Odsolování vody: Destilace, vymražování, komprese a další

Pitná voda je v některých částech světa nedostatkovým zbožím. Čistou vodu lze získat odsolováním vody mořské. Problémem odsolování je ale jeho energetická náročnost. Jaké způsoby odsolování vody existují? Kolik odsolování vody stojí a kolik energie spotřebuje?

Voda je jednou z nejhojnějších látek na této planetě;  je jí tady asi 1,3*1018m³ (1,3 miliardy kilometrů krychlových). Voda, kterou můžeme využívat pro zemědělství nebo jako vodu pitnou, tvoří však jen nepatrný zlomek z tohoto obrovského množství (velmi přibližně 0,04 %). Většina vody se vyskytuje v oceánech a obsahuje tolik soli, že ji nelze přímo využívat.

„Hlavní problém není v tom, jak vodu čistit, ale v tom, kde k tomu vzít potřebnou a dostatečně levnou energii.“

Čistá voda je velmi cenná komodita – a v některých oblastech je dokonce cennější než energetické zdroje. Dostupnost čisté vody úzce souvisí s dostupností energie; pokud máme k dispozici energii, pak si můžeme čistou vodu připravit prakticky z jakékoli vody (mořské, zasolených či znečištěných odpadních vod apod.). Je pravděpodobné, že ve 21. století bude v některých zemích nedostatek čisté vody možná ještě větší problém než nedostatek ropy a kvůli vodním zdrojům se povedou války.

Podle Global Policy Forum může být v blízké budoucnosti více než 50 zemí na 5 kontinentech vtaženo do sporů o vodu, pokud se nedokážou shodnout na tom jak si rozdělit dostupné vodní zdroje. Podle UN Environment Agency bude v průběhu příštích 50 let pociťovat akutní nedostatek vody skoro 3 miliardy lidí.

Řešení nedostatku pitné vody? Odsolování

S dostupností čisté přírodní vody to tedy bude (alespoň v některých oblastech) dost špatné, podívejme se proto na některé možnosti, jak můžeme čistou vodu připravit z vody slané, které je opravdu hodně.

Rozložení vody na Zemi

Tento proces se nazývá odsolování (desalination) a jedná se orozsáhlé a rozvinuté odvětví, v němž se točí velké peníze. Mnohé z  metod odsolování se dají použít i k čištění vody sladké, která obsahuje nežádoucí příměsi (dusičnany, těžké kovy apod.) a nedá se proto použít k pití. Podrobný článek o problematice odsolování najdete zde.

Destilace vody je energeticky náročná

Jedná se o nejstarší a nejběžnější metodu čištění vody. Destilační přístroje na vodu nalezneme skoro v každé laboratoři či lékárně. Zahřátím přejde voda v páru a netěkavé příměsi (soli) zůstanou v destilační baňce. Páru pak ochladíme a získáme čistou vodu.

Obyčejná destilace má ovšem jednu závažnou nevýhodu, je totiž velice energeticky náročná. Výparné teplo vody je velmi vysoké a tak na destilaci jednoho litru vody spotřebujeme zhruba 0,7kWh energie. Teoretické minimální množství energie potřebné k získání čisté vody z mořské vody je skoro 10 000 x menší. Přesto se obyčejná destilace s úspěchem používá tam, kde je k dispozici dostatek tepla. Například na lodích se používají destilační zařízení pro přípravu pitné vody a vody potřebné pro provoz strojů již více než 100 let.

Destilační zařízení (v námořní terminologii evaporater) ve strojovně kanadské lodi HMCS SACKVILLE

Solární destilační zařízení

V oblastech kde je hodně slunečního svitu se používají solární destilační zařízení   často překvapivě jednoduché konstrukce. Jde vlastně o jakýsi černě natřený mělký bazének zakrytý sklem se sběrným žlábkem na vodu. Dopadající sluneční záření zahřívá vodu a její páry kondenzují na chladnějším skle a stékají do žlábku a odtud do zásobní nádoby.

Princip solárního destilačního zařízení

Vzhledem k tomu, že nedochází k varu vody, ale jen k odpařování z povrchu, nedochází k přestřikování slané vody a destilát je velmi čistý (POZOR destilát nemusí být zcela sterilní, na to je teplota zpravidla příliš nízká a nelze vyloučit, že se některá z baktérií dostane do destilátu, nicméně se udává, že je vyhovující pro pití). Takovéto destilační zařízení může být použito třeba k odstranění arzénu z vody čerpané z vrtů (například v některých částech Indie je přítomnost arzénu ve vodě velký problém).  Na podobném principu pracují zařízení, která se dají použít pro získání vody z půdy i v suchých krajinách.

Nákres solárního destilačního zařízení, k jehož zhotovení stačí kus průhledné PE fólie

Vícestupňová destilace

Pokud chceme snížit energetickou náročnost destilace, je třeba využít odpadní teplo. Teplo, které se uvolní při kondenzaci vodní páry, je pochopitelně možné využít pro další destilaci, základní problém je ale v tom, že slaná voda se vaří při trochu vyšší teplotě, než je teplota kondenzace čisté vody (čím vyšší obsah soli, tím vyšší je bod varu). Bod varu vody je však silně závislý na tlaku. Nabízí se proto jednoduché řešení – použít řadu za sebou zařazených destilačních komor a snižovat v nich tlak tak, aby kondenzující voda z předchozího stupně dokázala přivést k varu vodu v následujícím stupni.

Vícestupňová destilace

Některá opravdu velká destilační zařízení na tomto principu pracují třeba v Saudské Arábii. Jmenovat můžeme zařízení Al Khobar IV, které je schopné vyprodukovat 272 000 m³ pitné vody denně. Počet destilačních stupňů je ovšem omezen tím, že na každém tepelném výměníku je určitý spád teploty; udává se, že použitelný počet stupňů je maximálně asi 40. Výhodou je, že se stejným množstvím tepla získáme mnohonásobně více vody, nevýhodou je nutnost čerpat vzduch (vytvářet snížený tlak) a používat používat poměrně složité zařízení, které musí být zhotoveno z materiálů odolných proti korozi. Přehled velkých odsolovacích zařízení najdete zde.

Komprese páry

Druhou možností, jak docílit toho, aby teplo z kondenzace mohlo přivést roztok s obsahem solí k varu, je naopak stlačit vodní páru kompresorem a zvýšit tak teplotu, při níž kondenzuje nad teplotu varu roztoku v destilační nádobě.

Komprese páry

Na začátku procesu se přivede roztok v destilační nádobě pomocí topného tělesa k varu. Poté se zapne kompresor, který nasává páru z destilační nádoby a stlačí ji tak, aby teplota kondenzace byla o trochu vyšší než bod varu vody v nádobě.  Kondenzující pára předává v tepelném výměníku své kondenzační teplo do destilovaného roztoku, který se díky tomu udržuje ve varu (v případě potřeby jej lze přihřát tím topným tělesem, aby se teplota a tlak udržely v optimálním režimu). Zkondenzovaná voda, kterámá teplotu kolem 100°C, pak v dalším výměníku předá své teplo vstupující slané vodě. Účinnost tohoto zařízení je poměrně vysoká, určitou nevýhodou je, že musíme použít dražší formu energie (elektřinu namísto odpadního tepla).

Reversní osmóza

Tato metoda není založena na oddělení vody a solí na základě rozdílu v bodu varu, ale na základě rozdílu ve velikosti částic v roztoku přítomných.  Základem je speciální polopropustná membrána, jejíž póry jsou tak malé, že sice umožní relativně dobrý prostup molekul vody, ale ionty solí, které mají objemné hydratační obaly (jsou obaleny několika vrstvami molekul vody), skrz membránu neprojdou.

Pokud je na jedné straně takovéto membrány čistá voda a na druhé straně roztok soli, tak dojde k samovolnému pronikání vody skrz membránu do roztoku soli; tento jev se nazývá osmóza. Pokud nad roztokem soli zvýšíme tlak nad hodnotu takzvanného osmotického tlaku (pro mořskou vodu je to asi 30 atmosfér), začne voda protékat zpět a můžeme tedy takto kontinuálně odebírat čistou vodu a vypouštět do odpadu mírně zakoncentrovanou slanou vodu.

Reversní osmóza

Reverzně osmotické membrány jsou poměrně citlivé na zanesení a musí se proto před ně zařadit kvalitní filtr. Většina typů dnes používaných membrán je také málo odolná vůči oxidačním účinkům chloru, který se používá pro dezinfekci vstupní vody, a tak se před membránu také zařazuje filtr s aktivním uhlím, který dokáže chlór zachytit. Plocha membrány by měla být být poměrně velká, protože membrány mají velký odpor proti průtoku vody a současně musí odolávat velkým tlakům.

V poslední době se proto často používají membrány ve formě tenkých trubiček (holow fibres), které mají na vnitřní straně velmi tenkou aktivní vrstvu s malými póry, a zbytek stěny je tvořen podpůrnou strukturou, která má mnohem větší póry. Tak je možné docílit poměrně velkého průtoku při přijatelné tlakové ztrátě. Malé reverzně osmotické přístroje se dnes hojně používají pro přípravu čisté vody v laboratořích a lékárnách. Velké instalace slouží pro získávání pitné vody na některých ostrovech nebo v pouštních oblastech ležících v blízkosti oceánu. Reverzní osmóza je z hlediska energetické spotřeby velmi výhodná metoda (viz tabulka níže). 

Vymražování

Jedná se o čištění vody pomocí krystalizace. Tato metoda je používaná po staletí. Snížením teploty se začnou z roztoku soli vylučovat krystaly čisté vody a sůl se koncentruje v nezamrzlém podílu. Výhodou je, že k vymražení vody je třeba znatelně méně tepla než k jejímu vypaření, nevýhodou pak to, že je obtížné oddělit čisté krystaly ledu od zakoncentrovaného roztoku soli. To je asi hlavní důvod, proč se tato metoda používá jen zřídka.

Určitý význam může mít tam, kde máme levný zdroj chladu a tepla. Jednou z možností je využít změn teploty v průběhu roku a vodu nechávat zmrznout v zimním období a roztávat na jaře.  Před lety se zkoušela tato metoda na universitě v Severní Dakotě (USA) u slaného jezera (Devil’s Lake). V zimním období se rozprašovala voda a vytvářela tak postupně velký kužel ledu a koncentrovaný solný roztok (voda se cirkulovala a postupně se z ní vymražoval led a sůl se hromadila v roztoku. Na jaře, po zvýšení teploty led zvolna roztával a vzniklá voda obsahovala výrazně méně soli. 

Elektrodialýza

Předchozí metody odstraňovali ze směsi soli a vody čistou vodu, elektrodialýza naopak odstraňuje pomocí elektrického proudu z roztoku ionty solí. Zařízení pro elektrodialýzu se skládá z jednotlivých kanálů, kterými proudí odsolovaná voda a které jsou od sebe odděleny membránami propouštějícími vždy jen kladně nebo naopak záporně nabité ionty. V krajních kanálech jsou pak elektrody. Kladně nabité ionty (kationty) procházejí skrz membránu propustnou pro kationty do kanálu se  zápornou elektrodou. Záporně nabité ionty (anionty) podobně projdou skrz membránu propustnou pro anionty do kanálu s kladnou elektrodou (opačné náboje se přitahují).

Elektrodialýza

V prostředním kanálu tak zůstává relativně čistá voda. Tato metoda je energeticky účinná, její nevýhodou je ale to, že odstraní jen nabité částice (ionty). Látky, které nemají elektrický náboj, ve vodě zůstanou. Hodí se proto spíše pro čištění odpadních vod nebo pro přípravu užitkové vody.

Iontová výměna

V tomto případě se k odstranění iontů z vody používá takzvaných iontoměničů. Jsou to polymerní materiály (ve formě kuliček), které jsou schopné navázat na sebe kationty (k tomu se používá takzvaný katex), nebo anionty (k tomu se používá anex) a namísto nich uvolnit do roztoku vodíkové, respektive hydroxylové ionty (více informací o mechanismu tohoto procesu lze najít třeba zde).

Pokud tedy necháme protéci zasolenou vodu napřed skrz kolonu naplněnou katexem a pak skrz kolonu naplněnou anexem dojde k odstranění přítomných kationtů i aniontů a z katexu uvolněné vodíkové ionty zreagují s hydroxydovými ionty z anexu za vzniku vody. Získáme tak zcela čistou vodu. Po určité době ovšem musíme katex i anex regenerovat aby se obnovila jeho schopnost vyměňovat ionty. To se dělá pomocí roztoku kyseliny (u katexu) respektive hydroxidu (u anexu). Tato metoda je ale poměrně drahá a proto se zpravidla používá jen k dočištění již odsolené vody (například pro pro laboratorní účely). V některých případech se iontoměniče používají i v domácnostech; např. speciální druhy anexů schopných preferenčně vázat dusičnanové ionty pro odstraňování dusičnanů z vody pro kojence nebo katexy na změkčování tvrdé vody.

Náklady na termální odsolování

Energetická náročnost jako problém odsolování vody

Z výše uvedeného je vidět, že máme k dispozici relativně široký výběr metod jak udělat z vody znečištěné vodu pitnou nebo užitkovou. Hlavní problém není v tom, jak vodu čistit, ale v tom, kde k tomu vzít potřebnou a dostatečně levnou energii.

V tabulce "Energetické nároky na odsolování" je uvedeno srovnání energetické náročnosti jednotlivých odsolovacích metod. Je vidět, že energeticky nejúčinější je reverzní osmóza, nicméně i ta má ještě daleko k vypočtenému  ideálnímu minimu energie potřebné na tento proces. Pokud jde o ekonomiku procesu, tak i když investice do velkých zařízení je vysoká, stále je to cena energie, která tvoří největší část nákladů na odsolování; udává se, že moderní odsolovací zařízení používající reverzní osmózu s rekuperací tlakové energie na výstupu dokáže produkovat vodu při spotřebě 22kWh/m³. Cena vyrobené vody se pohybuje kole 0,5USD na krychlový metr.

Energetické nároky na odsolování

Pokud chceme používat vyrobenou vodu na pití, je nutné do ní přidat potřebné minerály, tj. z kationtů především ionty vápníku a hořčíku. Z aniontů se používá zpravidla chlorid a eventuelně malé množství fluoridu. Pro člověka je totiž dlouhodobé pití zcela čisté vody škodlivé a navíc voda s obsahem vápníku má podstatně lepší chuť. Z hlediska dlouhodobého příjmu lze za optimální považovat následující hodnoty hlavních složek: Ca > 40-80 mg/l, Mg > 20 mg/l, K > 1 mg/l, Na < 20 mg/l, Cl- < 25 mg/l, SO42- < 240 mg/l, NO3- < 10 mg/l. Vápník se obvykle přidává i do pitné vody, která se vyrábí z říční vody. Například voda z Římovské přehrady má následující složení (v mg/l) :

Je vidět, že obsah vápníku je příliš malý a proto se na úpravně uměle zvyšuje. Někdy se k tomuto účelu, u vody připravené odsolením, používá průtok vody přes vhodnou drcenou horninu (vápenec, dolomit apod.) a napodobuje se tak proces, ke kterému dochází v přírodě, kde dešťová voda prosakuje skrz půdu a horniny do hloubky odkud je čerpána. 
 

Související články

• • Balená voda, nebo voda z vodovodu - kdo vítězí?
• • Pí-voda: Mýty a fakta o léčivých vodách
• • Balená voda v testu neobstála: Pijte vodu z kohoutku!
• • Dešťová voda: Využijte ji ve svém rodinném domě

Tagy: Energetika, NazelenoPlus, Politika, Komentáře, Technologie,

• Katalog firem
  úspory energií, obnovitelné zdroje
• Poradna
  nechte si poradit od odborníků
• Rodinný dům plný úspor
  interaktivní tipy na úspory
• Najdeme vám dodavatele
  poptávky na zateplení, tepelná čerpadla, výměnu oken
• Kalkulačky úspor
  spočítejte si náklady na fotovoltaiku či dotace
• Aktuální zpravodajství
  nenechte si ujít žádnou novinku

Nejlepší články ze Světa bydlení