La desalinización es la producción de agua dulce mediante la desalinización del agua de mar. Es una tecnología incremental de código abierto para aprovechar los recursos hídricos. Puede aumentar la cantidad total de agua dulce y no se ve afectada por el tiempo, el espacio ni el clima. Puede garantizar un suministro estable de agua potable para los residentes de la costa y la reposición de agua para las calderas industriales.
El proceso de obtención de agua dulce a partir del agua de mar se denomina desalinización. Los métodos de desalinización utilizados incluyen la congelación del agua de mar, la electrodiálisis, la destilación, la ósmosis inversa y el intercambio iónico de carbonato de amonio. La aplicación de membranas de ósmosis inversa y destilación es la corriente principal en el mercado.
Más de 100 instituciones de investigación científica en más de una docena de países del mundo están realizando investigaciones sobre la desalinización, y hay cientos de instalaciones de desalinización con diferentes estructuras y capacidades en funcionamiento. Una planta desalinizadora moderna a gran escala puede producir miles, decenas de miles o incluso casi un millón de toneladas de agua dulce cada día. El costo del agua está disminuyendo constantemente y algunos países lo han reducido a un precio similar al del agua del grifo. La cantidad de agua desalinizada en algunas áreas ha alcanzado la escala de suministro de agua de países y ciudades.
Métodos comunes
Existen más de 20 tecnologías de desalinización de agua de mar en el mundo, entre las que se incluyen ósmosis inversa, multiefecto bajo, evaporación flash multietapa, electrodiálisis, destilación al vapor, evaporación de punto de rocío, cogeneración hidroeléctrica, cogeneración de membrana térmica y tecnología de desalinización de agua de mar utilizando energía nuclear, energía solar, energía eólica, energía maremotriz, etc., así como múltiples procesos de pretratamiento y postratamiento como microfiltración, ultrafiltración y nanofiltración.
Desde un punto de vista de clasificación amplia, se divide principalmente en dos categorías: destilación (método térmico) y método de membrana. Entre ellos, la destilación de bajo efecto múltiple, la evaporación instantánea de múltiples etapas y el método de membrana de ósmosis inversa son las tecnologías principales en el mundo. En términos generales, el de bajo efecto múltiple tiene las ventajas de ahorro de energía, bajos requisitos de pretratamiento de agua de mar y alta calidad de agua desalinizada; el método de membrana de ósmosis inversa tiene las ventajas de baja inversión y bajo consumo de energía, pero altos requisitos de pretratamiento de agua de mar; el método de evaporación instantánea de múltiples etapas tiene las ventajas de tecnología madura, operación confiable y gran salida del dispositivo, pero alto consumo de energía. En general, se cree que la destilación de bajo efecto múltiple y el método de membrana de ósmosis inversa son la dirección futura. Se estima que durante el período del 12 ° Plan Quinquenal, la desalinización de agua de mar de mi país alcanzará de 1,5 millones a 2 millones de toneladas por día, lo que es tres o cuatro veces la capacidad de producción actual, y la escala de inversión alcanzará alrededor de 20 mil millones de yuanes.
Principio del método de desalinización de agua de mar congelada: El punto triple del agua de mar es un punto especial donde las tres fases de vapor de agua de mar, líquido y sólido coexisten y alcanzan el equilibrio. Si la presión o la temperatura se desvían del punto triple, el equilibrio se destruye y las tres fases tenderán automáticamente a una o dos fases. El método de congelación al vacío de desalinización de agua de mar es un método de desalinización de bajo costo que utiliza el principio del punto triple del agua de mar, usa el agua misma como refrigerante, hace que el agua de mar se evapore y se congele al mismo tiempo, y luego separa y lava los cristales de hielo para obtener agua desalinizada. En comparación con la destilación y la desalinización por membrana, la desalinización de agua de mar congelada tiene un bajo consumo de energía, corrosión e incrustaciones ligeras, pretratamiento simple, pequeña inversión en equipo y puede manejar agua de mar con alto contenido de sal. Es un método ideal de desalinización de agua de mar.
Método de congelación
Método de congelación, es decir, congelar el agua de mar para congelarla, y la sal se separa mientras que el agua de mar líquida se convierte en hielo sólido. Tanto el método de congelación como el método de destilación tienen inconvenientes que son difíciles de superar. El método de destilación consume mucha energía y produce mucha cal en el instrumento, pero el agua dulce obtenida no es mucha; el método de congelación también consume mucha energía, pero el agua dulce obtenida tiene mal sabor y es difícil de usar.
Preenfriamiento del proceso de desalinización de agua de mar congelada Después de la desgasificación, el agua de mar puede intercambiar calor con la salmuera concentrada y el agua desalinizada descargada del cristalizador de evaporación, y preenfriarse hasta cerca del punto de congelación del agua de mar. Desgasificación del proceso de desalinización de agua de mar congelada Debido a que los gases no condensables disueltos en el agua de mar se liberarán casi por completo en condiciones de baja presión y no se condensarán en el condensador. Esto aumentará la presión del sistema, haciendo que la presión en el cristalizador de evaporación sea más alta que la presión del punto de dos fases, destruyendo la operación. Obviamente, el método de desgasificación por descompresión es adecuado para este sistema.
Método de destilación
La desalinización es el principal factor que afecta la tasa de evaporación y congelación del agua de mar.
El agua salada con hielo en el proceso de desalinización de agua de mar es un sistema sólido-líquido. Los métodos de separación ordinarios pueden separar el agua salada con hielo, pero diferentes métodos de separación darán como resultado diferentes contenidos de sal en los cristales de hielo obtenidos. Los resultados experimentales muestran que el contenido de sal de los cristales de hielo obtenidos mediante el método de filtración al vacío es mucho menor que el de los cristales de hielo obtenidos mediante el método de filtración a presión normal.
Condensación de vapor en el proceso de desalinización En el cristalizador por evaporación, además de la precipitación de cristales de hielo del agua de mar, también se producirá una gran cantidad de vapor. Este vapor debe eliminarse a tiempo para permitir que el agua de mar se evapore y congele continuamente.
Ósmosis inversa
Comúnmente conocido como ultrafiltración, es un método de desalinización por separación con membrana que se adoptó recién en 1953. Este método utiliza una membrana semipermeable que solo permite el paso de solventes pero no de solutos para separar el agua de mar del agua dulce. En circunstancias normales, el agua dulce se difunde a través de la membrana semipermeable hacia el lado del agua de mar, elevando así gradualmente el nivel del líquido en el lado del agua de mar hasta que se detiene en una cierta altura. Este proceso se llama ósmosis. En este momento, la presión estática de la columna de agua en el lado del agua de mar se llama presión osmótica.
Si se aplica una presión externa mayor que la presión osmótica del agua de mar al lado del agua de mar, el agua pura del agua de mar se transformará por ósmosis inversa en agua dulce. La mayor ventaja de la ósmosis inversa es el ahorro de energía. Su consumo de energía es solo la mitad del de la electrodiálisis y 1/40 del de la destilación. Por lo tanto, desde 1974, los países desarrollados como Estados Unidos y Japón han cambiado sucesivamente su enfoque de desarrollo hacia la ósmosis inversa.
La tecnología de desalinización de agua de mar por ósmosis inversa se ha desarrollado rápidamente y el costo del proyecto y el costo operativo han seguido disminuyendo. Las principales tendencias de desarrollo son reducir la presión operativa de las membranas de ósmosis inversa, mejorar la tasa de recuperación de los sistemas de ósmosis inversa, una tecnología de pretratamiento barata y eficiente y mejorar la capacidad anticontaminación del sistema.
Método de energía solar
En la antigüedad, los seres humanos utilizaban la energía solar para desalinizar el agua de mar, principalmente para la destilación, por lo que los primeros dispositivos de desalinización solar se denominaban generalmente destiladores solares. Un ejemplo de un sistema de destilación solar pasivo es el destilador solar de disco, que se ha utilizado durante casi 150 años. Debido a su estructura sencilla y a la cómoda adquisición de materiales, todavía se utiliza ampliamente.
La investigación sobre el destilador solar de disco se centra principalmente en la selección de materiales, la mejora de diversas propiedades térmicas y su uso junto con varios colectores solares. En comparación con las fuentes de energía y las fuentes de calor tradicionales, la energía solar tiene las ventajas de la seguridad y la protección del medio ambiente. La combinación de la captación de energía solar con el proceso de desalinización es una tecnología de desalinización sostenible.
La tecnología de desalinización solar ha ido atrayendo la atención de la gente debido a sus ventajas de no consumir energía convencional, no contaminar y la alta pureza del agua dulce. El método de destilación solar utiliza un destilador solar simple. El destilador consiste en un tanque de agua con un orificio flotante con un núcleo de fieltro poroso negro en el tanque de agua. La parte superior del tanque está cubierta con una cubierta de vidrio transparente con los bordes sellados. La luz del sol pasa a través de la cubierta transparente y se proyecta sobre el fondo aislado negro del tanque, donde se convierte en energía térmica. Por lo tanto, la temperatura de la superficie del agua en el núcleo de plástico es siempre más alta que la temperatura en el fondo de la capa de cubierta transparente. El agua se evapora del núcleo de fieltro y el vapor se difunde a la capa de cubierta para enfriarse y convertirse en líquido y se descarga en el tanque de destilación opaco.
Destilación a baja temperatura
La tecnología de desalinización de agua de mar de múltiples efectos a baja temperatura se refiere a la tecnología de desalinización por destilación con la temperatura de evaporación más alta de la salmuera por debajo de los 70 grados. Sus características son que una serie de evaporadores de película descendente con pulverización de tubos horizontales están conectados en serie, se introduce una cierta cantidad de vapor en el primer efecto y la temperatura de evaporación del siguiente efecto es menor que la del efecto anterior. Luego, a través de múltiples evaporaciones y condensaciones, se obtiene un proceso de desalinización de agua destilada con varias veces la cantidad de vapor.
La evaporación de efecto múltiple consiste en evaporar el agua de mar calentada en varios evaporadores en serie, y el vapor evaporado del evaporador anterior se utiliza como fuente de calor del siguiente evaporador y se condensa en agua dulce. Entre ellos, la destilación de efecto múltiple a baja temperatura es uno de los métodos de destilación que más ahorra energía. Debido al factor de ahorro de energía, la tecnología de destilación de efecto múltiple a baja temperatura se ha desarrollado rápidamente, la escala del dispositivo se ha expandido y el costo ha disminuido. La principal tendencia de desarrollo es aumentar la temperatura del primer efecto y la capacidad de producción de agua del dispositivo; utilizar materiales baratos para reducir los costos de ingeniería, aumentar las temperaturas de funcionamiento y mejorar la eficiencia de transferencia de calor. Un equipo de desalinización de agua de mar por destilación de efecto múltiple a baja temperatura comprende un sistema de suministro de vapor, un sistema de distribución de agua, un evaporador, un tanque de agua dulce y un tanque de agua concentrada, en donde la entrada de vapor crudo del sistema de suministro de vapor se coloca en el evaporador de efecto intermedio. El método de trabajo es el siguiente: (1) el sistema de distribución de agua rocía agua de mar; (2) El vapor crudo se introduce en el tubo de evaporación del evaporador de efecto intermedio; (3) El vapor se condensa en el tubo de evaporación y transfiere calor, y el exterior del tubo de evaporación absorbe calor para producir evaporación; (4) El vapor nuevo se transporta a los tubos de evaporación en ambos lados del mismo. El exterior del tubo absorbe calor y produce evaporación; (6) Cada evaporador de efecto repite el proceso de evaporación y condensación; (7) El agua destilada entra en el tanque de agua dulce; (8) La salmuera concentrada entra en el tanque de agua concentrada.
Evaporación flash multietapa
La evaporación instantánea se refiere al fenómeno por el cual una parte del agua de mar a una determinada temperatura se evapora rápidamente bajo la condición de una disminución repentina de la presión. La desalinización de agua de mar por evaporación instantánea en múltiples etapas consiste en evaporar el agua de mar calentada en múltiples cámaras de evaporación instantánea con presiones que disminuyen gradualmente a su vez, y condensar el vapor para obtener agua dulce. El dispositivo de desalinización de agua de mar global todavía tiene la mayor producción y la tecnología más madura, alta seguridad operativa y flexibilidad con el método de evaporación instantánea en múltiples etapas. Se construye principalmente en conjunto con plantas de energía térmica y es adecuado para dispositivos de desalinización grandes y supergrandes. Se utiliza principalmente en los países del Golfo. La tecnología de evaporación instantánea en múltiples etapas es madura y confiable en su funcionamiento. La principal tendencia de desarrollo es mejorar la capacidad de producción de agua de una sola unidad del dispositivo, reducir el consumo de energía de la unidad y mejorar la eficiencia de transferencia de calor.
Método de electrodiálisis
La clave técnica de este método es el desarrollo de una nueva membrana de intercambio iónico. La membrana de intercambio iónico es una membrana funcional con un espesor de {{0}}.5-1.0mm, que se divide en membrana de intercambio iónico positivo (membrana catiónica) y membrana de intercambio iónico negativo (membrana aniónica) según su permeabilidad selectiva. La electrodiálisis consiste en disponer alternativamente la membrana catiónica y la membrana aniónica selectivamente permeables para formar múltiples compartimentos independientes donde se desaliniza el agua de mar, mientras que los compartimentos adyacentes se concentran y se separan el agua dulce y el agua concentrada. La electrodiálisis no solo puede desalinizar el agua de mar, sino que también se puede utilizar como un medio de tratamiento de la calidad del agua para contribuir a la reutilización de las aguas residuales. Además, este método también se utiliza cada vez más en la concentración, separación y purificación de las industrias química, farmacéutica, alimentaria y otras.
Destilación por vapor
El método de destilación es un método de calentar el agua de mar hasta hervirla y vaporizarla, y luego condensar el vapor en agua dulce. El método de destilación de la tecnología de desalinización de agua de mar es la primera tecnología de desalinización que se puso en aplicación industrial. Se caracteriza por ser aplicable incluso en entornos de agua de mar severamente contaminados y altamente biológicamente activos, y el agua producida es de alta pureza. En comparación con la tecnología de desalinización de agua de mar por membrana, el método de destilación tiene las ventajas de poder utilizar calor de baja calidad de las centrales eléctricas y otras fábricas, tener bajos requisitos para la calidad del agua de mar cruda y tener una gran capacidad de producción del dispositivo. Es una de las principales tecnologías para la desalinización de agua de mar en la actualidad.
Evaporación del punto de rocío
La tecnología de desalinización por evaporación en punto de rocío es un nuevo método para la desalinización de agua salobre y agua de mar. Se basa en el principio de humidificación y deshumidificación con gas portador, mientras se recupera el calor de condensación y deshumidificación, y la eficiencia de transferencia de calor se controla mediante la transferencia de calor en el lado del gas mezclado. La tecnología de desalinización por evaporación en punto de rocío utiliza aire como portador y produce agua dulce humedeciéndola y deshumidificándola con agua de mar o agua salobre, y acopla el proceso de deshumidificación con el proceso de humidificación a través de la transferencia de calor, de modo que el calor latente de condensación se transfiere directamente a la cámara de evaporación, proporcionando el calor latente de vaporización para la evaporación de agua salada, a fin de mejorar la eficiencia térmica del proceso. Se establecieron dos equipos de desalinización por evaporación en punto de rocío acoplados con humidificación/deshumidificación con áreas efectivas de transferencia de calor de 9,6 m2 y 2,75 m2. Se establecieron el equipo experimental correspondiente y el sistema de adquisición de datos informáticos. Se completaron con éxito el experimento de correlación de procesos básicos y parámetros de desalinización por evaporación del punto de rocío y el experimento de desalinización por transferencia de calor/transferencia de masa mejorada.
Congelación al vacío
El proceso de desalinización de agua de mar mediante congelación al vacío incluye desgasificación, preenfriamiento, cristalización por evaporación, lavado de cristales de hielo, condensación de vapor y otros pasos. Los productos de agua de mar desalinizada pueden cumplir con los estándares nacionales de agua potable y son un método ideal de desalinización de agua de mar.
Nuevo método de adsorción: adsorción osmótica no presurizada
La desalinización osmótica por adsorción sin presión, u "ósmosis directa", permite que el agua pase a través de una membrana porosa hacia una solución o un sólido con un superabsorbente. La concentración de sal es incluso mayor que la del agua de mar, pero las sales especiales en la solución se evaporan fácilmente. Se divide en direcciones de sal sólida y sal líquida. La desorción de sal sólida consume menos energía.
Los otros dos métodos tienen innovaciones y mejoras en la estructura de la película:
La película de nanotubos de carbono es una película con pequeños agujeros hechos de nanotubos de carbono y otra película para la permeación.
La membrana proteica es una película con poros formada por proteínas que guían las moléculas de agua a través de la membrana celular de las células vivas.