РОЗДІЛ 23. Осмотичні електростанції

Осмос (від грецького слова Osmos - поштовх, тиск), дифузія речовини, звичайно розчинника, через напівпроникну мембрану, що розділяє розчин і чистий розчинник або два розчини різної концентрації. Напівпроникна мембрана - перегородка, що пропускає малі молекул розчинника, але непроникна для більших молекул розчиненого речовини. Явище осмосу (вирівнювання концентрацій розчинів, розділених напівпроникної мембраною) лежить в основі обміну речовин, усіх живих організмів. Наприклад, стінки кліток рослин, тварин і людину являють собою природню мембрану, яка є частково проникною, оскільки вона вільно пропускає молекули води, але не молекули інших речовин. Коли коріння рослин усмоктувало воду, стіни їх кліток формують натуральну осмотичну мембрану, яка пропускає молекули води й відторгається більшість домішок. Трави й квіти стоять вертикально тільки за рахунок так званого осмотичного тиску. Тому при недоліку води вони виглядають пожухлими й млявими. Фільтруюча здатність природної мембрани унікальна, вона відокремлює речовини від води на молекулярному рівні й саме це дозволяє будь-якому живому організму існувати.

Застосування мембран для відділення одних компонентів розчину від інших відомо дуже давно. У перше Аристотель виявив, що морська вода опрісняється, якщо її пропустити через стінки воскової посудини. Вивчення цього явища й інших мембранних процесів почалося набагато пізніше, на початку XVIII століття, коли Реомюр використовував для наукових цілей напівпроникні мембрани природного походження. Але до середини 20-х років минулого століття всі ці процеси мали сугубо теоретичний інтерес, не виходячи за межі лабораторій. В 1927 році німецька фірма "Сарториус" одержала перші зразки штучних мембран. І тільки в середині минулого століття американські розробники, налагодили виробництво ацетатцелюлозних і нітроцеллюлозних мембран. Наприкінці 50-х - початку 60-х років з початком широкого виробництва синтетичних полімерних матеріалів з'явилися перші наукові праці, які лягли з основу промислового застосування зворотного осмосу.

Перші промислові зворотно-осмотичні системи з'явилися тільки на початку 70• X років, тому це порівняно молода технологія в порівнянні з тим же іонним обміном або адсорбцією на активованих вугіллях. Проте, у Західних країнах зворотний осмос став одним із самих економічних, універсальних і надійних методів очищення води, який дозволяє знизити концентрацію компонентів, що перебувають у воді, на 96-99% і практично на 100% позбутися мікроорганізмів і вірусів. Механізм переносу молекул води через осмотичну мембрани найчастіше являє собою звичайну фільтрацію, при якій відбувається затримка часток розміром більше діаметра поросмотичної мембрани. Вирівнювання концентрацій по обидві сторони такої мембрани можливо тільки при однобічній дифузії розчинника. Тому осмос завжди йде від чистого розчинника до розчину або від розведеного розчину до концентрованого розчину. Зокрема, явище осмосу спостерігається, коли два соляні розчини з різними концентраціями розділені напівпроникною мембраною. Ця мембрана пропускає молекули й іони певного розміру, але служить бар'єром для речовин з молекулами більшого розміру. Таким чином, молекули води здатні проникати через мембрану, а молекули розчинених у воді солей - немає. Якщо по різні сторони напівпроникної мембрани знаходяться солевмістні розчини води з різною концентрацією солей, молекули води будуть перемішатися через мембрану зі слабко концентрованого розчину в більш концентрований, викликаючи в останньому підвищення рівня рідини. Через явище осмосу процес проникнення води через мембрану спостерігається навіть у тому випадку, коли обоє розчину перебувають під однаковим зовнішнім тиском. Різниця у висоті рівнів двох розчинів різної концентрації пропорційна силі, під дією якої вода проходить через мембрану. Ця сила називається "осмотичним тиском". На Рис. 23.1. наведена схема, що ілюструє явище осмосу.

Рис. 23.1. Схема яка ілюструє явище осмосу

Принцип роботи осмотичної електростанції заснований на утворенні осмотичного тиску. У місцях, де ріка впадає в море, прісна річкова вода просто перемішується із солоною морською водою, і ніякого тиску, який міг би послужити джерелом енергії, там не спостерігається. Однак, якщо перед змішуванням морську воду й прісну розділити фільтром - спеціальною мембраною, що пропускає воду, але не проникної солі, то прагнення розчинів до термодинамічної рівноваги й вирівнюванню концентрацій зможе реалізуватися тільки за рахунок того, що вода буде проникати в розчин солі, а сіль у прісну воду не потрапить. Спеціальна мембрана, що пропускає воду, але не проникна молекули солі, ставиться між двома резервуарами. В один з них заповнюється прісною водою, в іншій заповнюється солоною водою. Оскільки така система прагне до рівноваги, більш солона вода як би витягає прісну воду з резервуара. Якщо ж це відбувається в закритому резервуарі, то з боку морської води виникає надлишковий гідростатичний тиск. При цьому, з'являється тиск, який створює водний потік. Якщо тепер установити турбіну з генератором, надлишковий тиск буде обертати лопати турбіни й виробляти електрика На Рис. 23.2. показана спрощена схема осмотичної станції. На цьому Рис.: 1 - морська вода; 2– річкова вода; 3 - фільтри; 4 – мембрана; 5 - робоча камера; 6 - вивід відпрацьованої річкової води; 7 - турбіна з електричним генератором; 8 - вивід.

Рис. 23.2. Схема осмотичної станції

Теоретичні розробки в цій області з'явилися ще на початку XX століття, але для їхньої реалізації не вистачало головного - підходящої осмотичної мембрани. Така мембрана повинна була витримувати тиск, в 20 раз перевищуючий тиск звичайного побутового водопроводу, і мати надзвичайно високу пористість. Створення матеріалів з подібними властивостями стало можливим з розвитком технологій виробництва синтетичних полімерів. Дійсно, товщина ефективної мембрани становить близько 0,1 мікрометра. Для порівняння: людське волосся має в діаметрі від 50 до 100 мікрометрів. Саме ця найтонша плівка і відокремлює, в остаточному підсумку, морську воду від прісної води. Зрозуміло, що настільки тонка мембрана не може сама по собі витримати високий осмотичний тиск. Тому вона наноситься на пористу що нагадує губку але надзвичайно міцну основу. До речі, мембрана для прямого осмосу - це не тонка стінка, яку малюють на спрощених схемах, а довгий рулон, укладений у циліндричний корпус. З'єднання з корпусом зроблені таким чином, що у всіх шарах рулону з однієї сторони мембрани завжди перебуває прісна вода, а з іншого - сторони морська, як це показано на Рис. 23.3. На цьому Рис.: 1 - прісна вода; 2 - морська вода; 3 - мембрана. На Рис. 23.4. показаний пристрій мембрани, поміщеної в металевий корпус, циліндричної форми. На цьому Рис.: 1 - прісна вода; 2 – морська вода; 3 - мембрана; 4 - металевий корпус. Застосовувані в цей час композитні мембрани дозволяють значно знизити гідродинамічний опір. У них тонкий селективний шар наноситься хімічним шляхом на пористу основу (підкладку). Товщина селективного шару становить 0,1-1,0 мкм, а товщина пористої основи - 50-150 мкм. Підкладка практично не створює опори потоку завдяки широким порам, а опір селективного шару значно знижується завдяки значному скороченню його товщини. У цілому композитна структура мембрани забезпечує механічну міцність за рахунок

Рис. 23.3. Пристрій рулонної мембрани

Рис. 23.4. Мембрана в циліндричному корпусі

товщини пористої підкладки, а крім того, дозволяє знизити загальний опір мембрани за рахунок тонкості селективного шару. Селективний шар зворотніх осмотичних мембран виконаний з поліамідного матеріалу.

На Рис. 23.S. показаний пристрій осмотичної станції, що використовує рулонні мембрани.

На цьому Рис.: 1 - уведення морської води; 2 - уведення річкової води; 3 – фільтри; 4 – рулонні мембрани; 5 - герметична камера з високим осмотичним тиском; 6- турбіна з електрогенератором.

В 2009 році в Норвегії в місті Тофте почала роботу перша у світі електростанція, що використовує різницю солоності морської й прісної води для одержання електроенергії. У побудованої осмотичної електростанції, у відсіку з морською водою створюється тиск, еквівалентне тиску стовпа води висотою 120 метрів. Цей тиск приводить в дію вал турбіни якої з'єднаний з електрогенератором. Прісна вода самопливом надходить на мембрану. Забір морської води здійснюється в Тофте із глибин від 35 до 50 метрів - у цьому шарі її солоність оптимальна. Крім того, там вона значно чистіше, чим у поверхні. Але, незважаючи на це, мембрани станції вимагають регулярного чищення від органічних залишків, що забивають її мікропори. На сьогоднішній день ця осмотична станція виробляє близько 1 кВт енергії. Найближчим часом ця цифра може збільшитися до 2-4 кВт. Для того щоб можна було говорити про рентабельність виробництва, необхідно

Рис. 23.5. Осмотична станція з рулонними мембранами

одержати виробіток близько 5 кВт. Однак, це цілком реальне завдання. До 2015 року планується побудувати більшу станцію, яка забезпечить виробіток 25 МВт, що дозволить живити електрикою 10000 середніх домогосподарств. У перспективі ж передбачається, що осмотичні електростанції стануть такими потужними, що зможуть виробляти 1700 ТВт у рік, стільки, скільки зараз виробляє половина Європи.

Переваги осмотичних станцій. По-перше, солона вода (для роботи станції підходить звичайна морська вода) є невичерпним природним ресурсом. Поверхня Землі на 94% покрита водою, 97% якої є солоної, тому для таких станцій завжди буде паливо. По-друге, для будівництва осмотичних електростанцій не потрібно будівництва спеціальних гідротехнічних споруджень. Екологічність даного способу одержання електроенергії. Ніяких відходів, що окислюються матеріалів для резервуарів, шкідливих випарів. Осмотичні електростанції можуть бути встановлені навіть у межах міста, не наносячи ніякого збитку його жителям.

Недавно Японія повідомила, що планує виробляти енергію за допомогою осмотичних станцій. Японія оточена із усіх боків океаном, у який упадають численні ріки. Тому що вони течуть постійно, процес видобутку електроенергії стане безперервним. Серед плюсів осмотичного способу одержання енергії це незалежність від рельєфу місцевості, станція зможе працювати й на рівнині. Основними є географічні умови, при яких відбувається змішання прісної й солоної води. Таким чином, встановлювати осмотичні електростанції можна в будь-яких районах Японії, де ріки впадають в океан. Осмотична станція зможуть виробляти 5-6 мільйонів кВт енергії, для порівняння такий же обсяг виробляють 5-6 атомних електростанцій, як затверджує Акихико Таниока, професор Токійського технічного університету. До того ж, Японія є одним з головних виробників осмотичних мембран. Зараз на частку японських компаній доводиться 70% світового імпорту мембран.