Ενεργειακός τομέας
Πτυχιακή εργασία – Αφαλάτωση με Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας
Πρόλογος
Τα προβλήματα έλλειψης νερού σε πολλές πλέον περιοχές ανά τον πλανήτη, έχουν δημιουργήσει την ανάγκη χρήσης συγκεκριμένων τεχνολογικών μεθόδων για την παραγωγή καθαρού νερού κι αξιοποίησής του. Μια τέτοια μέθοδος είναι η αφαλάτωση, που αποτελεί την πιο προσοδοφόρα, αξιόπιστη και με πολλά επιτυχημένα παραδείγματα λύση. Με αυτή την τεχνολογία παραγωγής καθαρού και πόσιμου νερού από το θαλασσινό, επιτυγχάνεται η απομάκρυνση των μολυσματικών ουσιών και του άλατος, με ένα πλήθος διαφορετικών εναλλαγών που μπορούν να χρησιμοποιούνται ανάλογα με την κάθε περίπτωση. Ως εκ τούτου, υπάρχει η δυνατότητα δημιουργίας μονάδας αφαλάτωσης προσαρμοσμένης στις συγκεκριμένες συνθήκες θερμοκρασίας και γεωλογίας του κάθε τόπου, αλλά και στη δυναμικότητα με την οποία προορίζεται να λειτουργεί, που μπορεί να είναι από μικρή (18 m3 καθαρού νερού ανά ημέρα), έως υπέρογκη (800.000 m3/ημέρα).
Κατά την έρευνα για τα στάδια που ακολουθούνται προς την επιλογή της διαδικασίας, είναι απαραίτητο να αποτιμηθεί η χρήση των τεχνολογιών αφαλάτωσης σε όλο τους το φάσμα , δίνοντας έμφαση στην καλύτερη απόδοση που μπορεί να έχουν χωρίς να υπάρχει υπερκατανάλωση ενέργειας και το κόστος που συνοδεύει την κάθε επιλογή. Με τον τρόπο αυτό και με ένα κατάλληλα σχεδιασμένο σύστημα που θα ανταποκρίνεται στις ανάγκες και τις ιδιαιτερότητες του κάθε τόπου ,θα μπορούσαν να ευεργετηθούν και τα ελληνικά νησιά που χαρακτηρίζονται «άνυδρα». Σε αρκετά νησιά του Κεντρικού Αιγαίου είναι πλέον έντονο το πρόβλημα της λειψυδρίας. Με την εκμετάλλευση όμως του ανέμου και του ήλιου, θα ήταν δυνατή η εγκατάσταση μονάδων αφαλάτωσης που χρησιμοποιούν την άφθονη ενέργεια που παρέχεται από τις ανανεώσιμες πηγές. Επιπρόσθετα, με την εγκατάσταση τέτοιων μονάδων θα έπαυε και η εξάρτηση του πληθυσμού από άλλες περιοχές για πόσιμο νερό, με ταυτόχρονο μηδενισμό των εξόδων μεταφοράς του νερού με πλοία. Συνεπώς, η αναζήτηση της κατάλληλης τεχνολογίας αφαλάτωσης κι εφαρμογής της μπορεί να δώσει ολοκληρωμένες λύσεις στα προβλήματα έλλειψης νερού αρκετών άνυδρων περιοχών, με αντίκτυπο και στην οικονομική και κοινωνική τους ευημερία.
Περιεχόμενα
1. Εισαγωγή...6
1.1 Επισκόπηση των Κεφαλαίων………...7
2. Έννοια της αφαλάτωσης...9
2.1 Βασικά χαρακτηριστικά του νερού………...9
2.2 Παράμετροι ποιότητας του νερού……….10
3.Διεργασίες αφαλάτωσης………...12
3.1 Θερμικές διεργασίες……….13
3.1.1 Ακαριαία απόσταξη πολλαπλών βαθμίδων………...13
3.1.2 Απόσταξη πολλαπλής επίδρασης………..16
3.1.3 Απόσταξη με συμπίεση ατμών………..18
3.1.4 Ηλιακή απόσταξη………..19
3.2 Διεργασίες μεμβρανών………...21
3.2.1 Αντίστροφη όσμωση……….21
3.2.2 Συστήματα ανάκτησης ενέργειας στην Αντίστροφη όσμωση………..24
3.2.3 Ηλεκτροδιάλυση………...29
3.2.4 Απόσταξη μεμβράνης………31
4.Σύγκριση των διεργασιών αφαλάτωσης……….34
4.1 Η περιοχή της εγκατάστασης και ο διατιθέμενος χώρος……….34
4.2 Το νερό τροφοδοσίας………...36
4.3 Δυνατότητα παραγωγής νερού……….38
4.4 Ποιότητα παραγόμενου ύδατος………39
4.5 Ενεργειακή κατανάλωση των συστημάτων αφαλάτωσης………40
4.7 Ενεργειακές πηγές αφαλάτωσης………..42
4.8 Σύνοψη της σύγκρισης των διεργασιών αφαλάτωσης-πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των διαδικασιών………44
5. Κόστος αφαλάτωσης………46
5.1 Κόστος αρχικής επένδυσης………..46
5.2 Κόστος λειτουργίας και συντήρησης………...47
5.3 Κόστη διεργασιών αφαλάτωσης………..49
6. Χρήση των Α.Π.Ε. στην αφαλάτωση……….53
6.1 Κατάλληλοι συνδυασμοί ΑΠΕ-αφαλάτωσης………...53
6.2 Εγκατάσταση μονάδας αφαλάτωσης με ΑΠΕ……….56
6.3 Αυτόνομα και συνδεδεμένα σε δίκτυο συστήματα αφαλάτωσης-ΑΠΕ……...58
6.3.1 Αυτόνομα συστήματα………...59
6.3.2 Συστήματα συνδεδεμένα σε ηλεκτρικό δίκτυο……….60
6.4 Συμπεράσματα για τη χρήση των ΑΠΕ στην αφαλάτωση………...62
7.Μονάδες αφαλάτωσης ανά τον κόσμο και την Ελλάδα……….64
7.1.1 Η παγκόσμια δυναμικότητα αφαλάτωσης………64
7.2 Οι υπάρχουσες μονάδες αφαλάτωσης στον πλανήτη και την Ελλάδα………65
7.3 Μονάδες αφαλάτωσης με ΑΠΕ σε παγκόσμιο επίπεδο………...68
7.4 Η μονάδα αφαλάτωσης στην Ηρακλεία………...71
8.Γενικά συμπεράσματα και προτάσεις για την αφαλάτωση………...73
Κατάλογος πινάκων και γραφημάτων Πίνακες
Πίν. 2.1 Χημικά συστατικά του νερού………....9
Πίν. 2.2 Παράμετροι ποιότητας νερού………..10
Πίν. 2.3 Διαλυμένα στερεά συστατικά νερού………....11
Πίν. 4.1 Απαιτούμενη έκταση διαδικασιών αφαλάτωσης……….34
Πίν. 4.2 Συγκέντρωση άλατος ανά διεργασία αφαλάτωσης………..36
Πίν. 4.3 Δυνατότητα παραγωγής νερού ανά διεργασία αφαλάτωσης………...38
Πίν. 4.4 Περιεκτικότητα του παραγόμενου νερού σε άλατα……….39
Πίν. 4.5 Ενεργειακές απαιτήσεις μεθόδων αφαλάτωσης………40
Πίν. 5.1 Κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας ανά διεργασία αφαλάτωσης……47
Πίν. 5.2 Κόστη διεργασιών αφαλάτωσης………...48
Πίν. 5.3 Κόστη Αντίστροφης όσμωσης και Ηλεκτροδιάλυσης……….50
Πίν. 5.4 Κόστη αφαλάτωσης με Α/Γ και Φ/Β………....50
Πίν. 7.1 Οι μεγαλύτερες μονάδες αφαλάτωσης σε δυναμικότητα………..66
Πίν. 7.2 Δυναμικότητα των υπό κατασκευή μονάδων αφαλάτωσης…………..66
Σχήματα
Σχήμ. 3.1. Ακαριαία απόσταξη πολλαπλών βαθμίδων………..14
Σχήμ.3.2 Λειτουργία απόσταξης πολλαπλής επίδρασης………16
Σχήμ.3.3 Μηχανική απόσταξη με συμπίεση ατμών………18
Σχήμ.3.4 Η διαδικασία της όσμωσης………21
Σχήμ.3.5 Η διαδικασία της Αντίστροφης όσμωσης……….21
Σχήμ.3.6 Σύστημα Αντίστροφης όσμωσης χωρίς ανάκτηση αλμόλοιπου…....22
Σχήμ.3.7 Αρχή λειτουργίας εναλλάκτη πίεσης……….24
Σχήμ.3.8 Αντίστροφη όσμωση με εναλλάκτη πίεσης………...25
Σχήμ.3.9 Αντίστροφη όσμωση μέσω στροβίλου Pelton………...26
Σχήμ.3.10 Σύστημα Αντίστροφης όσμωσης αντλίας-στροβίλου……….27
Σχήμ.3.11 Αρχή λειτουργίας της Ηλεκτροδιάλυσης………...29
Σχήμ.3.12 Διάταξη αφαλάτωσης με Ηλεκτροδιάλυση………30
Σχήμ.3.13 Αρχή λειτουργίας Απόσταξης μεμβράνης και τυπικό διάγραμμα συστήματος Απόσταξης μεμβράνης………31
Σχήμ.5.1 Υπολογιζόμενο ειδικό κόστος αφαλάτωσης……….49
Σχήμ.6.1 Πιθανοί συνδυασμοί μεθόδων αφαλάτωσης-τεχνολογιών ΑΠΕ……..53
Σχήμ.6.2 Τεχνολογική κατανομή μονάδων αφαλάτωσης με ΑΠΕ………..57
Σχήμ.6.3 Αυτόνομο σύστημα αφαλάτωσης συνδεδεμένο με Φ/Β και Α/Γ…...59
Σχήμ.7.1 Δυναμικότητα μονάδων αφαλάτωσης (1966-2007)………..63
Σχήμ.7.2 Παγκόσμια παραγωγή μονάδων αφαλάτωσης έως το 2013…………..64
Εισαγωγή
Το νερό αποτελεί το βασικότερο αγαθό που παρέχει η φύση στον άνθρωπο. Οι περισσότερες ανάγκες κάθε είδους κοινωνίας ανά τον πλανήτη καλύπτονται από την ύπαρξή του. Η αναζήτηση για υδάτινους πόρους οδήγησε ολόκληρους πληθυσμούς, από την αρχαιότητα ακόμα, στο να εγκατασταθούν κοντά σε ποτάμια και λίμνες όπου θα μπορούσαν να το βρίσκουν σε αφθονία. Στην εξέλιξη της ιστορίας, το νερό δε θα οριζόταν απλά ως το κύριο στοιχείο για την επιβίωση, μέσω της ύδρευσης και της άρδευσης, αλλά και το μέσο για υδροκίνητες κατασκευές, για αποχετεύσεις και μια πλειάδα εργασιών που εξυπηρετούσαν τις ανθρώπινες ανάγκες. Επιπρόσθετα, το τεράστιο απόθεμα νερού στις περισσότερες κατοικήσιμες περιοχές, λειτούργησε καταλυτικά στο να θεωρείται το πιο προσιτό στοιχείο, καθώς κανένα άλλο υγρό στοιχείο με τις ιδιότητες του δεν υπήρχε σε τόσο μεγάλες ποσότητες.
Παρόλα αυτά, κατά τα νεότερα χρόνια και ειδικότερα στο δεύτερο μισό του εικοστού αιώνα, πολλές περιοχές ανά τον κόσμο βρέθηκαν αντιμέτωπες με το φάσμα της λειψυδρίας, η οποία επήλθε είτε λόγω μετακίνησης μαζών σε μέρη με περιορισμένα αποθέματα νερού, είτε λόγω της αλόγιστης σπατάλης του χωρίς να υπάρχει η δυνατότητα να ανακτηθεί. Ως εκ τούτου, η αύξηση του πληθυσμού, η επέκταση των πόλεων αλλά και η κλιματική αλλαγή επηρεάζουν ως και σήμερα τη διαθεσιμότητα υδάτινων πόρων και την επάρκεια των αποθεμάτων πόσιμου νερού.
Η λύση στην ανάγκη για καθαρό νερό φαινόταν πως πρέπει να αναζητηθεί μέσα από την επεξεργασία του μεγαλύτερου υδάτινου φορέα, τη θάλασσα. Εδώ λοιπόν είναι σημαντικό να αναφερθεί πως πολύ πριν εντοπιστούν τα προβλήματα που προαναφέρθηκαν και στον ελληνικό χώρο, καταγράφεται η πρώτη ιστορική εφαρμογή της αφαλάτωσης θαλασσινού νερού με εξάτμιση από τον Αλέξανδρο του Αφροδισιέως το 200 μ.Χ. Συγκεκριμένα, οι ναύτες των πλοίων χρησιμοποιούσαν τους σπόγγους για την απορρόφηση των ατμών του θαλασσινού νερού που έβραζε σε ειδικό δοχείο. Όταν αυτοί οι ατμοί συμπυκνώνονταν, αποτελούσαν πόσιμο νερό με χαμηλή περιεκτικότητα σε άλατα. Ωστόσο, στα χρόνια που ακολούθησαν ,η έρευνα για πιο αποτελεσματικούς τρόπους παραγωγής καθαρού νερού από το θαλασσινό θα ήταν ελάχιστη ως ανύπαρκτη ,μέχρι και τον εικοστό αιώνα. Η Ελλάδα δε θα αποτελούσε εξαίρεση στην επερχόμενη εξέλιξη. Αν και γενικά θεωρείται μια πλούσια σε υδατικούς πόρους χώρα, εντούτοις σε αρκετές περιοχές της είναι πλέον υπαρκτό και κατά τόπους έντονο το φαινόμενο της λειψυδρίας. Η έλλειψη νερού που παρατηρείται σε αρκετά νησιά των Κυκλάδων και των Δωδεκανήσων, τα οποία χαρακτηρίζονται και «άνυδρα», αποτελεί ένα πολυδιάστατο ζήτημα και με σημαντικές επιπτώσεις στις τοπικές αυτές κοινωνίες.
Ως η πιο προφανής και προσοδοφόρα λύση σε αυτά τα προβλήματα ενδείκνυται η εγκατάσταση μονάδων αφαλάτωσης, ειδικότερα στα νησιά του Αιγαίου που πλήττονται περισσότερο. Το πλεονέκτημα μάλιστα που υπάρχει στα εν λόγω νησιά
αφορά την ενεργειακή τροφοδότηση, η οποία θα πραγματοποιείται από Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας, όπως η Αιολική και η Ηλιακή που σε τέτοια μέρη αφθονούν.
Επιπλέον, με τη λειτουργία των ΑΠΕ κατά την αφαλάτωση δεν επιβαρύνεται το τοπικό δίκτυο ηλεκτροδότησης, που συχνά είναι περιορισμένων δυνατοτήτων και με ιδιαίτερα υψηλό κόστος χρήσης.
Σκοπός λοιπόν αυτής της μελέτης είναι η αποτίμηση των σημαντικότερων παραμέτρων που περιβάλλουν την τεχνολογία της αφαλάτωσης στις υπάρχουσες εκδοχές της, με κεντρικό γνώμονα την ενεργειακή κατανάλωση και το κόστος τους.
Ερευνούνται οι κατά περίπτωση διεργασίες αφαλάτωσης, η δυναμικότητα του εκάστοτε συστήματος που προσαρμόζεται, η αλατότητα του προς αφαλάτωση και του τελικώς παραγόμενου νερού και η τεχνολογία ενεργειακής τροφοδοσίας που χρησιμοποιείται. Επιδιώκεται συνεπώς να αποκτηθεί μια πληρέστερη και πιο συνολική εικόνα για τις δυνατότητες εγκατάστασης τέτοιων μονάδων σε περιοχές με πρόβλημα λειψυδρίας, όπως τα «άνυδρα» νησιά, αλλά και κάποιες περιοχές που θα μπορούσαν μελλοντικά να παρουσιάσουν υδατική ανεπάρκεια, όπως τα μεγάλα αστικά κέντρα.
Επισκόπηση των Κεφαλαίων
Στην παρούσα ενότητα αναφέρονται συνοπτικά τα ζητήματα που πραγματεύονται τα κεφάλαια που ακολουθούν.
Στο Κεφάλαιο 2, «Έννοια της αφαλάτωσης», εξετάζονται οι πρώτες πληροφορίες που πρέπει να γίνονται γνωστές προς την εκπόνηση της αφαλάτωσης και αφορούν τα χημικά συστατικά του νερού, την αλατότητα του, τη σκληρότητα και γενικότερα την καταλληλότητά του.
Στο Κεφάλαιο 3, «Διεργασίες αφαλάτωσης», απαριθμούνται οι υπάρχουσες διεργασίες αφαλάτωσης και οι κανόνες που τις διέπουν. Αναφέρεται η διαδικασία που ακολουθείται ξεχωριστά για τις Θερμικές διεργασίες και τις διεργασίες Μεμβρανών και ειδικότερα για την Ακαριαία Απόσταξη Πολλαπλών Βαθμίδων, Απόσταξη Πολλαπλής Επίδρασης ,Απόσταξη με Συμπίεση Ατμών, Ηλιακή Απόσταξη, Αντίστροφη Όσμωση, Συστήματα Ανάκτησης ενέργειας, Απόσταξη Μεμβράνης και Ηλεκτροδιάλυση.
Στο Κεφάλαιο 4, «Σύγκριση των διεργασιών αφαλάτωσης», διερευνούνται τα γενικά χαρακτηριστικά της κάθε διεργασίας, τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα που προκύπτουν από τη χρήση καθεμιάς, καθώς και οι παράγοντες που επηρεάζουν τις διεργασίες κατά τη λειτουργία της μονάδας αφαλάτωσης.
Στο Κεφάλαιο 5, «Κόστος αφαλάτωσης» ,μελετάται το κόστος σε όλη τη διαδρομή προς την κατασκευή, την εγκατάσταση και τη λειτουργία μιας μονάδας αφαλάτωσης, όπως τα ξεχωριστά κόστη λειτουργίας, συντήρησης κι επένδυσης.
Στο Κεφάλαιο 6, « Χρήση των Α.Π.Ε. στην αφαλάτωση» ,αναφέρονται οι πιο κατάλληλοι συνδυασμοί που προκύπτουν από την κοινή χρήση των ΑΠΕ και των τεχνολογιών παραγωγής καθαρού νερού. Εξηγείται η πορεία προς τη δημιουργία μιας εγκατάστασης αφαλάτωσης με ΑΠΕ, καθώς και η διάκριση των συστημάτων σε αυτόνομα και σε συστήματα με σύνδεση στο ηλεκτρικό δίκτυο.
Στο Κεφάλαιο 7, «Μονάδες αφαλάτωσης ανά τον κόσμο και την Ελλάδα»
,γίνεται λόγος για τα πιο χαρακτηριστικά κι αξιόλογα παραδείγματα μονάδων αφαλάτωσης που λειτουργούν στον πλανήτη και στην Ελλάδα και παρέχονται στοιχεία της δυναμικότητάς τους και της ενεργειακής τους κατανάλωσης.
Τέλος, στο Κεφάλαιο 8, «Γενικά συμπεράσματα και προτάσεις για την αφαλάτωση», παρατίθενται τα τελικά συμπεράσματα από τον υπολογισμό των φυσικών μεγεθών και των παραμέτρων που εξετάστηκαν κατά τη συνολική αποτίμηση της αφαλάτωσης και των τεχνοτροπιών της, καθώς και προτάσεις για την καλύτερη αξιοποίηση των υπαρκτών τεχνολογιών στην Ελλάδα και τον κόσμο.
2. Έννοια της αφαλάτωσης
Με τον όρο αφαλάτωση εννοούμε τις διεργασίες που εκπονούνται με αποτέλεσμα τη σημαντική μείωση της ποσότητας των διαλυμένων συστατικών που υπάρχουν στο νερό.
2.1 Βασικά χαρακτηριστικά του νερού
Όσο πιο μικρή είναι η περιεκτικότητα του νερού σε άλατα, τόσο χρησιμότερο γίνεται αυτό για τις ανθρώπινες εφαρμογές. Παραταύτα, τα συστατικά του νερού που βρίσκουμε στη φύση ποικίλλουν. Αρκετά από αυτά αναγράφονται στον πίνακα παρακάτω.
Xημικό
συστατικό
Συγκέντρωση (ppm)
Ποσοστό Άλατος (%)
Chloride 19.345 55
Sodium 10.752 30,6
Sulfate 2.701 7,6
Magnesium 1.295 3,7
Calcium 416 1,2
Potassium 390 1,1
Bicarbonate 145 0,4
Bromide 66 0,2
Borate 27 0,08
Strontium 13 0,04
Fluoride 1 0,003
Πίνακας 2.1 Χημικά συστατικά του νερού
2.2 Παράμετροι ποιότητας του νερού
Το πόσιμο νερό των κατοικημένων δικτύων φέρει ως ανώτερη τιμή ποσότητας άλατος τα 1000 ppm (pieces per million). Kατά μέσο όρο για ύδατα σε ηπειρωτικές περιοχές η τιμή αυτή φτάνει τα 10.000 ppm , ενώ στη θάλασσα οι τιμές κυμαίνονται από 35.000 έως 45.000 ppm. Το θαλασσινό νερό κι αυτό των λιμνών διαφέρουν σε αξιοσημείωτα επίπεδα ανάλογα με τη συγκέντρωση των διαλυμένων στερεών στη σύστασή τους. Έτσι παρατηρούμε πως στη θάλασσα της Μεσογείου η αλατότητα φτάνει τα 38.000 mg/l, στη Βαλτική τα 8.000 mg/l ενώ στη Νεκρά Θάλασσα βρίσκεται στα 250.000 mg/l. Κάποιες χρηστικές προδιαγραφές της ποιότητας και αλμυρότητας του νερού φαίνονται στη συνέχεια με τους αντίστοιχους πίνακες.
Παράμετροι ποιότητας νερού
Αποδεκτή τιμή Μη αποδεκτή τιμή
θολότητα 5 25
ph 7-8,5 <6,5 και >9,2 διαλυμένα στερεά
(ppm)
500 1500
σκληρότητα (ppm) 300 600
Chloride (ppm) 200 400
Nitrate (ppm) 20 50
Σίδηρος (ppm) 0,3 1
Πίνακας 2.2 Παράμετροι ποιότητας νερού
Κατάσταση νερού Διαλυμένα στερεά (mg/l)
πόσιμο νερό <1000
ελαφρώς υφάλμυρο νερό 1.000-5.000 μέτρια υφάλμυρο νερό 5.000-15.000 ισχυρά υφάλμυρο νερό 15.000-35.000 μέσο θαλασσινό νερό 35.000
Πίνακας 2.3 Διαλυμένα στερεά συστατικά νερού
Σαν παράγοντας επιλογής του πόσιμου νερού διακρίνεται και η γευστικότητα ,όπου με τιμές αλάτων και στερεών κάτω των 300 mg/l η γεύση θεωρείται εξαιρετική, στα 700 mg/l μέτρια, ενώ μη αποδεκτές είναι οι τιμές πάνω από τα 1200 mg/l.Το νερό από το οποίο αφαιρούνται όλα τα διαλυμένα συστατικά είναι δυσάρεστο κατά την πόση, καθώς το χαρακτηρίζει μια ουδέτερη και γλυφή γεύση. Άλλοτε, όταν η συγκέντρωση του υδατοδιαλύματος είναι υψηλή σε άλατα, όπως στο θαλασσινό νερό, τότε η πόση γίνεται δυσάρεστη ως ακατάλληλη. Στο πόσιμο νερό πρέπει να επιτυγχάνεται μία μέση κατάσταση από τις δύο προηγούμενες ακραίες περιπτώσεις (Clayton ,2011).
Με γνώμονα την καταλληλότητα του, το νερό μετά την απομάκρυνση του μεγαλύτερου ποσοστού του άλατος και των διαλυμένων στερεών με την αφαλάτωση αξιοποιείται για ύδρευση, άρδευση και άλλες δραστηριότητες τόσο στη βιομηχανία όσο και για καθημερινές ανάγκες που απαιτούν σημαντικά καθαρό νερό. Αυτό προϋποθέτει όχι μόνο την ποιότητα αλλά και την αυξημένη διαθέσιμη ποσότητα ύδατος προς επεξεργασία και μετέπειτα χρήση. Στην επόμενη ενότητα θα αναπτυχθούν οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για τις περισσότερες γνωστές διεργασίες της αφαλάτωσης.
3. Διεργασίες αφαλάτωσης
Ο διαχωρισμός νερού και αλάτων από ένα υδατικό διάλυμα γίνεται με σκοπό την παραγωγή του προς χρήση καθαρού νερού. Οι πιο εμπορικά διαθέσιμες και διαδεδομένοι μέθοδοι αφαλάτωσης χωρίζονται σε δύο κατηγορίες. Στις θερμικές διεργασίες και σε αυτές των μεμβρανών (Σαμακίδης 2009 ,Τζεν 2010).
1)Θερμικές διεργασίες: Το νερό κατά τις θερμικές διεργασίες εναλλάσσεται από την υγρή στην αέρια φάση κι αντίστροφα έως ότου συμπυκνωθεί ξανά σε υγρή μορφή.
Αυτό επιτυγχάνεται κυριότερα με την απόσταξη αλλά και με την λιγότερο διαδεδομένη κρυστάλλωση. Διεργασίες απόσταξης αποτελούν οι: α)Ακαριαία απόσταξη πολλαπλών βαθμίδων (Μulti Stage Flashing) , β)Απόσταξη πολλαπλής επίδρασης (Multi Effect Distillation), γ)Απόσταξη με συμπίεση ατμών (Vapor Compression Distillation) και δ)Ηλιακή απόσταξη (Solar Distillation).
2)Διεργασίες μεμβρανών: Οι μεμβράνες έχουν την ιδιότητα να διαχωρίζουν επιλεκτικά το νερό και τα άλατα (Κορωναίος ,2006).Στις διεργασίες αυτές το νερό παραμένει αποκλειστικά στην υγρή φάση. Στην κατηγορία αυτή υπάρχουν οι : α)Αντίστροφη Όσμωση (Reverse Osmosis) και β) Hλεκτροδιάλυση.
Σε μικρότερη κλίμακα χρησιμοποιούνται κάποιες επιμέρους διεργασίες αφαλάτωσης ή και ο συνδυασμός δύο διαφορετικών. Συγκεκριμένα αναφέρεται η Απόσταξη Μεμβράνης που συνδυάζει τις ιδιότητες των μεμβρανών με την προορισμένη απόσταξη(Κορωναίος ,2006).Παρακάτω αναλύονται οι θερμικές διεργασίες που προαναφέρθηκαν κι οι διεργασίες των μεμβρανών.
3.1 Θερμικές διεργασίες
Στο μεγαλύτερο ποσοστό των διεργασιών που εκπονούνται για την αφαλάτωση απαιτείται η θέρμανση του νερού. Οι θερμικές διεργασίες εφαρμόζονται σε μεγάλες ή μικρότερες εγκαταστάσεις παροχών που σε κάποιες περιπτώσεις ξεπερνούν τα 5.000
από την υγρή φάση στην αέρια κι έπειτα από την αέρια επανέρχεται στην υγρή, περνώντας τα στάδια αρχικά της εξάτμισης και τελικά της συμπύκνωσης. Το μέτρο απόδοσης τέτοιων μονάδων αφαλάτωσης εκφράζεται ως ο λόγος των μονάδων αποσταγμένου νερού ανά μονάδα ατμού ή ανά 2326 KJ που αντιστοιχεί στη λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης στους 730 C.Η ενέργεια που χρειάζεται για την εξάτμιση μπορεί να προέρχεται είτε από καύσιμα είτε από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας ενώ κατά τη συμπύκνωση η θερμική ενέργεια που αποβάλλεται χρησιμοποιείται για την προθέρμανση του νερού τροφοδοσίας ,κάνοντας ακόμη μεγαλύτερη την απόδοση της διάταξης. Στις θερμικές διεργασίες εκμεταλλευόμαστε την ιδιότητα του νερού να βράζει σε πιο χαμηλή θερμοκρασία όταν ελαττώνεται η πίεση που του ασκείται, τοποθετώντας τις βαθμίδες της διάταξης σε σειρά τέτοια ώστε καθεμία να βρίσκεται σε χαμηλότερη πίεση από την προηγούμενη.
3.1.1 Ακαριαία απόσταξη πολλαπλών βαθμίδων
Στην κατηγορία αυτή το αλμυρό νερό συσσωρεύεται στο θερμαντή άλμης μέσω τοποθετημένων εναλλακτών θερμότητας σε θερμοκρασία λίγο χαμηλότερη από αυτή του σημείου βρασμού του και υπό ορισμένη πίεση. Με τον τρόπο αυτό προκαλείται ο ακαριαίος βρασμός του εν λόγω διαλύματος. Ο ακαριαίος ή εκρηκτικός όπως χαρακτηρίζεται βρασμός προξενεί σχηματισμό ατμών με αποτέλεσμα την πτώση της θερμοκρασίας στο διάλυμα. Η διαδικασία έπειτα αποσυμπίεσης - ακαριαίου βρασμού - συμπύκνωσης ατμών επαναλαμβάνεται σε διαδοχικούς θαλάμους όπου η πίεση μειώνεται διαρκώς ακολουθώντας την αντίστοιχη μείωση της θερμοκρασίας του υδατικού διαλύματος έως τη στιγμή που θα απορριφθεί το υπόλειμμα άλατος και συλλέγεται το καθαρό νερό (Δαγκαλίδης ,2009).Μια τέτοια εγκατάσταση MSF (Multi Stage Flashing) μπορεί να αποτελείται από τέσσερις μέχρι δέκα βαθμίδες. Στο σχήμα παρακάτω απεικονίζεται η αρχή λειτουργίας της ακαριαίας απόσταξης πολλαπλών βαθμίδων.
Σχήμ.3.1 Λειτουργία ακαριαίας απόσταξης πολλαπλών βαθμίδων
Οι ατμοί που παράγονται κατά τις διάφορες βαθμίδες οδηγούνται σε ένα εναλλάκτη θερμότητας όπου ψύχονται και υγροποιούνται, μεταδίδοντας μέρος της θερμότητας τους στο αλμυρό νερό τροφοδοσίας ώστε να προθερμανθεί. Με αυτό τον τρόπο μεγάλο μέρος της θερμότητας ανακυκλώνεται, αυξάνοντας το βαθμό απόδοσης της διάταξης. Ο βαθμός απόδοσης ορίζεται ως το πηλίκο της μάζας παραγόμενου αφαλατωμένου νερού προς τη μάζα του ατμού που χρησιμοποιήθηκε. Μια τυπική τιμή του βαθμού αυτού για τη συγκεκριμένη μέθοδο είναι περίπου 8 ,ενώ μία μονάδα είκοσι βαθμίδων απαιτεί περίπου 290 kj/kg προϊόντος (Ενεργειακό Γραφείο του Αιγαίου ,2011).Σε πολλές εγκαταστάσεις το υπόλειμμα της συνολικής διαδικασίας ανακυκλώνεται και προστίθεται στο νερό τροφοδοσίας, βελτιώνοντας ακόμη περισσότερο το βαθμό απόδοσης (Ασημακόπουλος ,2001).Ένας τρόπος για την αρχική θέρμανση του τροφοδοτούμενου νερού μας παρέχεται από την ενέργεια που απορρίπτεται από ένα εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας, όπως για παράδειγμα οι θερμοηλεκτρικοί σταθμοί. Η απορριπτόμενη ενέργεια του εργοστασίου διοχετεύεται στη διάταξη της αφαλάτωσης και ταυτόχρονα επιτυγχάνεται η ψύξη του φορέα παραγωγής ενέργειας, χωρίς να αποβάλλονται στο περιβάλλον οι ποσότητες θερμότητας με ενδεχόμενες καταστροφικές επιπτώσεις. Κάτι τέτοιο βελτιώνει τα οικονομικά δεδομένα σε μια εγκατάσταση αφαλάτωσης καθώς μειώνονται οι απαιτήσεις της για ενέργεια μέχρι και κατά 50% (Σαμακίδης ,2009).
Οι εγκαταστάσεις τύπου MSF χρησιμοποιούνται από τα μέσα της δεκαετίας του 1950.Η δυναμικότητα τους έχει εύρος από τέσσερα έως τριάντα εκατομμύρια λίτρα ανά ημέρα, λειτουργώντας με θερμοκρασίες από 900 ως 120 0 C.Σε περιπτώσεις που αυτό το όριο θερμοκρασίας ξεπεραστεί μπορεί να ενισχύεται ο βαθμός απόδοσης,
παράλληλα όμως αυξάνεται η φθορά της εγκατάστασης, λόγω των στρωμάτων επικάλυψης που σχηματίζονται και διαβρώνουν τις επιφάνειες.
Εικ.3.1 Εγκατάσταση ΜSF στη Σαουδική Αραβία δυναμικότητας 138000m3 ανά ημέρα
3.1.2 Aπόσταξη πολλαπλής επίδρασης
Κατά τη διαδικασία αυτού του είδους απόσταξης που διεθνώς αποδίδεται ως MED (Multiple Effect Distillation), το αλμυρό νερό τροφοδοσίας θερμαίνεται μέχρι το σημείο βρασμού του στην πρώτη βαθμίδα της διάταξης της μονάδας αφαλάτωσης.
Αρχικά το νερό ψεκάζεται στην επιφάνεια των σωληνών εξάτμισης σχηματίζοντας ένα λεπτό στρώμα γύρω τους. Με αυτή τη μέθοδο επιδιώκεται ο γρήγορος βρασμός κι η εξάτμιση ενός μέρους του νερού. Οι ατμοί που παράγονται χρησιμοποιούνται για τη θέρμανση του υπόλοιπου υδατικού διαλύματος κατά τη μετάβαση του στον επόμενο θάλαμο, μέσω σωληνών , στους οποίους οι υδρατμοί ψύχονται με αποτέλεσμα την παραγωγή αφαλατωμένου νερού. Οι σωλήνες εξάτμισης θερμαίνονται μέσω ατμού που προέρχεται από λέβητα ή από άλλες πηγές θερμότητας (Ασημακόπουλος ,2001).Μόνο για τη θέρμανση του νερού τροφοδοσίας απαιτείται εξωτερική πηγή
θερμότητας, καθώς ο ατμός που έχει προέλθει από το βρασμό του διαλύματος σε μία βαθμίδα χρησιμοποιείται για τη θέρμανσή του στην επόμενη, αφού το σημείο βρασμού του νερού μειώνεται όσο μειώνεται κι η πίεση.
Σχήμ.3.2 Λειτουργία της απόσταξης πολλαπλής επίδρασης
Η απόσταξη πολλαπλής επίδρασης χρησιμοποιεί (όπως και η ακαριαία απόσταξη πολλαπλών βαθμίδων) μια σειρά βαθμίδων βασιζόμενη στην αρχή της μείωσης της πίεσης έτσι ώστε το τροφοδοτούμενο νερό να υπόκειται σε πολλαπλό βρασμό χωρίς την παροχή πρόσθετης θερμότητας μετά την πρώτη βαθμίδα. Η πίεση λοιπόν σε κάθε θάλαμο είναι χαμηλότερη απ’ότι ήταν στον προηγούμενο, επιτρέποντας την εκ νέου εξάτμιση του διαλύματος ,ακόμη κι αν αυτό βρίσκεται σε χαμηλότερη θερμοκρασία.
Η ίδια διαδικασία συνεχίζεται επαναλαμβανόμενα σε όλες τις βαθμίδες της διάταξης.
Σε σύγκριση με την MSF,η MED βασίζεται στην ομαλή εξάτμιση κι όχι στον ακαριαίο βρασμό του νερού τροφοδοσίας (Δαγκαλίδης ,2009).Οι μονάδες MED είναι δυναμικότητας 2 έως 10 εκατομμυρίων ανά ημέρα και λειτουργούν με μέγιστη θερμοκρασία 70° C στην πρώτη βαθμίδα, κάτι που λειτουργεί ανασταλτικά στη διάβρωση κι επιτρέπει τη χρήση χαμηλού επιπέδου απορριπτόμενης θερμότητας από άλλες θερμικές διεργασίες.
Σε πολλές περιπτώσεις οι παλιότερες εγκαταστάσεις αφαλάτωσης νερού λειτουργούσαν με τη διεργασία MED,όμως αντικαταστάθηκαν από την MSF,λόγω του μικρότερου κόστους τους και της μεγαλύτερης απόδοσης που παρείχαν.
Είκ.3.2 Εγκατάσταση απόσταξης πολλαπλής επίδρασης
3.1.3
Απόσταξη με συμπίεση ατμών (Vapor compression distillation)
Το διάλυμα άλατος, το οποίο χρησιμοποιείται κατά την απόσταξη με συμπίεση ατμών, θερμαίνεται από τον ψεκασμό του σε μια σειρά σωλήνων τους οποίους διαπερνά ατμός και στη συνέχεια εξατμίζεται με τη βοήθεια αεροσυμπιεστή που δημιουργεί υποπίεση (Ενεργειακό Γραφείο του Αιγαίου ,2011).Η θερμότητα για την εξάτμιση του νερού προέρχεται από τη συμπίεση του ατμού κι όχι από την άμεση ανταλλαγή θερμότητας της παραγωγής ατμού σε ένα λέβητα. Οι υδρατμοί που παράγονται από την εξάτμιση του νερού συμπυκνώνονται κι έτσι παράγεται το αφαλατωμένο νερό. Η διαδικασία αυτή μπορεί να διεκπεραιωθεί είτε μέσω μηχανικού συμπιεστή (Mechanical vapor compression),είτε μέσω διάταξης εκτίναξης ατμού μέσω ακροφυσίου (Τhermal vapor compression).Γενικά, τα συστήματα μηχανικής απόσταξης (MVC) διαθέτουν μόνο μια βαθμίδα, ενώ τα συστήματα θερμικής απόσταξης (TVC) διαθέτουν περισσότερες από μία βαθμίδες. Η διαφορά αυτή οφείλεται στο γεγονός ότι τα συστήματα MVC διατηρούν την ίδια κατανάλωση ενέργειας (ενέργεια ανά μονάδα παραγόμενου νερού),ανεξαρτήτως του αριθμού των
σταδίων που ακολουθούν (Miller ,2003),ενώ τα συστήματα TVC,αυξάνουν τη θερμική τους απόδοση με την προσθήκη σταδίων επεξεργασίας.
Σχήμ.3.3 Αρχή λειτουργίας μηχανικής απόσταξης με συμπίεση ατμών
3.1.4 Ηλιακή απόσταξη (Solar distillation-SD)
Η ηλιακή απόσταξη είναι ο πιο απλός τρόπος αφαλάτωσης νερού ,χρησιμοποιώντας για να λειτουργήσει την ενέργεια που μεταφέρει η ηλιακή ακτινοβολία, με συσκευές που ονομάζονται ηλιακοί αποστακτήρες. Σε αυτούς τους αποστακτήρες μια ποσότητα νερού εξατμίζεται άμεσα από την ηλιακή ενέργεια κι ακολούθως οι υδρατμοί συμπυκνώνονται σε αφαλατωμένο νερό. Πιο συγκεκριμένα, οι συσκευές αυτές βασίζονται στην εκμετάλλευση της ιδιότητας του γυαλιού να επιτρέπει τη διέλευση της ακτινοβολίας μικρού μήκους κύματος αλλά όχι της υπεριώδους ακτινοβολίας. Έτσι, η ηλιακή ακτινοβολία διαπερνά τη γυάλινη επιφάνεια της συσκευής και παγιδεύεται σε αυτή, με αποτέλεσμα να ατμοποιεί το αλατούχο διάλυμα. Στη συνέχεια οι υδρατμοί συμπυκνώνονται σε κατάλληλη επιφάνεια και παράγεται το αφαλατωμένο νερό, το οποίο και συλλέγεται στον πυθμένα της
συσκευής. Η επιφάνεια αυτή είναι επικαλυμμένη με ανακλαστικό υλικό και συνεπώς παραμένει ψυχρή ώστε να προκαλεί τη συμπύκνωση του ατμού.
Εικ.3.3 Ηλιακός αποστακτήρας
Οι συσκευές αυτές είναι πολύ απλές στη λειτουργία τους, παρουσιάζουν όμως κάποια μειονεκτήματα τα οποία περιορίζουν την εφαρμογή της τεχνικής της ηλιακής αφαλάτωσης για παραγωγή μεγάλης κλίμακας. Τέτοια μειονεκτήματα αποτελούν το υψηλό κόστος κατασκευής, οι απαιτήσεις για μεγάλη επιφάνεια συλλογής της ηλιακής ενέργειας και η μεγάλη εξάρτηση από τις καιρικές συνθήκες.
Γενικά για την παραγωγή 4 lt καθαρού νερού, χρειάζεται περίπου 1m2 επιφάνεια συλλογής ηλιακής ενέργειας (Κορωναίος ,2006).
Εικ.3.4 Ηλιακοί αποστακτήρες για οικιακή χρήση
3.2 Διεργασίες μεμβρανών
Οι διεργασίες μεμβρανών υπερτερούν των θερμικών, κυρίως για την αφαλάτωση υφάλμυρου νερού. Για την αφαλάτωση μέσω των διεργασιών αυτών χρησιμοποιούνται ειδικές μεμβράνες ,οι οποίες επιτρέπουν τη διέλευση του νερού αλλά όχι των αλάτων. Επίσης απαιτείται η κατανάλωση ηλεκτρισμού είτε για τη συμπίεση του προς αφαλάτωση νερού (Αντίστροφη όσμωση) ,είτε για τον ιονισμό των αλάτων που βρίσκονται διαλυμένα σε αυτό (Ηλεκτροδιάλυση).Μια τυπική τιμή κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας σε μια μονάδα αντίστροφης όσμωσης, είναι περίπου7 kwh για την παραγωγή 5000 lt νερού, ενώ η διάρκεια ζωής των μεμβρανών έγκειται στα 2 χρόνια (Πέππα ,2007).
3.2.1 Αντίστροφη όσμωση (Reverse Osmosis-RO)
Η μέθοδος της αντίστροφης όσμωσης είναι σχετικά νέα και εμπορικά επιτυχημένη από τις αρχές της δεκαετίας του’70 και αποτελεί τον πλέον διαδεδομένο τρόπο αφαλάτωσης νερού, καθώς μπορεί να παράγει νερό ύδρευσης υψηλής ποιότητας. Η αρχή λειτουργίας της μεθόδου στηρίζεται στην αντιστροφή του φυσικού φαινομένου της όσμωσης. Για να γίνει κατανοητή η όσμωση θα ξεκινήσουμε αναφέροντας πως όταν δύο υγρά διαλύματα με διαφορετική πυκνότητα έρθουν σε επαφή, τότε το υγρό με τη μικρότερη πυκνότητα μετατοπίζεται προς το υγρό με την υψηλότερη πυκνότητα, μέχρι το μίγμα να ισορροπήσει, δηλαδή να αποκτήσει την ίδια πυκνότητα. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται διάχυση.
Αν μεταξύ των δύο υγρών διαλυμάτων παρεμβληθεί μια ημιπερατή μεμβράνη, τότε εμποδίζεται η διέλευση των αλάτων, αλλά επιτρέπεται η διέλευση του νερού, το οποίο είναι ο διαλυτής. Έτσι το νερό διέρχεται ελεύθερα από τη μεμβράνη προς τα αλατούχα διαλύματα. Με αυτό τον τρόπο δημιουργείται μία ροή μορίων νερού από το αραιότερο προς το πυκνότερο διάλυμα, έως ότου επιτευχθεί μία κατάσταση ισορροπίας, στην οποία η υψηλότερη στάθμη διακρίνει το διάλυμα που αρχικά είχε τη μεγαλύτερη συγκέντρωση. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται όσμωση. Η διαφορά
στάθμης των διαλυμάτων αντιστοιχεί στην οσμωτική πίεση. Η οσμωτική είναι η ελάχιστη πίεση που πρέπει να ασκηθεί εξωτερικά στο διάλυμα, ώστε να εμποδιστεί το φαινόμενο της όσμωσης, χωρίς να μεταβληθεί ο όγκος του διαλύματος.
Σχήμ.3.4 Η διαδικασία της όσμωσης
Στην περίπτωση που ασκηθεί πίεση στο αλατούχο διάλυμα υψηλότερη της οσμωτικής, τότε η ροή αντιστρέφεται κι έχουμε έξοδο καθαρού νερού από το διάλυμα με την υψηλότερη συγκέντρωση προς αυτό με τη χαμηλότερη. Αυτό ονομάζεται αντίστροφη όσμωση.
Σχήμ.3.5 Η διαδικασία της αντίστροφης όσμωσης
Κατά τη μέθοδο της αντίστροφης όσμωσης, το προς αφαλάτωση υδατικό διάλυμα εξαναγκάζεται με την άσκηση πίεσης να διέλθει μέσα από μία ημιπερατή μεμβράνη.
Για να γίνει εφικτή η κίνηση του διαλύματος διαμέσου της μεμβράνης, η πίεση αυτή πρέπει να ξεπερνά σε μέγεθος την οσμωτική πίεση του υδατικού διαλύματος. Κάποιες τυπικές τιμές αυτής της πίεσης είναι από 17 έως 27 bar (250 ως 400 psi) για υφάλμυρο νερό και μεταξύ 54 και 80 bar (800 και 1180 psi) για το θαλασσινό νερό.
Με τη διέλευση του διαλύματος από τη μεμβράνη κατακρατείται το μεγαλύτερο ποσοστό των διαλυμένων στερεών. Οι μεμβράνες λειτουργούν ως φράγμα ,όχι μόνο για τις ανόργανες ουσίες, αλλά και για οργανικές ουσίες με μοριακό βάρος μεγαλύτερο του 100.Το υπόλειμμα της διαδικασίας αυτής (αλμόλοιπο), εξέρχεται από τη διάταξη σε υψηλή πίεση, ενώ ένα μεγάλο ποσοστό αυτής μπορεί να ανακτηθεί μέσω ενός εναλλάκτη πίεσης. Στο επόμενο διάγραμμα παρατηρούμε μια διάταξη αντίστροφης όσμωσης, χωρίς σύστημα ανάκτησης της πίεσης του αλμόλοιπου.
Σχήμ.3.6 Διάταξη αντίστροφης όσμωσης χωρίς σύστημα ανάκτησης πίεσης αλμόλοιπου.
Για τη λειτουργία μιας εγκατάστασης αντίστροφης όσμωσης, απαραίτητες είναι η προεπεξεργασία κι η μετεπεξεργασία του νερού.
Εικ.3.5 Εγκατάσταση αφαλάτωσης αντίστροφης όσμωσης
Η προεπεξεργασία του νερού τροφοδοσίας είναι αρκετά σημαντική,καθώς κατά τη διάρκεια της αφαιρούνται και κατακρατούνται τα αιωρούμενα στερεά σωματίδια του νερού,οπότε αποφεύγεται η καθίζηση των αλάτων αλλά και η υπολειτουργία ή και καταστροφή των μεμβρανών,οι οποίες είναι ευθραυστες. Τέλος,η μετεπεξεργασία συνίσταται στη σταθεροποίηση του αφαλατωμένου νερού,ώστε να είναι πόσιμο.Η επεξεργασία αυτή μπορεί να περιλαμβάνει και την αφαίρεση αερίων,όπως τα σουλφίδια του υδρογόνου και την ορθή ρύθμιση του pH.
3.2.2 Συστήματα ανάκτησης ενέργειας στην αντίστροφη όσμωση
Τα συστήματα ανάκτησης ενέργειας (energy recovery systems-ER) χρησιμοποιούνται συχνά με την αντίστροφη όσμωση και με σκοπό την αξιοποίηση της διαθέσιμης ενέργειας του ρεύματος της απορριπτόμενης άλμης, ώστε να καλύπτεται ένα μέρος της απαιτούμενης ενέργειας της αντλίας. Με τον τρόπο αυτό μειώνονται οι ενεργειακές απαιτήσεις της αντλίας, για την αύξηση της πίεσης του τροφοδοτούμενου νερού, ελαττώνοντας τις συνολικές ενεργειακές απαιτήσεις της μονάδας αφαλάτωσης.
Τα συστήματα αυτά χωρίζονται στις εξής δύο βασικές κατηγορίες (Fritzmann ,2007) :
1)Εναλλάκτες πίεσης (Pressure exchangers):Στα συστήματα αυτά μεταφέρεται άμεσα η πίεση της άλμης σε ένα μέρος του τροφοδοτούμενου ρεύματος νερού.
2)Στρόβιλοι (Turbine systems):Σε αυτά τα συστήματα η ενέργεια της άλμης μετατρέπεται σε μηχανική ενέργεια, την οποία στη συνέχεια διοχετεύουν είτε στην αντλία αντίστροφης όσμωσης σαν συμπλήρωμα ενέργειας, είτε απευθείας στο ρεύμα του νερού τροφοδοσίας.
Οι εναλλάκτες πίεσης λειτουργούν μεταφέροντας την πίεση της άλμης στο νερό τροφοδοσίας με βαθμό απόδοσης από 96% ως 98%.
Σχήμ.3.7 Αρχή λειτουργίας ενός εναλλάκτη πίεσης
Το νερό τροφοδοσίας οδηγείται σε έναν αγωγό,ο οποίος κλείνει μέσω βάνας. Μια άλλη βάνα ανοίγει, ώστε το ρεύμα της άλμης που βρίσκεται σε υψηλή πίεση να εισέλθει στον αγωγό, αυξάνοντας έτσι την πίεση του τροφοδοτούμενου υγρού. Στη συνέχεια το ρεύμα τροφοδοσίας με την αυξημένη πίεση αναμειγνύεται με το ρεύμα
τροφοδοσίας από την αντλία του συστήματος και μαζί συνεχίζουν προς τις μεμβράνες της αντίστροφης όσμωσης. Ένας εναλλάκτης πίεσης αποτελείται συνήθως από ένα μεγάλο αριθμό βανών,οι οποίες λειτουργούν παράλληλα. Με τη χρήση εναλλακτών πίεσης, μόνο ένα μικρό μέρος του ρεύματος τροφοδοσίας χρειάζεται συμπίεση μέσω της αντλίας του συστήματος, με αποτέλεσμα την εξοικονόμηση ενέργειας. Η γραφική αναπαράσταση ενός συστήματος αντίστροφης όσμωσης με εναλλάκτη πίεσης φαίνεται στο επόμενο διάγραμμα.
Σχήμ.3.8 Λειτουργία συστήματος αφαλάτωσης αντίστροφης όσμωσης με εναλλάκτη πίεσης
Ο ευρύτερα χρησιμοποιούμενος εναλλάκτης πίεσης είναι ο Clark Pump της εταιρείας Spectra Watermakers.Τα τελευταία χρόνια, ο συγκεκριμένος εναλλάκτης βρίσκεται σε εφαρμογή σε ένα μεγάλο μέρος των συστημάτων αφαλάτωσης με αντίστροφη όσμωση, συμβάλλοντας σε μεγάλο βαθμό στη μείωση της ενεργειακής κατανάλωσης. Κατά τη λειτουργία του, χρησιμοποιεί δύο αντίθετα τοποθετημένους κυλίνδρους και έμβολα που ενώνονται με μία ράβδο. Η πίεση του νερού τροφοδοσίας ασκείται στον ένα κύλινδρο εξαναγκάζοντας τον άλλον να κινήσει το νερό προς τη μεμβράνη. Όταν το έμβολο ενός κυλίνδρου ακουμπά στη βάση, η διαδικασία αντιστρέφεται.
Eικ.3.6 O εναλλάκτης πίεσης Clark Pump της Spectra Watermakers
Τα συστήματα στροβίλου αποτελούνται από τα συστήματα τύπου Pelton και το σύστημα αντλίας-στροβίλου (turbochanger).Το απορριπτόμενο ρεύμα άλμης υψηλής πίεσης εισέρχεται στο στρόβιλο μέσω ενός ακροφυσίου και η πίεση του ρεύματος μεταφέρεται στο ρότορα του στροβίλου, που με τη σειρά του μεταφέρει ισχύ στην αντλία υψηλής πίεσης μέσω της κοινής τους ατράκτου. Η άλμη απορρίπτεται σε πίεση ίση με την ατμοσφαιρική.
Σχήμ.3.9 Λειτουργία συστήματος αφαλάτωσης αντίστροφης όσμωσης στροβίλου Pelton
Τα συστήματα αντλίας-στροβίλου (turbochanger) αποτελούνται από μια αντλία κι ένα στρόβιλο συνδεδεμένα σε ένα κιβώτιο. Τόσο η αντλία όσο και ο στρόβιλος περιέχουν μία απλή βαθμίδα ρότορα. Η υδραυλική ενέργεια του ρεύματος της άλμης μετατρέπεται σε μηχανική από το ρότορα του στροβίλου και στη συνέχεια, η αντλία μετατρέπει την ενέργεια αυτή σε πίεση με την οποία τροφοδοτεί το ρεύμα του θαλασσινού νερού. Η διεργασία παρουσιάζεται στο επόμενο διάγραμμα, όπου παρατηρείται ότι η αντλία υψηλής πίεσης αυξάνει την πίεση της τροφοδοσίας έως τα 32 bar κι έπειτα αυξάνεται περισσότερο από το σύστημα του στροβίλου έως τα 69 bar.
Συμπερασματικά, τα συστήματα αντλίας-στροβίλου (turbochangers) αποτελούν την επικρατούσα τεχνολογία στο χώρο των συστημάτων ανάκτησης ενέργειας, παρόλο που οι εναλλάκτες πίεσης έχουν αρκετά πλεονεκτήματα σχετικά με την απόδοση της μονάδας.
Σχήμ.3.10 Σύστημα αφαλάτωσης (αντίστροφης όσμωσης) αντλίας-στροβίλου
Οι εναλλάκτες πίεσης διατηρούν το βαθμό απόδοσης τους ανεξάρτητα από αλλαγές που μπορούν να συμβούν λόγω των χρόνων λειτουργίας ή της συντήρησης της μονάδας, σε αντίθεση με τους στροβίλους, όπου σε αντίστοιχη περίπτωση λειτουργούν με μειωμένη απόδοση (εκτός του κανονικού σημείου λειτουργίας).Οι εναλλάκτες πίεσης βέβαια απαιτούν επιπρόσθετο εξοπλισμό, όπως τους κυκλοφορητές, αυξάνοντας έτσι τα κόστη εξοπλισμού και συντήρησης. Επίσης, ο τρόπος λειτουργίας τους αυξάνει την αλατότητα του ρεύματος με αποτέλεσμα τη
μεγαλύτερη οσμωτική πίεση. Γενικότερα πρέπει να επισημανθεί πως με την εφαρμογή των συστημάτων ανάκτησης ενέργειας μειώνεται η ειδική ενεργειακή κατανάλωση της μονάδας αφαλάτωσης με αντίστροφη όσμωση.
3.2.3 Ηλεκτροδιάλυση (Electrodialysis – ED)
Η μέθοδος της ηλεκτροδιάλυσης, όπως άλλωστε δηλώνει και το όνομα της, χρησιμοποιεί τον ηλεκτρισμό για να καθαρίσει το νερό από τα ανεπιθύμητα άλατα και είναι μία μέθοδος η οποία εισήλθε στο εμπόριο στις αρχές της δεκαετίας του 1960,περίπου δέκα χρόνια πριν την αντίστροφη όσμωση. Η ανάπτυξη της ηλεκτροδιάλυσης, παρείχε έναν οικονομικά αποδοτικό τρόπο για την αφαλάτωση, κυρίως υφάλμυρου νερού.
Το νερό με το οποίο τροφοδοτείται η διαδικασία, διαπερνάται από ηλεκτρικό ρευμα μέσω ηλεκτροδίων συνδεδεμένων σε μια πηγή συνεχούς ρεύματος. Έτσι, τα μεν κατιόντα (π.χ. νάτριο, ασβέστιο) που περιέχει να κινούνται προς το ηλεκτρόδιο με αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο, τα δε ανιόντα (π.χ. άλατα ανθρακικού οξέως) έλκονται από το ηλεκτρόδιο με αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο. Ανάμεσα στο ζεύγος των ηλεκτροδίων τοποθετούνται εναλλάξ δύο μεμβράνες, εκ των οποίων η μία επιτρέπει τη δίοδο των κατιόντων κι η άλλη των ανιόντων. Με τον τρόπο αυτό, τα ανιόντα περνούν μέσα από τη μεμβράνη ανιόντων, όμως εμποδίζεται η διέλευση τους από τη μεμβράνη κατιόντων. Ανάλογο είναι κι αυτό που συμβαίνει στα κατιόντα. Έξω από τις μεμβράνες δημιουργείται πυκνό αλατούχο διάλυμα (αλμόλοιπο) και μεταξύ αυτών δημιουργείται αραιό διάλυμα, το οποίο αποτελεί το ζητούμενο αφαλατωμένο νερό.
Σχήμ.3.11 Αρχή λειτουργίας της Ηλεκτροδιάλυσης
Στις διατάξεις αφαλάτωσης με ηλεκτροδιάλυση, οι μεμβράνες τοποθετούνται εναλλάξ, με μία επιλεκτική μεμβράνη ανιόντων να ακολουθείται από μία επιλεκτική μεμβράνη κατιόντων. Ανάμεσα σε κάθε ζευγάρι μεμβρανών τοποθετείται ένα διαχωριστικό φύλλο για τη διευκόλυνση της ροής του νερού κατά μήκος των μεμβρανών. Από αυτή την εναλλαγή των μεμβρανών δημιουργούνται διαδοχικά πυκνά κι έπειτα αραιά διαλύματα.
Σχήμ.3.12 Διάταξη αφαλάτωσης με Ηλεκτροδιάλυση
Σημαντικό στοιχείο για τη σωστή λειτουργία των διατάξεων αφαλάτωσης αποτελεί η προεπεξεργασία του αλατούχου νερού, ώστε να μην προκαλείται η βλάβη ή φραγή των μεμβρανών. Το παραγόμενο νερό χρειάζεται επίσης μία μετεπεξεργασία για τη ρύθμιση της σκληρότητας και του pH ή και την αφαίρεση αερίων,όπως τα σουλφίδια του υδρογόνου, κάτι που παρατηρήθηκε πως συμβαίνει και νωρίτερα κατά τη διαδικασία της αντίστροφης όσμωσης (Κορωναίος ,2006).
3.2.4
Απόσταξη Μεμβράνης (Membrane Distillation-MD)
Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, υπάρχουν και κάποιες μεμονωμένες διεργασίες αφαλάτωσης, οι οποίες μπορεί να προέρχονται από το συνδυασμό των θερμικών διεργασιών με αυτές των μεμβρανών. Μια τέτοια διεργασία είναι κι η Απόσταξη Μεμβράνης. Η μέθοδος αφαλάτωσης με τη διεργασία της απόσταξης μεμβράνης, συνδυάζει τόσο την απόσταξη (θερμική διεργασία),όσο και και τις ιδιότητες των
