Afsaltning af havvand

Havvandssaltning er produktion af drikkevand og procesvand til industrielle eller kraftværker af havvand ( saltvand ) ved at reducere saltindholdet . Afsaltning kan være baseret på forskellige processer, der fjerner salte og mineraler fra vandet. I nogle tilfælde resulterer dette i brugbare biprodukter såsom bordsalt .

Anvendelsesområder

I Mellemøsten er den energikrævende udvinding af drikke- og procesvand ved hjælp af fossile brændstoffer som tung olie eller naturgas udbredt. I de olierige Golfstater er afsaltning af havvand den vigtigste kilde til drikkevandsproduktion, men det tjener også til at skaffe drifts- eller kølevand til større kalorikraftværker placeret ved kysten . Et eksempel er Shoaiba -kraftværket , der fra 2014 er det største kraftværk i Saudi -Arabien . Det vand, der kræves til kølesystemerne, opnås ved hjælp af gas- eller oliefyrede afsaltningssystemer i umiddelbar nærhed af kraftværket; kombinerede gas- og dampkraftværker med et tilsluttet MST-afsaltningssystem bruges også. Forkortelsen MSF står for engelsk Multi Stage Flash Evaporation i betydningen af ​​multi-stage flash fordampning. Fra 2014 er verdens største havvandssaltningsanlæg Jabal Ali -kraftværket og afsaltningsanlægget for havvand i De Forenede Arabiske Emirater .

I enkelte tilfælde kan spildvarmen fra atomkraftværker også bruges til afsaltning af havvand. Et eksempel er det nedlagte Aqtau atomkraftværk , der genererede 150 MW elektrisk energi og 200 MW procesvarme til afsaltning af havvand fra Det Kaspiske Hav . På hangarskibe bruges spildvarmen fra atomreaktoren til afsaltning af havvand.

På De Kanariske Øer og den tyske ø Helgoland opnås drikkevand ved hjælp af processen med omvendt osmose . Mindre anvendelsesområder er også afsaltning af havvand på skibe og ubåde .

I alle tilfælde er det afsaltede vand ikke egnet til direkte brug som drikkevand. Desuden er sådanne saltfattige vand ætsende for jernholdige materialer, da der ikke kan dannes kalkbeskyttende lag. Den efterfølgende tilsætning af calciumhydrogencarbonat øger derfor carbonatthårdhedsindholdet i vandet igen. Calciumhydrogencarbonat fremstilles ved en reaktion af calciumhydroxid (kalkmælk) med kuldioxid (CO ₂ ). Den CO _{2, der} kræves hertil, opnås ofte ved forbrænding af naturgas .

Etablerede teknikker

Det følgende afsnit viser de sædvanlige processer i rækkefølge efter deres økonomiske betydning. Processen med multi-stage flash-fordampning (MSF) er mest udbredt og bruges i stor industriel skala. Ud over disse processer bruges solafvandingsafsaltningsprocesser også i mindre omfang .

Flerfaset fordampning

Flowdiagram over et tretrins ekspansionsfordampningsanlæg til afsaltning af havvand

Dette er en termisk proces med forkortelsen "MSF" ( engelsk Multi Stage Flash Evaporation ). Det er den mest almindeligt anvendte metode til afsaltning af havvand. Forløberen var multi-effekt-destillationen.

I denne proces opvarmes det leverede havvand til en temperatur på 115 ° C med spildvarmen fra et kalorikraftværk , i sjældne tilfælde også fra et atomkraftværk . Den i såkaldte Brine varmelegeme ( "saltopløsninger varmelegeme") opvarmet saltvand fordamper i efterfølgende ekspansion trin under vakuum , den vanddamp afspejles som en kondensat inden for disse stadier af fyldt med kølevæske rør og trækkes ud som en saltfri vand . Vandet, der i stigende grad beriges med salt på grund af fordampningsprocessen, kaldes også saltlage og afkøles i en nedstrøms varmeveksler til kondensvandstemperaturen (~ 40 ° C) af dampen fra det tilførte ferskvand. Det fungerer derefter som kølevæske i rørledningerne. Selve rørene rengøres løbende for krystalliserende salt med svampegummikugler . Endelig tilføres frisk saltvand til saltlage, og blandingen opvarmes igen af ​​spildvarmen fra gasturbinen. Hele processen repræsenterer således en lukket cyklus . Overskuddet af saltkoncentrationen i cyklussen returneres til havet.

Store anlæg, såsom Jabal Ali-kraftværket og afsaltningsanlæg til havvand , verdens største afsaltningsanlæg til havvand, afsaltes 2.135 millioner kubikmeter havvand hver dag. Normalt udvindes der op til 500.000 kubikmeter drikkevand fra havvandet hver dag med processen . Lignende mængder produceres også af de oliefyrede kraftværker i regionen .

Energiforbruget er 23-27 kWh / m ³ (ca. 90 MJ / m ³ ).

Omvendt osmose

Industrielt omvendt osmose -anlæg

Ved omvendt osmose presses opløsningen (havvand) under højt tryk gennem en semipermeabel membran fremstillet af polyamid , PTFE eller sulfonerede copolymerer med en porediameter på 0,5 til 5 nm for at overvinde det osmotiske tryk . Dette fungerer som et filter og lader kun visse ioner og molekyler komme igennem. En adskillelse af den oprindelige opløsning opnås således. Membranfilteret kan holde salte , bakterier , vira , et for meget kalk og toksiner som tungmetaller tilbage.

Det osmotiske tryk stiger med stigende saltkoncentration, så processen på et tidspunkt ville gå i stå. For at modvirke dette tømmes koncentratet væk. Da krystallisationen af ​​saltet eller mineralerne ( udfældning ) i membranerne skal forhindres, er brugen af ​​omvendt osmose kun fornuftig op til en vis maksimal koncentration af tilbagesvalingen. Afhængigt af saltkoncentrationen må der på grund af det høje tryk, selv i optimale systemer, forventes et energiforbrug på mellem 2 og 4 kWh pr. Kubikmeter drikkevand.

Membranerne i et omvendt osmosesystem er ikke vedligeholdelsesfrie. Dannelse af aflejringer forårsaget af mineralske aflejringer ( skalering ), biologiske stoffer ( bioforurening ) eller kolloidale partikler reducerer vandmolekylernes gennemtrængning gennem membranerne. For at modvirke dette skal membranerne skylles med kemiske rengøringsmidler. Antikalkningsmidler, såsom polyphosphorsyre og polymaleinsyre samt biocider og chlor mod bakterielle aflejringer, er almindelige. Disse rengøringsmidler eller skyllevand er ikke miljøvenlige og skal adskilles eller behandles, før de returneres til koncentratet ( havet ).

Drikkevandsbehandlingssystemerne kan udstyres med ekstra forfiltre afhængigt af typen af ​​vandforurening. Groft materiale kan adskilles op til en partikelstørrelse på 20 mikrometer. Et ekstra aktivt kulfilter adskiller organiske stoffer, såsom pesticider. UV -bestråling kan også tilsluttes nedstrøms, hvilket repræsenterer et ekstra sikkerhedsniveau mod bakterier.

Et system, der fungerer efter dette princip, er Mossel Bay havvandssaltningsanlæg i Sydafrika.

Membrandestillation

I membrandestillationsprocessen bruges en mikroporøs membran, der kun tillader vanddamp at passere igennem, men bevarer flydende vand. På den ene side af membranen er der varmt saltvand og på den anden side en koldere overflade. Systemets modstrømssikring sikrer, at der er en temperaturforskel over hele membranens længde. Den resulterende forskel i vanddamp -delvis tryk får vandmolekyler til at bevæge sig fra den varme til den kolde side af membranen.

Eksperimentelle teknikker

I det følgende afsnit er der angivet forskellige testmetoder til afsaltning, hvoraf nogle også bruges i mindre anlæg.

Fordampningsslanger af plast

Som en del af et europæisk CRAFT -projekt har det franske forskningscenter CEA / GRETh udviklet et afsaltningsanlæg til havvand, hvor metalkomponenterne stort set er blevet erstattet af polymerer . Dette har den fordel, at plast korroderer meget mindre og derfor er mere modstandsdygtig end metaller. Ved at bruge plast kan processen køre under normale forhold ved 100 ° C og 1 bar. Enheden opnår en drikkevandsproduktionshastighed på 100 l / t. Da vandet opvarmes til 100 ° C, er det stort set sterilt og indeholder kun små mængder salt.

Fryseproces

Når havvand afkøles, dannes iskrystaller, der er fri for salte. De tekniske vanskeligheder består imidlertid hovedsageligt i adskillelsen af ​​iskrystallerne fra moderluden . Iskrystallerne skal vaskes fra moderluden. Til gengæld er der et stort behov for ferskvand, hvilket har fået denne proces til at mislykkes i praksis.

Elektrodialyse

Den elektrodialyse er økonomisk kun ved meget lave saltindhold. Energiomkostningerne er i et lineært forhold til saltindholdet. Proceduren er derfor ofte kun værd for brakvand . Siemens -gruppen driver et pilotanlæg i Singapore.

Jonisk kraft

Saltvand føres ind i fire puljer. I bassin 1 øges saltkoncentrationen (f.eks. Ved fordampning, sol). Den resulterende koncentrerede saltlage i bassin 1 er forbundet via selektive polystyrenmembraner (som blokerer Na ⁺ ioner til bassin 2 og 3 Cl ^- ioner til bassin ), hvilket resulterer i en Na ^{+ -} eller Cl ^- ionmangel i disse bassiner . Disse to bassiner er forbundet med det fjerde bassin med membraner. Ionerne diffunderer ud af dette fjerde bassin for at kompensere for ioner i bassiner 2 og 3. Vandet i bassinet 4 er således NaCl-frit. Hvis andre salte skal fjernes, bør der anvendes andre ionfiltre. Et pilotanlæg med miljøtilskud blev bygget i Canada.

Fordelen er det lave energiforbrug, forudsat at fordampningen i pulje 1 skyldes solen. Mineralindholdet bortset fra natrium og chlorid bevares, så der ikke skal tilsættes andre mineraler for at bruge drikkevand. Yderligere ionfiltre er påkrævet til andre formål.

Bio brændselscelle

Forskning i biobrændselsceller til afsaltning af svagt saltvand udføres blandt andet ved University of Queensland , Tsinghua University og Oak Ridge National Laboratory , USA. Praktisk brug overvejes også til brakvand.

Se også

• Sorek afsaltningsanlæg

litteratur

• Meike Janosch (red.): Vand i Mellemøsten og Nordafrika. Waxmann Verlag, Münster m.fl 2008, ISBN 978-3-8309-2002-1 .

Weblinks

• Deutsche Meerwasserentsalzung eVs websted på www.dme-ev.de
• Artikel om afsaltning af havvand på sejlskibe
• Spektrum.de : Drikkevand med en beskidt hemmelighed 19. marts 2019

Individuelle beviser

1. ^ Argyris Panagopoulos, Katherine -Joanne Haralambous, Maria Loizidou: Afsaltning af saltvandsmetoder og behandlingsteknologier - En gennemgang . I: Science of The Total Environment . tape 693 , november 2019, ISSN  0048-9697 , s. 133545 , doi : 10.1016 / j.scitotenv.2019.07.351 (engelsk). 
2. ^ Forbindelsen: Vand- og energisikkerhed . I: IAGS Energy Security . Hentet 11. december 2008.
3. ↑ Afsaltning af havvand. 1. marts 2005, arkiveret fra originalen den 24. januar 2011 ; Hentet 18. april 2016 . 
4. ↑ Afsaltning af havvand i Californien kræver 2,8 kWh / m³ , Spiegel Online, 12. april 2015
5. ^ Melin, Rautenbach: Membranproces - Grundlæggende om modul- og systemdesign , Springer Verlag Berlin, 2007
6. ^ "Økonomisk saltfri" - Ny teknologi forbedrer afsaltning af havvand , dradio.de
7. ↑ https://www.heise.de/tr/artikel/Mit-Ionenkraft-gegen-den-grossen-Durst-889106.html
8. ^ Sally Adee: The Saline Solution , IEEE Spectrum, juni 2010