Получение пресной воды из атмосферного воздуха

Получение пресной воды из атмосферного воздуха
для прибрежных районов засушливых областей земли
В.В.Алексеев
http://www.transgasindustry.com/ren_e_s/hydroen/3/hydro1.shtml
Нехватка воды становится одним из главных факторов, сдерживающих развитие цивилизации во
многих регионах Земли. Суточный расход воды на личные нужды жителя современного благоустроенного
города составляет 100-350 л. В то же время во многих регионах Земли эта цифра снижается до 20-70 л, в
результате почти 1 млрд. человек на земле даже не обеспечен безопасной питьевой водой. Рынок пресной
воды постоянно возрастает. За последние годы количество пресной воды, получаемой на опреснительных
установках, в мире увеличилось с 3 км^3 в 1980 г. до 15 км^3 в настоящее время. С 1950 по 1980 г.
потребление пресной воды в год на Земле возросло в четыре раза и достигло 3500 км^3 [1] (рис. 1, рис. 2).
Рисунок 1
Прирост мирового водопотребления,
м^3/ чел. в год
Рисунок 2
Рост мирового водопотребления
Дополнительная потребность воды для засушливых регионов Земли составляет не менее 1000 км^3 в
год, таким образом, ожидаемая емкость рынка даже по скромным оценкам (1 долл. за м^3 равняется 1000
млрд. долл. Традиционные системы опреснения морской воды требуют значительного количества
энергии. В лучших опреснительных установках необходимо не менее 1 т у.т. для получения 80-100 м^3
пресной воды [2]. Так что для получения например 10 км^3 пресной воды требуется не менее 100 млн т
у.т., и , чтобы увеличить потребление пресной воды на 1000 км^3 за счет опреснения, потребуется по
крайней мере 10 млрд. т у.т., т. е. удвоить современное потребление энергии, что является недопустимым
с точки зрения возможного воздействия на климат.
В настоящее время основным источником пресной воды являются воды рек, озер, артезианских
скважин и опресненная морская вода. Количество воды, находящейся в каждый данный момент в
атмосфере, равно 14 тыс. км^3, в то время как во всех речных руслах всего 1,2 тыс. км^3. Ежегодно с
поверхности суши и океана испаряется 577 тыс. км^3, столько же потом выпадает в виде осадков. Речной
годовой сток составляет лишь 7% общего количества выпадающих осадков. Из сравнения общего
количества испаряющейся влаги и количества воды в атмосфере легко видеть, что в течение года она
обновляется в атмосфере 45 раз [4]. Таким образом, основной источник пресной воды - вода в атмосфере оказывается неиспользуемым.
Распределение воды в атмосфере неравномерно. Половина всего водяного пара приходится на нижние
слои атмосферы до 1,5 км, и свыше 99% - на тропосферу. У земной поверхности средняя по земному шару
абсолютная влажность составляет 11 г/м^3, а в тропических регионах эта величина доходит до 25 г/м^3 и
выше, в то время как в водяных облаках в 1 м^3 содержится от 0,1 до 0,3 г воды. Только в кучевых
облаках водность больше и изменяется от 0,7 г/м^3 в их нижней части до 1,8 г/м^3 в верхней, достигая в
отдельных случаях 5 г/м^3 [4].
Значительное количество стран, расположенных в жарком поясе земного шара, страдают от отсутствия
пресной воды, хотя ее содержание в атмосфере значительно. Например, в Джибути в течение всего года
практически не бывает дождей, в то время как абсолютная влажность в приземном слое воздуха
колеблется от 18 до 24 г/м^3. В пустынях Аравийского полуострова и в Сахаре над каждым квадратом со
стороной 10 км каждые сутки проносится такое количество воды, которое равно по объему озеру
площадью 1 км^2 и глубиной 50 м. Чтобы взять эту воду, надо открыть "символический кран".
Использование атмосферной влаги, содержащейся в атмосферном воздухе, минимально воздействует на
окружающую среду в отличие от опреснительных установок, использующих морскую воду, так как в
последнем случае образуется рассол, который необходимо удалять. Кроме того, как будет показано ниже,
возможно создание установок, практически не требующих энергозатрат.
Данный ресурс пресной воды постоянно возобновляется, характеристики конденсата, который может
быть получен в большинстве районов Земли, очень высокие: в конденсате на два-три порядка меньше
токсических металлов по сравнению с требованиями санитарных служб, практически нет
микроорганизмов, он хорошо аэрирован. Как показывают экономические исследования, эта вода может
быть самой дешевой из всех, которые получают иными способами (не более 10 цент, за 1 м^3 [3].
Использование естественных процессов позволяет получать огромные количества пресной воды в
тропических районах, практически не влияя на окружающую среду.
Например, в Нуакшоте (Мавритания) средняя месячная температура воздуха в мае-октябре составляет
27-30 °С, относительная влажность 60-80%. Это означает, что в каждом кубическом метре воздуха
содержится 20-24 г воды. При понижении температуры на 10-15 °С из каждого кубического метра можно
выделить 10-14 г воды. Если учесть, что суточный перепад температуры может составлять 15-20 °С, то
становится понятным, почему в Сахаре обильные росы.
На Земле имеется много районов с выгодными для получения пресной воды из атмосферного воздуха
условиями. В Израиле, например, 190-200 ночей характеризуются 100%-ной влажностью. Следует
заметить, что по наблюдениям Функа в Австралии ночью в приземном слое воздуха существует
значительная дивергенция на высотах 0,5-1,5 м. В осенне-зимние ночи он наблюдал там дивергенцию до
1,33 мкВт/см^3. Такая дивергенция должна охлаждать воздух на 3,7 °С в 1 ч, а при ясном небе - даже на 6
°С в 1 ч. Аналогичная ситуация наблюдается и в других регионах Земного шара. Например, на Ближнем
Востоке и в Северной Африке суточные амплитуды температур могут достигать нескольких десятков
градусов: Туггурт - 57 °С, Ин-Салах - 66 °С, Тегеран - 48 °С и т. д., что способствует обильному
выпадению росы.
В средних широтах атмосферная влага возвращается на землю в виде дождя и снега, конденсируясь в
облачных структурах. В тропиках воздушные вертикальные потоки направлены вниз, что приводит к
неблагоприятным условиям для конденсации влаги на высоте 1,5-3 км.
Для получения значительного количества конденсата необходимо выполнение двух условий: температура
должна быть ниже точки росы и наличие центров конденсации. Это следует из формулы В. Томсона
(лорда Кельвина) для критического радиуса капли Лк:
Rк=2œV1/V2(P-Pn),
где œ- коэффициент поверхностного натяжения воды, V1- удельный объем жидкой воды; V2 - удельный
объем пара; Рп - давление пара в точке росы, а Р - текущее давление пара. Таким образом, если в
пересыщенный пар внести каплю с радиусом больше критического, то рост капли будет приводить к
уменьшению термодинамического потенциала и, следовательно, будет происходить конденсация. Если же
радиус капли меньше критического, то будет происходить испарение капли, так как при росте капли в
этом случае термодинамический потенциал увеличивается. При понижении температуры, которое
происходит в Сахаре в ночное время, очень часто пар оказывается в метастабильном состоянии и для
появления второй фазы в атмосфере, т. е. для образования капель, необходимы зародыши размером,
превышающим критический. Это могут быть либо мелкие капли воды, либо пылинки, либо земная
поверхность. Например, чтобы капля размером 0,1 мкм росла при температуре 10 °С, необходимо
пересыщение более 200%. Мелкие ядра конденсации живут достаточно долго в атмосфере, но они малы,
чтобы происходила конденсация, большие же ядра быстро удаляются в результате стоксова оседания.
Поэтому в условиях Ближнего Востока, хотя в ночное время температурные условия во многих случаях
бывают выгодными для формирования осадков, отсутствие ядер конденсации в нижней атмосфере не дает
возможности каплям достаточно развиться. Поэтому необходимо некоторое воздействие, которое
позволяет получать значительное количество пресной воды. При этом затраты оказываются достаточно
низкими: стоимость кубометра пресной воды не будет превышать 10 центов.
В настоящее время в основном используют два метода опреснения воды: дистилляцию выпариванием
(70% продукции) и фильтрацию через мембраны (30%).
Оба метода достаточно дороги, так как требуют значительного расхода энергии. Мембранный метод
достаточно чувствителен к механическим загрязнениям воды, кроме того, с ростом температуры
опресняемой воды производительность мембранных установок снижается. В результате деятельности
обоих типов систем получается значительное количество соли, которую необходимо удалять, что
приводит к загрязнению среды мощными опреснительными заводами. Кроме того, сжигание нефти для
получения энергии, необходимой для работы этих установок, приводит к загрязнению атмосферы и, если
говорить об удовлетворении возможных потребностей, то к сильным возможным воздействиям на климат.
Использование же естественных процессов позволяет получать огромные количества пресной воды в
тропических районах, практически не влияя на окружающую среду. Эти процессы либо вообще не
требуют источников энергии, либо требуют расхода энергии в минимальном количестве. Один из таких
вариантов был нами реализован на платформе вблизи крымского побережья. В качестве источника холода
использовали холодную воду из глубинных слоев моря. Количество пресной воды, которую можно
получить из влажного воздуха, определяется его температурой и влажностью, температурой конденсатора
и объемом продуваемого воздуха. Приведем в качестве примера расчет возможного количества пресной
воды и энергозатрат при температуре воздуха 25 °С, влажности 100% и температуре конденсатора 15 °С.
При данных температурах плотность насыщенного пара составляет соответственно 23 г/м^3 12,8 г/м^3.
Из 1 м^3 можно извлечь 10,2 г пресной воды. Если воздух продувается через поперечное сечение 1 м^2 со
скоростью 1 м/с в течение 24 ч, то за сутки получается 800 кг воды. Суммарная кинетическая энергия
массы пропущенного через воздуховод воздуха со скоростью 1 м/с составляет порядка 60 кДж. Оценим
количество кинетической энергии воды, которую необходимо прокачать для конденсации. При
конденсации 800 кг воды выделяется 2112 000 кДж тепла. Пусть температура охлаждающей воды при
этом повышается на 1 градус, тогда количество воды, которое необходимо прокачать равно 500 т. Если
эта вода прокачивается через сечение, равное 1 дм^2, то скорость прокачки воды будет составлять 0,6 м/с.
На 1 м^3 получаемой воды должно быть израсходовано 40 ккал, или 1 кг у. т. на 100 м^3, т. е. примерно на
три порядка меньше той величины, которая расходуется, как мы видели выше, в современных
опреснителях. На действующей установке, которая была испытана на морской платформе в Крыму в
Кацивели (близ Симеиза) исследовали качество получаемой воды. Оно оказалось высоким, по ряду
параметров на порядок выше требований ПДК [3, 5].
Если водяной пар сконденсировался и находится в воздухе в виде мелких капель, то получение воды
сводится к механическому ее извлечению из влажного воздуха. Эксперименты по получению воды
данным методом проводились во многих районах мира. Этот способ получения воды реализуется в
природных экосистемах: хорошо известно, что лес как бы вычесывает туманы. Даже если нет дождя, но
облако проходит в горах через лес, то влага конденсируется на ветках и листьях деревьев и потом капает
на землю. В Чили с 1989 по 1991 г. проводился крупномасштабный эксперимент по сбору пресной воды с
помощью 50 коллекторов в виде сетей площадью 48 м^2 каждый, установленных вертикально. В течение
трех засушливых лет установка давала 7200 л/сут. Субсидируемая стоимость доставляемой в данную
местность воды составляет 8 долл./м3, а стоимость получаемой воды с учетом затрат на изготовление
коллекторов - 1 долл./м^3. Получение конденсированной влаги либо на естественных (кусты, деревья),
либо на искусственных коллекторах подтверждено экспериментально в 47 местах в 22 странах мира [4].
Например, в Омане два-три месяца в году опытный коллектор позволял снимать до 50 л/м^2 [6].
Мы уже отметили выше, что туманы, как правило, не образуются при 100%-ной влажности, так как для
их образования необходимы центры конденсации. В НПО "Тайфун" разработаны методы получения
искусственных туманов. Высота получаемых туманов составляет 10-20 м, площади - десятки и сотни
гектар.
Наиболее интересными системами, которые не требуют расходования энергии на производство влаги,
были феодосийские сооружения, которые, к сожалению, в настоящее время разобраны. В г. Феодосия в
России до 80-х годов прошлого века не было водоснабжения из одного какого-либо мощного источника,
но в довольно большом количестве имелись "фонтаны". Вода к ним была подведена самотеком по
гончарным трубам в направлении с окружающих город гор, на которых никаких признаков источников
или каких-либо сооружений для водопровода не было. Дело в том, что конденсат собирался со скалы, на
которой были установлены специальные щебневые кучи [7].
В прибрежных районах значительная роль в процессе функционирования конденсаторов феодосийского
типа может принадлежать бризовой циркуляции. В ночное время, когда идет интенсивное охлаждение
суши холодный ветер должен интенивно охлаждать камни, из которых сложен конденсатор. Если
конденсатор имеет объем 2000 м^3 и 30% его толщи занимает воздух, а 70% - известняк, плотность
которого 2,7 т/м^3, а теплоемкость - 0,22 ккалДкг * °С), то запас холода при перепаде температуры ?t
оказывается равным 831 600Д/ ккал. Эта величина позволяет сконденсировать 1,4 tм^3 воды из
влажного воздуха, поступающего с дневным бризом с моря. Если перепад дневной и ночной температуры
составляет 15 °С, это будет соответствовать получению 21 м^3 воды, с учетом того, что теплота
испарения равна 595 ккал/кг. Чтобы охладить кусок известнякового щебня массой 2,7 кг и линейным
размером 10 см, необходимо прокачать мимо него 2,5 кг воздуха, если предположить, что толщина слоя
воздуха вокруг каждого куска порядка 1 см, то при движении воздуха со скоростью 1 м/с потребуется
около 3 ч. Использование современных технологий, например, тепловых труб, которые способны
передавать большие тепловые мощности при малых перепадах температуры, позволяет значительно
быстрее аккумулировать холод в толще конденсатора и таким образом на порядок повысить его
эффективность.
В Лаборатории возобновляемых источников энергии географического факультета Московского
государственного университета им. М.В. Ломоносова в течение более 10 лет проводятся исследования по
получению пресной воды из атмосферного воздуха для аридных регионов Земли. На данную технологию
имеется российский патент № 93018869 от 12 апреля 1996 г. с приоритетом от 12 апреля 1993 г., а также
решения о выдаче патентов на заявки № 98104583/03(003831) от 25.02 1998 г. и № 98120955/03(023149) от
23.11.1998 г. В настоящее время идет патентование этих изобретений в США и странах, входящих в
международный патентный союз РСТ.(№№ заявок: US серийный номер 09/257,386; PCT/US 99/04108 от
25.02.1999/).
Список литературы
1. Крыжановский Р.А., Громов Е.Н., Галушкина Т.П. Морская экономика: сегодня и завтра. М.:
"Наука", 1991.
2. Демкин В.В., Ногин С.В. Дистилляционные опреснительные установки. Механизация и
электофикация сельского хозяйства. 1997. Вып. 6. С. 16-18.
3. Алексеев В.В., Чекарев К.В. Получение пресной воды из влажного воздуха. Аридные экосистемы.
1996. Т.2. № 2-3. С. HI-122.
4. Хргиан А.Х. Физика атмосферы. 1978. Т.2. Л.: Гидрометиздат.
5. Алексеев В.В., Чекарев К.В. Установка для получения пресной воды из влажного воздуха. Патент
на изобретение № 2056479. Гос. регистрация 20 марта 1996 г.
6. Robert S. Schemenauer and Pilar Cereceda// Fog-water Collection in Arid Coastal Locations. Ambio.
1991. Vol. 20, № 7. P. 303-308.
7. Зибольд Ф.И. Роль подземной росы в водоснабжении города Феодосия//Труды опытных
лесничеств. 1905. № 3. С. 387-412