače uparjevanje... 40

13 1 Uvod Več kot 70 % našega planeta prekriva voda, ki je brez nadaljnje obdelave preslana za človeško rabo. Ta zaloga znaša pribliţno 1,4 milijarde km 3, od katere je 97 % morske in brakične vode. Uporabne vode za človeško rabo je manj kot 3 %. Večina se je nahaja v ledenikih na severnem in juţnem polu. Če bi to količino porazdelili po vsem svetu, bi zadostovala potrebam za 20 milijard ljudi (Committee on Advancing Desalination Technology, National Research Council, 2008). V tabeli 1 je prikazana zaloga vode v svetu po prostornini in odstotnem deleţu, ki ga ima posamezen vir. Tabela 1: Zaloge vode v svetu (El-Dessouky in Ettouney, 2002) Vir Prostornina % od vse % od sladke (km 3 ) vode vode Atmosferska ,001 0,01 voda Ledeniki ,72 68,7 Podzemni led ,021 0,86 Reke ,0002 0,006 Jezera ,013 0,26 Močvirja ,0008 0,03 Vlaţna tla ,0012 0,05 Vodonosniki ,75 30,1 Litosfera ,68 Oceani ,81 Skupaj O 1

14 Z naraščanjem svetovnega prebivalstva, čedalje večje onesnaţenosti naravnih virov in klimatskih sprememb se razpoloţljivost pitne vode zmanjšuje. Druţba se tega zaveda, zato se nagiba k pridobivanju človeku uporabne vode iz tehnologij razsoljevanja, katere se intenzivno razvijajo zadnjih 60 let. Med sladko vodo ne uvrščamo le pitne, temveč tudi vodo za sanitarne sisteme, industrijsko rabo, namakanje, itd. (Committee on Advancing Desalination Technology, National Research Council, 2008). O 2

15 2 Tehnologije razsoljevanja Razsoljevanje morske vode je rešitev pridobivanja pitne vode za področja kjer je oskrba z vodo po naravnih poteh nezadostna. V svetovnem merilu tukaj prednjači predvsem arabski svet. Na svetu obstaja več kot obratov za razsoljevanje na kopnem, ki ustvarijo okoli 40 milijonov m 3 vode (Public Health and the Environment, world Health Organization, 2007). Število obratov naglo narašča, saj so potrebe čedalje večje, cene proizvodnje pa zaradi novih tehnologij in materialov padajo. V zadnjih desetletjih so bile razvite različne tehnologije za izvajanje razsoljevanja. Različne vrste vodnega vira se razlikujejo po svoji slanosti. Morska voda vsebuje najvišjo raven raztopljenih soli. Brakična voda vsebuje manj soli kot morska voda, vendar več kot sladka voda. Skupni postopek desalinizacije je podoben v večini primerov. Preko sesalnih sistemov se morska voda črpa v obrat. Voda je pred-obdelana z različnimi fizikalnimi in kemijskimi metodami, da se izpolnijo zahteve glede kakovosti vode v posameznem obratu. Obdelana voda priteče v razsoljevalno enoto, kjer se loči v razsoljeno vodo in odpadno vodo. Zelo čist produkt nato potuje do sistemov za nadaljnjo obdelavo, kjer se zagotovi kakovost pitne vode. Od tod pa naprej do potrošnikov. Koncentrirano odpadno vodo slanico, pa spustijo nazaj v morje. Najpomembnejše tehnologije razsoljevanja lahko delimo v dve skupini procesov. Termični procesi uporabljajo toploto predvsem za izhlapevanje vode, kjer sol ostane v slanici, razsoljena voda pa se nato kondenzira. Toplotna tehnika z največjim trţnim deleţem je večfazna ravnoteţna destilacija MSF (Multi Stage Flash). Membranski procesi uporabljajo tlak ali električno energijo, da silijo vodo skozi polprepustno membrano, ki zavira soli in druge raztopljene trdne snovi. Glavna membranska tehnologija je»reverzna osmoza (RO)«. O 3

16 Skoraj polovica (49 %) svetovne zmogljivosti za razsoljevanje, ki vključuje vse izvirne vode, kot so morske vode, brakične vode ali rečne vode uporablja proces RO. MSF ima drugi največji deleţ (34 %), na tretjem mestu (7 %) po razširjenosti uporabe je večstopenjska destilacija MED (Multi Effect Distillation). Manjši deleţ (4 %) imata elektrodializa ED (Electrodialysis) in nanofiltracija NF (Nanofiltration) ter ostale tehnologije (2 %), kar je grafično prikazano v sliki 1. Delež tehnologij razsoljevanja vseh vod v svetu 4% 4% 2% 7% 49% 34% MSF RO MED ED nanofiltracija ostale Slika 1: Delež tehnologij razsoljevanja vseh vod v svetu (Höpner et al., 2008) O 4

17 Če pa govorimo samo o zmogljivosti za razsoljevanje morske vode, pa MSF obrati predstavljajo največji (61 %) deleţ proizvodnje (slika 2). Deleţ RO obratov (27 %) se v zadnjih letih zelo povečuje in v kratkem je predvideno, da bo dohitel MSF. MSF tehnologija vodi predvsem zaradi poceni naftnih derivatov na Bliţnjem vzhodu in v severni Afriki (Höpner, et al., 2008). Delež tehnologij razsoljevanja morske vode v svetu 4% 7% 1% 27% 61% MSF RO MED VC ostale Slika 2: Delež tehnologij razsoljevanja morske vode v svetu (Glade, 2005) O 5

18 3 Razsoljevanje 3.1 Splošni opis Razsoljevanje je postopek odstranjevanja raztopljenih soli in drugih kemikalij iz morske vode, brakične vode ali površinske vode. Razsoljevanje je postopek pri katerem iz morske oz. brakične (voda, katere slanost je med sladko in morsko vodo; med 5-10 delcev na tisoč) pridobivamo sladko vodo. Pri tem se iz slane vode izločajo raztopljene snovi, ki jih označujemo s celokupnimi raztopljenimi trdnimi snovi TDS (Total Dissolved Solids). Glede na količino TDS, se določi tehnologija razsoljevanja. Tehnologiji, ki prevladujeta na tem področju sta termična in membranska (slika 3), obstajajo pa tudi kemijski postopki, ki nimajo posebne vloge na trgu, z izjemo ionske izmenjave, ki se uporablja pri mehčanju vode. Pri termični tehnologiji segrevamo morsko oz brakično vodo do vrelišča, nato paro vodimo v kondenzator kjer se ohladi in utekočini (kondenzira). Pridobljen produkt je destilirana voda. Membranska tehnologija selektivno zadrţi ione in delce, ki ne morejo skozi pore. Na izbiro primerne tehnologije vpliva več dejavnikov, kot so energijska razpoloţljivost in moţnost regeneracije, kvaliteta vodnega vira, uporaba pridobljene vode, velikosti proizvodnje (objekta) ter ostali lokalni pogoji (Committee to Review the Desalination and Water Purification Technology Roadmap, National Research Council, 2004). O 6

19 Slika 3: Razsoljevalni procesi 3.2 Termični procesi Pribliţno polovica svetovne proizvodnje razsoljene vode je pridobljena s termičnimi procesi. To so primarne tehnologije razsoljevanja na Bliţnjem vzhodu, predvsem zaradi proizvajanja zelo čiste vode (TDS manj kot 50 mg/l) iz morske vode in nizkih stroškov goriva v regiji. Termični procesi, ki predstavljajo večino termičnih tehnologij razsoljevanja v uporabi danes so: - večfazna ravnoteţna destilacija MSF (Multi Stage Flash), - večstopenjska destilacija MED (Multi Effect Distillation), - kompresija hlapov VC (Vapour Compression). To so destilacijski procesi, v katerih nastopata fazi izhlapevanja (uparjanja) in kondenzacije. Destilacija je imela desetletja vodilno vlogo na trgu. Zaradi boljšega izkoristka je običajno kombinirana z enotami za proizvajanje energije (turbine, kotli, motorji, itd.). Ostale tehnologije (sončna destilacija, membranska destilacija ter zamrzovanje) so se razvile za razsoljevanje vode, vendar niso dosegale vidnejših rezultatov na trgu. O 7

20 Sončna destilacija koristi sončno energijo za izparevanje vode v plitvi posodi ali bazenu, ki se nato kondenzira na poševnem steklenem pokrovu. Pri membranski destilaciji segrevamo slano vodo, da povečamo proizvodnjo pare, ki je obdana z membrano, katera ne prepušča tekoče vode temveč samo paro. Zamrzovanje je proces, v katerem zamrznemo slano vodo pod kontroliranimi pogoji. Sladka voda v obliki ledu se loči od slanice (Committee to Review the Desalination and Water Purification Technology Roadmap, National Research Council, 2004) Večfazna ravnotežna destilacija MSF (Multi Stage Flash) MSF je daleč najbolj robusten od vseh sistemov razsoljevanja in ima sposobnost ustvarjanja največjih količin produkta po enoti (do m 3 /dan). MSF enote so zelo razširjene v arabskem svetu (predvsem Saudska Arabija, Zdruţeni Arabski Emirati in Kuvajt) in proizvedejo več kot 40 % svetovne razsoljene vode. Sestavljen je iz serije komor oziroma stopenj (do 40), vsaka z zaporedoma niţjo temperaturo in tlakom, da hitreje upari vodo (»flash«). Para se nato kondenzira na ceveh napajalne slane vode, s tem napajalno vodo segreva z energijo od kondenzacijske toplote (slika 4). To je glavna prednost tega procesa, saj slanica ni v neposrednem stiku s površinami ogrevanih cevi. Pri ostalih destilacijskih postopkih so zunanje površine cevi v neposrednem stiku s slanico, para pa se pretaka znotraj cevi. Zmogljivost takšnih sestavov se sčasoma zmanjšuje, saj se na zunanjih stenah nabirajo obloge, ki zmanjšujejo toplotno prevodnost. Delovna temperatura MSF procesa se giblje okoli 110 C. Večina stopenj deluje pod temperaturo 100 C v območju vakuuma. Število stopenj je direktno povezano s tem, kako učinkovito bo sistem izrabil toploto, s katero je oskrbljen (El-Dessouky in Ettouney, 2002). Slika 5 prikazuje MSF obrat iz Abu Dhabija, Zdruţeni arabski emirati. O 8

21 Slika 4: Princip delovanja MSF procesa ( =30&page=1&ix=7447) Slika 5: MSF naprava, 345,600 m 3 /d (6 enot 57,600 m 3 /d vsaka), obratuje v Taweelah B, Abu Dhabi, United Arab Emirates ( hermal%20seawater%20desalination.htm) O 9

22 3.2.2 Večstopenjska destilacija MED (Multi Effect Distillation) MED se ni obnesel kot MSF zaradi oblog, ki nastajajo na ceveh. Njegova dobra lastnost v primerjavi z MSF je manjša poraba energije. V novejših obratih so omejili teţave z oblogami. Novejši MED proces ima več prednosti, ki povečujejo njegovo uporabo po svetu. V MED procesu se destilacija odvija v nizu komor (»efektov«), ki delujejo pri progresivno niţjih tlakih. Medtem, ko je slana voda razpršena po snopu cevi izmenjevalca toplote, se para, ki potuje znotraj cevi kondenzira v sladko vodo. Slana voda se na zunanjih stenah upari, para pa se prenese v snop naslednje komore. Postopek se ponavlja skozi obrat, sladka voda pa se zbira in izloča iz vsake komore. Proizvedena para v tem procesu vsebuje kapljice slanice, katere so izločene ob prehodu skozi demister, ki se nahaja v komori. Del proizvedene pare se v zadnji komori prenese na ejektor. Ejektor uporabi tlak dovedene pare za reciklaţo preostale toplote iz zadnje komore. S povečanjem tlaka te pare, se lahko uporabi kot ogrevalni medij v prvi komori (slika 6). Uporaba ejektokompresorjev izboljša energijski izkoristek MED obrata z uporabo kinetične (tlačne) energije pare za reciklaţo entalpije pare z niţjim tlakom znotraj procesa. MED porabi pribliţno 1/3 električne energije kot enako zmogljiv MSF sistem in obratuje pri niţjih temperaturah (65 C proti 110 C). Niţja obratovalna temperatura zmanjša obratovalne teţave, ki povzročajo obloge in korozijo. Zahteve za sesalni sistem so lahko tudi do 50 % manjše kot pri MSF obratu enake zmogljivosti. Do nedavnega je velikost MED enot bila omejena na majhne in srednje velike obrate. Nove naprave so pokazale ekonomske prednosti velikih MED obratov (slika 7), ki proizvajajo do m 3 sladke vode na dan (Pankratz, 2005). O 10

23 Slika 6: Princip delovanja MED procesa ( Slika 7: MED obrat O 11

24 3.2.3 Kompresija hlapov VC (Vapor Compression) VC tehnologija uporablja mehansko energijo (npr. elektromotorja) za pogon tlačne turbine. V tem primeru govorimo o mehanski VC (MVC); termični VC (TVC) uporablja parni ejektor. Na sliki 8 in 9 je prikazano delovanje MVC procesa. Turbina se napaja s paro iz destilacijske komore ter jo stisne (komprimira), kar povzroči povišanje temperature izpuščene pare. Para se nato prenese v toplotni izmenjevalnik (predgrelnik), kjer se utekočini v sladko vodo. Toplota, oddana med kondenzacijo, se prenese na slano vodo ter prispeva k proizvajanju dodatne pare. VC procesi se uporabljajo za majhne ter srednje enote. MVC enote so ponavadi grajene iz ene stopnje s kapaciteto do m 3 /dan, TVC enote pa iz več stopenj, ki proizvedejo do m 3 /dan. Razlika je v tem, da se pri MVC sistemih poraba energije glede na število stopenj sešteva, pri TVC sistemih pa se z dodajanjem stopenj izboljšuje termični izkoristek. Z dodajanjem stopenj MVC sistemu tako povečujemo le kapaciteto (KHCK, Energy&water-treatment/desalination.pdf, ). O 12

25 Slika 8: Princip delovanja MVC procesa Slika 9: Primer MVC naprave ( O 13

26 3.3 Membranski procesi Najbolj razširjena membranska procesa sta reverzna osmoza (RO) ter elektrodializa (ED). RO je tlačno, ED pa električno voden proces. Membranska tehnologija se ne uporablja le za razsoljevanje morske ter brakične vode temveč tudi pri recikliranju odpadnih vod zaradi sposobnosti odstranjevanja organskih onesnaţeval, bakterij, virusov, itd. Kvaliteta pridobljene vode se giblje pod 500 mg/l TDS (Committee on Advancing Desalination Technoloogy, National Research Council, 2008). Uporaba membranskih procesov za razsoljevanje narašča, predvsem zaradi upadanja stroškov pri procesih RO. Če bomo upoštevali izboljšave membranskih procesov, razvoj materialov in učinkovito rabo energije, bo mogoče dodatno prihraniti na stroških. Raziskave so potrebne za razvoj senzorjev, ki določajo celovitost membran in odkrivanja patogenov ter ostalih bioloških onesnaţevalcev. Razvoj elementov in sistemov odpornih na mašenje, primerne indikatorje obraščanja, izboljšane zasnove membranskih vloţkov, lahko vodijo k zmanjševanju operativnih stroškov. Znatne prihranke lahko doseţemo tudi preko razvoja pred- in nadaljno obdelovalnih sistemov, s katerimi si se zmanjšala poraba kemikalij (Committee to Review the Desalination and Water Purification Technology roadmap, National Research Council, 2004). Membrane so narejene iz polimernih materialov. Na začetku so uporabljali celulozni triacetat, kasneje pa so razvili poliamide in polisulfone, ki se danes preteţno uporabljajo. To so pol-prepustne membrane, s katerimi selektivno določimo prehod ionov. Sestavljene so iz plasti ali tankega filma kompozitov. Debelina posamezne membrane je pribliţno 0,05 mm. Tabela 2 prikazuje štiri glavne kategorije membranskih sistemov. Številni membranski sestavi obstajajo znotraj vsake kategorije. Mikrofiltracija in ultrafiltracija se uporabljata pri predobdelavi napajalne vode (Public Health and the Environment, World Health Organization, 2007). O 14

27 Tabela 2: Membranski sistemi Membranski proces Velikost pore Področje tlaka (bar) Mikrofiltracija MF Makropore: več kot 50 nm 0,1-2,0 Ultrafiltracija UF Mezopore: 2-50 nm 1,0-5,0 Nanofiltracija NF Mikropore: pod 2 nm 5,0-20 Reverzna osmoza RO ~ 0,2 nm Reverzna (obratna) osmoza RO (Reverse Osmosis) Osmoza je naravni proces, pri katerem topilo iz raztopine z niţjo koncentracijo topljenca preko polprepustne membrane preide v raztopino z višjo koncentracijo topljenca. Proces se odvija dokler se ne vzpostavi osmotsko ravnovesje. Prehod čistega topila omogoči osmotski tlak (π). Z delovanjem tlaka, večjega od osmotskega v nasprotni smeri, lahko obrnemo naravni proces osmoze. Temu pravimo reverzna osmoza. Slika 10 prikazuje osnovni princip osmoze, osmotskega ravnoteţja in reverzne osmoze na primeru vode in slane vode, ki ju loči polprepustna membrana. Slika 10: Osnovni principi osmoze, osmotskega ravnotežja in reverzne osmoze Postopek reverzne osmoze uporablja polprepustne membrane in gonilno silo hidravljičnega tlaka v območju od 10 do 83 bar, za odstranitev raztopljenih trdih O 15

28 snovi iz morske oziroma brakične vode. Nekatere membrane zadrţijo 99 % vseh snovi z molekulsko maso od sto naprej (Committee on Advancing Desalination Technology, National Research Council, 2008). Slika 11 predstavlja shemo osnovnega postopka RO, ki je sestavljen iz faze predpriprave, kjer se iz napajalne slane vode odstranijo nečistoče, ki bi lahko zamašile membrano. Prefiltrirana voda priteče v visokotlačno črpalko, katera ustvari potreben tlak, da se izvede proces reverzne osmoze. Skozi membrano se napajalna voda loči na sladko vodo, ki gre v nadaljnjo obdelavo, preostali del pa je odpadna slanica. Nadaljnja obdelava zajema odstranjevanje raztopljenih plinov (npr. CO 2 ) in uravnavanje ph vrednosti. Kakovost končnega produkta se giblje med 10 in 500 TDS (Public Health and the Environment, World Health Organization, 2007). Iz slike 12 je razviden niz medsebojno povezanih RO modulov, med tem ko je na sliki 13 le en segment RO obrata, ki lahko deluje tudi samostojno. Slika 11: Shema postopka razsoljevanja z reverzno osmozo ( O 16

29 Slika 12: RO naprava ( Slika 13: RO naprava ( O 17

30 3.3.2 Elektrodializa ED (Electrodialysis) in reverzna elektrodializa EDR (Electrodialysis Reversal) Procesa ED in EDR uporabljata ionsko-selektivne membrane ter električni potencial za ločevanje ionskih snovi od vode. Raztopina se vodi skozi kationske in anionske specifične membrane, debeline 0,2-0,5 mm. Komercialne sisteme sestavlja parov ali celic. Ena celica je sestavljena iz anionske in kationske membrane. EDR postopek je podoben ED postopku, razlika je v tem, da EDR periodično spreminja polariteto (15-30 minut), kar pripomore k zmanjševanju nastajanja oblog in mašenja membran. ED predstavlja okoli 5 % svetovnih kapacitet razsoljevanja. Preteţno se uporablja za razsoljevanje brakične vode, saj se stroški pri tem procesu naglo povečujejo z naraščanjem TDS-ja. Z RO postopkom je stroškovno primerljiv pri TDS-ju do mg/l. Optimalna obratovalna temperatura sistema se giblje pod 43 C. Tako kot pri ostalih membranskih procesih je potrebna predpriprava vode, kjer se odstranijo neraztopljene trde snovi ter CO 2. Prednost ED membran je odpornost na klor, kar je njihova prednost pri obdelavi napajalne vode z večjo koncentracijo organskih snovi, ki povzročajo teţave RO procesu (primer: reciklaţa odpadnih vod). Ţal pa za razliko od RO in termičnih procesov, lahko ED odstrani le ionske komponente iz vode (Committee on Advancing Desalination Technology, National Research Council, 2008). Na sliki 14 je shematsko predstavljen princip delovanja ED, na sliki 15 pa je vidnih več zaporedno vezanih ER modulov, ki se uporabljajo v večjih obratih. O 18

31 Slika 14: Princip delovanja ED (Miller, 2003) Slika 15: Primer ED modulov ( odialysis_bipolar.jsp) O 19

32 3.4 Obdelava vode Pred-obdelava Postopek pred-obdelave vode izboljša kvaliteto napajalne vode za zagotavljanje doslednih zmogljivosti in ţeleno količino produkta, pridobljenega iz procesa razsoljevanja. Stopnja in vrsta pred-obdelave je odvisna od vira in kvalitete napajalne vode ter izbranega procesa za razsoljevanje. Za vodni vir nizke kvalitete predstavlja faza pred-obdelave znaten del stroškov. Pred-obdelava vključuje filtracijo in kemično obdelavo, ki je namenjena odstranjevanju neraztopljenih snovi (mulj, organske snovi, alge, itd.) in olja ter masti, ki se nahajajo v napajalni vodi. Pri termičnem postopku razsoljevanja pred-obdelava vode zaščiti cevi in opremo pred korozijo ter kopičenjem odvečnih trdih delcev na površinah (npr. vodni kamen) Nadaljnja obdelava V razsoljeni vodi, proizvedeni neposredno iz termičnega ali membranskega procesa, je malo raztopljenih trdnih delcev, kjer se pozna nizka trdota vode ter alkalnost vode. Brez primerne nadaljnje obdelave bi ta voda bila korozivna do cevovodov, vključno do kovin in betona. S tem bi se skrajšala ţivljenjska doba vodne napeljave in bi se v vodo vpeljale kovine. Sedanja tehnologija omogoča dodajanje kemikalij kot so kalcijev hidroksid za povečanje trdnosti in alkalnosti ter natrijev hidroksid za uravnavanje ph vrednosti (Public Health and the Environment, World Health Organization, 2007). O 20

33 4 Okoljski vidik Glavne skrbi za okolje iz vidika aktivnosti razsoljevanja povzročajo emisije toplogrednih plinov, onesnaţeval zraka (NO x, SO x ), izpusti koncentrata slanice in kemikalij v morje ter uporaba velikih količin morske vode za hladilne in napajalne namene. Infrastruktura, ki leţi ob obali, vpliva na habitate v njeni bliţini. Membranski obrati zasedajo manjše površine od termičnih. Največja ekološka skrb, vezana na energijsko porabo, pa so emisije in onesnaţevala zraka. Kvaliteta zraka je lahko pod vplivom toplogrednih plinov (preteţno CO 2 ), plinov, ki povzročajo kisli deţ (NO x, SO x ), drobnih trdnih delcev in ostalih onesnaţeval, ki jih proizvedejo fosilna goriva za proizvajanje elektrike in pare. Zaskrbljenost se lahko pojavi tudi pri indirektnih vplivih, kot so potrebe po hladilni vodi ali povečana nevarnost nesreč pri prevozu goriv. 4.1 Energijska poraba Razsoljevanje morske vode porabi ogromne količine energije direktno v obliki pare (destilacijski procesi) ali indirektno preko elektrike uporabljene iz električnega omreţja. Električna dobava je posledično pomemben dejavnik pri planiranju novih objektov. Pri načrtovanju je treba upoštevati celotno energijo, potrebno za postopek razsoljevanja ter relativno porabo, ki je vezana na kvaliteto vodnega vira. Kot primeri energijske porabe na lokalni, regionalni ter nacionalni ravni so navedeni: - Na Kanarskih otokih razsoljevanje predstavlja 14 % celotne energijske porabe. - SWRO obrat v Carbonerasu (kapaciteta m 3 /dan) na obali Španije porabi eno tretjino regionalne električne energije. - Španski Agua program naj bi povečal kapaciteto na španski obali iz 1,1 Mm 3 /dan (2005) na 2,7 Mm 3 /dan (2010). To zahteva dodatnih 11 GWh/dan električne energije pri porabi 4 kwh/m 3 razsoljene vode. Pri»Spanish National O 21

34 Hydrological Planu«pravijo, da to pomeni povečanje na nacionalni ravni za 1,4 % (805 GWh/dan oz 294 TWh v letu 2005). Pri tem se proizvede dodatnih 5475 t/dan izpustov CO 2. Leta 2004 je Španija proizvedla 326 milijonov ton izpustov CO 2. - V Kuvajtu proizvedejo 443 Mm 3 razsoljene vode (90 % nacionalne oskrbe z vodo) in 42,257 GWh električne energije letno, pri čemer porabijo 54 % celotnih zalog goriva. Okoli 10 % zalog goriva, in s tem tudi emisij, je dodeljeno razsoljevanju vode, 43 % pa proizvodnji elektrike. Preteţno se uporablja teţka olja (78 %) in surovo nafto (20 %), kar ustvarja znatno onesnaţevanje zraka: - 7 milijonov ton CO 2, 0,13 ton SO 2 ter 0,02 ton NO x na leto za proizvodnjo vode, - 30 milijonov ton CO 2, 0,54 ton SO 2 ter 0,06 ton NO x na leto za proizvodnjo elektrike. - Obrat za razsoljevanje v Sydneyu, ki je imel prvotno kapaciteto m 3 /dan se bo nadgradil na m 3 /dan, kar bo povzročilo povišanje porabe električne energije za 1,2 % na območju New South Walesa. SWRO obrat v Perthu (Z Avstralija) porabi 0,67 % regionalne električne energije (3574 MW) v primerjavi s 30 % porabo za klimatske naprave. Oba projekta kompenzirata potrebo električne energije iz obnovljivih virov (Latterman, 2010). 4.2 Ekonomski vidik Stroški razsoljevanja vode se razlikujejo glede na drţavo, oskrbo, povpraševanje in tehnologijo. Cena pitne vode je skozi zgodovino padala obratno sorazmerno z nameščenimi zmogljivostmi, ki so vsako leto naraščale. Vzroki so v izboljšani zasnovi in tehnologiji. Po podatkih znašajo povprečni investicijski stroški, potrebni za organizacijo, nabavo ter izgradnjo MSF obrata $ za 1 m 3 /dan zmogljivosti. Investicijski stroški za MED so v povprečju 916 $ ter 641 $ za RO obrate za 1 m 3 /dan zmogljivosti. Povprečni proizvodni stroški se gibljejo med 0,45-0,60 $/m 3. V ceno so vključeni nadomestni deli in membrane, kemikalije za predpripravo napajalne vode, čiščenje naprav, nadaljnja obdelava pridobljene vode, stroški dela ter najpomembnejši dejavnik poraba energije. O 22

35 Destilacijski obrati se zaradi potreb po velikih količinah toplotne energije gradijo v kombinaciji z energetskimi obrati (npr. elektrarnami), pri čemer koristijo odpadno toploto potrebno za hladilne namene turbin. S tem se poveča izkoristek celotnega obrata. Tabela 3 opisuje porabo električne in toplotne energije po procesih. Opredeljen je tudi glavni vir energije, ki ga uporablja določen proces in delovna temperatura. Energijske potrebe RO obrata so odvisne od zasnove procesa in uporabljene opreme. Uporaba nizkoenergijskih membran, frekvenčno variabilnih črpalk ter tlačnih izmenjevalcev lahko bistveno zmanjša energijsko porabo obrata. Starejše izvedbe brez energijsko varčnih naprav porabijo okoli 5 kwh/m 3, moderne pa porabijo 3-4 kwh/m 3. Pomemben dejavnik je tudi količina TDS-ja v napajalni vodi (Latterman, 2010). Tabela 3: Energijska poraba po procesih (Latterman, 2010) Delovna temperatura Glavni vir energije Poraba toplotne energije Poraba električne energije RO MSF MED Pod 45 C Pod 120 C Pod 70 C Električna Para (toplota) Para (toplota) energija / MJ/m MJ/m 3 2,5-7 kwh/m kwh/m 3 1,5-2,5 kwh/m 3 O 23

36 5 Razsoljevanje z obnovljivimi viri energije Najbolj razširjene tehnologije napajanja sistemov za razsoljevanje iz obnovljivih virov energije so fotovoltaika (FV), vetrna in sončna toplotna energija, katere proizvedejo pribliţno 0,02 % celotne svetovne proizvodnje razsoljene vode. Na sliki 16 je prikazan deleţ uporabe obnovljivih virov v kombinaciji z različnimi sistemi razsoljevanja v Evropi. FV-RO ima največji razvojni potencial med vsemi tehnologijami, predvsem za razsoljevanje brakične vode v oddaljenih krajih, kjer je dostop do vode oteţen ali nemogoč. Za razliko od vetrne energije nam FV nudi bolj konstantno dobavo, kar ima velik vpliv na ţivljenjsko dobo membran, katere trpijo nihanja obremenitev (Latterman, Kennedy, Schippers in Amy, 2010). DELEŽ RAZSOLJEVANJA - OBNOVLJIVI VIRI HIBRID 4% FV RO 32% OSTALO 15% VETER RO 19% VETER MVC 5% SONCE MED 13% SONCE MSF 6% FV ED 6% Slika 16: Delež razsoljevanja z obnovljivimi viri energije v Evropi (Latterman, Kennedy, Schippers in Amy, 2010) Sončne tehnologije so posebno zanimive za napajanje naprav za razsoljevanje, saj je proizvodnja energije največja v poletnih mesecih, kar se dobro pokriva s povečanim povpraševanjem po vodi. S pomočjo sonca lahko proizvajamo toplotno energijo, katero koristimo pri destilacijskih postopkih ali električno energijo, potrebno za vodenje membranskih postopkov. Razsoljevanje s pomočjo sončne energije lahko izvajamo direktno ali indirektno. Pri direktni metodi se pridobljena energija koristi direktno v napravi za razsoljevanje, pri indirektni O 24

37 metodi pa se energija shranjuje (npr. v baterijah) in nato vodi postopek razsoljevanja. Izbira primernega postopka je odvisna od velikosti obrata, slanosti napajalne vode, stroškov, dostopnosti, itd. Če v sistem vključimo sklop baterij, lahko proizvajamo vodo 24 ur na dan, njegova velikost pa je štiri krat večja kot v primeru neuporabe baterij. Znatno se povečajo tudi investicijski stroški. Svinčene baterije se v povprečju menjujejo na dve leti. Sistemi, ki uporabljajo sončno toplotno energijo za razsoljevanje so MSF, MED, ter membranska destilacija MD (Membran Distillation), katera ima tudi zelo velik potencial za nadaljni razvoj (Rizzuti, Ettouney in Cipollina, 2007). Princip delovanja solarne razsoljevalne naprave je predstavljen na sliki 17. O 25

38 Slika 17: Princip delovanja solarne razsoljevalne naprave ( O 26

39 6 Eksperimentalni del V eksperimentalnem delu smo poskusili pripraviti poenostavljen princip delovanja dveh največkrat uporabljenih načinov razsoljevanje morske vode, termičnega procesa z MSF napravo in membranskega procesa z RO napravo. Pri sami izvedbi eksperimentov smo naleteli na kar precej teţav in omejitev, ki so odločilno vplivale na rezultate eksperimentiranja oziroma na samo izvedbo eksperimenta. Zaradi predrage investicije v nakup reverzno osmozne aparature nismo mogli eksperimentalno prikazati principa delovanja reverzno osmozne naprave, ki spada v sklop membranskih naprav. Naš glavni namen je bil, kako na čim bolj preprost način otrokom predstaviti procese razsoljevanja vode, ki se najpogosteje uporabljajo in pripraviti nekaj eksperimentalnih nalog za učence. Pripravili smo 3 naloge za učence in jih atraktivno poimenovali, saj s tem še bolj pritegnemo pozornost učencev. Eksperimente smo poimenovali: - Eksperiment 1 -»Moja razsoljevalna naprava«, - Eksperiment 2»Ledena gora«, - Eksperiment 3»Samotni otok«. Eksperiment 1 -»Moja razsoljevalna naprava«, nosi takšno ime, ker si učenci, s pomočjo učitelja, sami pripravijo in sestavijo razsoljevalno napravo, ki deluje po principu delovanja MSF naprav. Eksperiment 2»Ledena gora«, je dobil to atraktivno ime zaradi večjega vzbujanja pozornosti, saj se vsak učenec najprej spomni na ledene gore v morju. Naš namen je bil pripraviti»ledeno goro«, preveriti kako se sol izloča z zamrzovanjem in če so opazne kakšne razlike v ledu, pri različnih koncentracijah morske vode. Slika 26 prikazuje ledeno goro in ima motivacijsko vlogo. Eksperiment 3»Samotni otok«, nas postavi v situacijo, v kateri je potrebno uporabiti znanje in improvizacijske sposobnosti ter preţiveti v naravi, v slučaju, da se izgubimo v kakšni puščavi, doţivimo brodolom ali ostanemo brez pitne vode. O 27

40 Za eksperiment 1»Moja razsoljevalna naprava«smo posneli tudi kratek videoposnetek delujoče aparature, ki smo jo sestavili (slika 18). Pri samem sestavljanju aparature smo naleteli na veliko teţav, saj je potrebno veliko prostora, začetek aparature pa mora biti na veliki višini, kar je za šolsko eksperimentiranje lahko zelo nevarno. Prav tako ni priporočljivo, da bi učenci sami sestavljali aparaturo, ampak le skupaj z učiteljem. Vsekakor pa je potrebno učence vključiti v sam proces sestavljanja aparature ţe na samem začetku, ko moramo iz sheme z razpoloţljivim materialom pripraviti pribliţek MSF naprave. Pri samem sestavljanju je potrebno biti previden na vsakem koraku, saj se lahko hitro odlomi kakšen stekleni del na Cleisenovem nastavku ali hladilniku. Prav tako moramo biti izjemno previdni pri namestitvi bučk. Slika 18: Eksperiment 1 Moja razsoljevalna naprava O 28

41 6.1 Eksperiment 1 Moja razsoljevalna naprava Poskusi pripraviti pribliţek sistema po spodnji shemi (slika 19). V večji bučki (250mL) segrevaj morsko vodo do pare, nato jo preko hladilnika ohladi in vodi v manjšo bučko (125mL), kjer jo spet segrej do pare, preko hladilnika ohladi in vodi v še manjšo bučko, kjer jo ponovno segrej do pare in nato preko hladilnika ohladi. Dobljenemu produktu izmeri slanost tako, da upari in stehtaj produkt. Za pripravo morske vode uporabite 5 g morske soli na 100 ml vode. Prav tako pripravi morsko vodo s koncentracijo 20 %. Steklovina, potrebščine: Bučka/erlenmajerica: 250 ml, 150 ml 2x, 75 ml, večja čaša/posoda z iztokom vode spodaj; termometer 3x, hladilnik 3x, grelec/mešalec 3x, stojala 6x, sol, voda, gumijaste cevi, pipeta 2 ml, ţarilni lonček 2x, zamaški za bučke, oljna kopel 3x, Cleisenovi nastavki in podaljški za povezovanje hladilnikov v celoten sistem. Potek dela: Pripravi 5 % in 20 % koncentracijo slane vode. Skupaj z učiteljem pripravi svojo razsoljevalno napravo. Pri sestavljanju moraš biti izjemno previden. Ko imaš sestavljeno celotno aparaturo, moraš zatesniti celoten sistem. V prvo bučko nalij slano vodo, vklopi oljno kopel, vključi hladilnik in spremljaj temperaturo oljne kopeli in vrelišča vode v bučki. Sam potek destilacije je dolgotrajen, saj se večina vodne pare kondenzira v Cleisenovem nastavku in kaplja nazaj v bučko, le del hlapov preide naprej do hladilnika in steče v naslednjo fazo, kjer pa je potrebno cel postopek destilacije ponoviti. Preden produkt naliješ v ţarilni lonček, le-tega stehtaj. Dobljen produkt upari in stehtaj preostanek soli. O 29

42 Slika 19: Shematski prikaz delovanja MSF naprav Rezultati: Pri izvedbi eksperimenta smo uporabili dve različni koncentraciji slane vode: 5 % in 20 %. Če je moţno, je najbolje uporabiti pravo morsko vodo. Prvi rezultati so pokazali, da se v sistemu, ki smo ga pripravili, ţe v prvi fazi voda povsem razsoli in da ni bilo niti sledu soli v produktu, ki smo ga dobili ob destilaciji 5 % in 20 % koncentracije slane vode. To bi lahko bila posledica nepretočnosti sistema, saj ni bilo moţno pripraviti povsem pretočnega sistema ter tako še bolj pribliţati aparaturo dejanski napravi ter zaradi kondenziranja vodnih hlapov na vrhu samega Cleisenovega nastavka in kapljanja nazaj v bučko. Ko smo produkt uparili, se ţe takoj opazi, da ni prisotne soli. To je potrdilo tudi tehtanje ţarilnega lončka. Slike 20, 21 in 22 prikazujejo sestavo»moje razsoljevalne aparature«po fazah. Na slikah 23, 24 in 25 pa vidimo potek destilacije v prvi fazi, kondenzacijo v Cleisenovem nastavku in odvzem vzorca, ki ga je potrebno upariti in stehtati. O 30

43 Slika 20: Razsoljevalna naprava, sestavljena v laboratoriju 1. in 2. faza Slika 21: Razsoljevalna naprava, sestavljena v laboratoriju 3. faza O 31

44 Slika 22: Razsoljevalna naprava, sestavljena v laboratoriju sestava priklopa vmesne faze Slika 23: Razsoljevalna naprava, sestavljena v laboratoriju destilacija (1. faza izvedbe) O 32

45 Slika 24: Razsoljevalna naprava, sestavljena v laboratoriju kondenzacija v Cleisenovem nastavku Slika 25: Razsoljevalna naprava, sestavljena v laboratoriju odvzem vzorca po 1. fazi O 33

46 6.2 Eksperiment 2 Ledena gora Slika 26: Ledena gora ( Pripravi morsko vodo s koncentracijo 5 % (zmešajte 5 g soli/100 ml vode) in 10 % (10 g soli/100 ml vode), stehtaj čisti ţarilni lonček, 2 ml morske vode nakapljaj v ţarilni lonček in upari vodo. Nato ponovno stehtaj ţarilni lonček in sol, ki je ostala v njem. Tako si pripravi primerjalni vzorec in preveri ali je koncentracija soli prava. Morsko vodo nalij v vrečke za zamrzovanje in postavi v zamrzovalnik ter jo zamrzni. Pripravi si vsaj 2 različni koncentraciji»ledene gore«. Ko voda zmrzne, vrečke vzemi iz zamrzovalnika in dobro preglej ledene kocke. Kaj opaziš? Ledene kocke poloţi v čašo, da se raztopijo, odmeri 2 ml vode, jo upari v ţarilnem lončku, ki si ga predhodno stehtal čistega in ponovno stehtaj. Kaj opaziš? Poloţi ledeno goro v morsko vodo in opazuj, kaj se dogaja. Ali je gora potonila, ali plava? Kako globoko se je potopila? Steklovina, potrebščine: Čaša 250 ml 2x, pipeta 2 ml, ţarilni lonček 2x, plastična vrečka za zamrzovanje. O 34

47 Potek dela: Preprost eksperiment, ki ga lahko pripravi vsak učenec. Najprej pripravi različne koncentracije slane vode in si pripravi testni oziroma primerjalni vzorec. Nato nalij pripravljeno»morsko«vodo v vrečke za zamrzovanje. Ko kocke zamrznejo, jih vzemi iz zamrzovalnika in dobro opazuj kocke, ki zaradi različne koncentracije niso enakega videza. Preden se kocke odtalijo prereţi vsaj eno kocko vsake koncentracije in preveri notranjost kocke. Lahko jo tudi poskusiš in narahlo prisloniš jezik, da okusiš razliko v slanosti. Nato odtali kocke in preveri slanost z odvzemom 2 ml vzorca, ki ga upariš v ţarilnem lončku in produkt, ki je ostal stehtaš. Slika 27: "Ledena gora" 10 % koncentracija O 35

48 Slika 28: "Ledena gora" 5 % koncentracija Rezultati: Ţe po videzu takoj opazimo, da so kocke pri 10 % koncentraciji bolj bele kot kocke pri 5 %, kar je razvidno iz slike 27 in 28, saj se je več soli izločilo na rob kocke. To je bilo lepo vidno tudi pri preseku kocke. Prav tako pa se tudi okusi, da je notranjost manj slana kot zunanjost. Opazili smo še, da so kocke z višjo koncentracijo bile mehkejše kot kocke z niţjo koncentracijo. Ko se kocke raztapljajo, plavajo potopljene nekje na 3/4 v vodo, 1/4 pa jih gleda iz vode. O 36

49 6.3 Eksperiment 3 Samotni otok Znajdeš se na samotnem otoku, kjer ni pitne vode. Okoli tebe je morje in iz morske vode si si primoran s preprostim eksperimentom, pomočjo sonca in vsega uporabnega kar najdeš v bliţini, sam pridobiti pitno vodo. Steklovina, potrebščine: Večja posoda, manjša posoda, plastična folija, manjši kamen, gumica, kot je prikazano na sliki 29. Slika 29: "Samotni otok" potrebščine za domačo izvedbo eksperimenta Potek dela: Vzemi dve različno veliki posodi, v veliko posodo nalij morsko vodo, malo posodico nato poloţi v večjo, na sredino (slika 30). Mala posodica ne sme plavati! Manjša posodica ne sme segati čez rob večje. Prekrij večjo posodo s plastično folijo in jo na sredini rahlo obteţi. Pazi, da se ne pogrezne v manjšo posodico in da se ne raztrga plastična folija. Posodo postavi na sonce kot prikazuje slika 31. Voda se bo na foliji kondenzirala in počasi kapljala v manjšo posodico (slika 32). O 37

50 Ko se morska voda skondenzira toliko, da je v manjši posodici dovolj vode, odstrani folijo, poglej v manjšo posodico in poskusi vodo, ki se je nabrala v njej (slika 33) ter jo upari (slika 34). Slika 30: "Samotni otok" priprava "razsoljevalne naprave" Rezultati: Eksperiment ni zahteven in ga lahko izvede vsak učenec, tudi doma. Za dosego rezultata potrebujemo lepo, sončno vreme in nekaj dni potrpeţljivosti, saj se vodni hlapi počasi dvigujejo, ker ni dodatnega segrevanja. Zelo pomembno je, da je obteţitev na sredini manjše posode in da skondenzirana voda kaplja v malo posodico in ne zraven. Ko se v mali posodici nabere dovolj vode, da opravimo preizkus slanosti,»razsoljevalno napravo«odpremo in vodo, ki se je v mali posodici nabrala prelijemo v posodo, v kateri jo bomo lahko uparili. Vodo iz male posodice lahko tudi poskusimo z jezikom in takoj smo ugotovili, da je ta voda brez soli, kar je pokazalo tudi uparjevanje, saj ni ostalo niti sledu po soli. O 38

51 Slika 31: "Samotni otok" sonce in obtežitev Slika 32: "Samotni otok" kondenzacija O 39

52 Slika 33: "Samotni otok" "voda odrešitve" Slika 34: "Samotni otok" domače uparjevanje O 40

53 7 Zaključek MFS in RO obrati prevladujejo v razsoljevalnih procesih. Razsoljevanje vode zaradi vedno večjih potreb po pitni vodi eksponentno narašča. Obenem se premalo zavedamo, kakšne posledice pušča onesnaţevanje, ki ga s sabo prinaša razsoljevanje. Odpadne vode največ negativnih posledic puščajo na področjih koralnih grebenov. Za drţave arabskega sveta je to glavni vir pitne vode, tako da se marsikje ne ozirajo na posledice onesnaţevanja. Vsaka od tehnologij ima svoje prednosti in slabosti. Pri membranskih procesih je koncentracija soli v napajalni vodi eden od ključnih dejavnikov, ki določa, katero tehnologijo izbrati. Termični procesi so manj občutljivi na koncentracijo soli v vodi in dajejo čistejši produkt. Prav tako so manj potratni in se pojavljajo v kombinaciji z elektrarnami, kjer izkoriščajo njihovo odpadno toploto, ki nastane pri hlajenju turbin. Pred določanjem tehnologije za razsoljevanje je vsekakor potrebno preveriti vse okoliščine v katerih bo stal obrat (vodni vir, energijski vir, namen uporabe pridobljene vode, itd.). Novejša tehnologija na tem področju ima izredni potencial, saj strmi k zmanjšanju porabe energije, obnovljivih virih energije in k čim manjšemu vplivu na okolje, kot tudi k zmanjševanju onesnaţevanja s toplogrednimi plini ter uporabo kemikalij znotraj procesov. Rešitve so predvsem v novih materialih membran, ki so odpornejše na klor, zasnovah procesov, poenostavitvah sistemov predpriprave in seveda zmanjševanju stroškov, kar pripelje tudi do cenejše vode za uporabnike. V zadnjem času se za najbolj perspektivno tehnologijo pokazala membranska destilacija (MD), ki se vedno bolj razvija, saj zajema lastnosti termičnih in membranskih tehnologij ter je dober kompromis med energetskimi in okoljskimi potrebami. Čez čas pa se bo pokazalo, katera od teh tehnologij se bodo obnesle na trgu, tako stroškovno, energetsko in okoljevarstveno. Pri pripravi eksperimentov se je pokazalo, da je zelo teţko, iz sheme naprav v laboratoriju, sestaviti podoben princip delovanja z obstoječo steklovino. Pri sestavljanju razsoljevalne naprave je potrebno veliko prostora in spretnosti. Eksperimenti, ki smo jih pripravili, so namenjeni laţjemu razumevanju procesov O 41

54 razsoljevanja, hkrati pa učence še bolj pritegnejo v to področje, kot sama teoretična osnova in ogled slik. Eksperiment 3»Samotni otok«se lahko izvede tudi doma. Poznavanje principa delovanja tega eksperimenta nam lahko v zahtevnih okoliščinah reši ţivljenje. V Sloveniji imamo zadostno količino naravnih vodnih virov in takšnih naprav pri nas še ni. Se pa pojavljajo govorice in teţnje po tem, da bi se vsaj v kmetijstvu, predvsem v sušnih mesecih, lahko izkoristilo tudi takšne moţnosti pridobivanja pitne vode oz bi to vodo uporabiti za namakanje polj. Vendar se vse začne in konča pri stroških, saj bi bila rentabilnost takšnih naprav zalo vprašljiva. Potreba po razsoljevalnih napravah pa je zgolj v sušnih mesecih. O 42

55 8 Literatura in viri 1. Commitee on Advancig Desalination Technology, National Research Council. (2008). Desalination: A National Perspective. Washington, D.C. Pridobljeno , iz: 2. Commitee to Review the Desalination and Water Purification Technology Roadmap, National Research Council. (2004). Review of the Desalination and Water Purifiction Technology Roadmap. Washington, D.C. : National Academy of Sciences. Pridobljeno , iz: 3. El-Dessouky, H.T. in Ettouney, H.M. (2002). Fundamentals of Salt Water Desalination. Amsterdam, Nizozemska: Elsevier Science B.V. Pridobljeno , iz: s_selected_pages&cad=3#v=onepage&q&f=false 4. Höpner, T. in Lattemann, S. (2008). Seawater desalination & the marine environment. Aquila, Italy : European Desalination Society intensive course. 5. KHCK, Kee Hing Cheung Kee Co., Ltd, Dltfz Chang Hing Kee Int'l Industry & Trade Co., Ltd. Desalination. Pridobljeno , iz: Energy&water-treatment/desalination.pdf 6. Lattemann, S. (2010). Development of an environmental impact assessment and decision support system for seawater desalination plants. Pridobljeno iz: 7. Miller, James E. (2003). Review of Water Resources and desalination technologies. Pridobljeno , iz: 8. Pankratz, T.M. (2005). Advances in desalination technology. Houston, ZDA: Inderscience Enterprises Ltd. O 43